盾構(gòu)機(jī)，簡稱盾構(gòu)機(jī)或盾構(gòu)(  hielding   machine)一種采用盾構(gòu)法的隧道掘進(jìn)機(jī)，具有挖掘和切割土壤的功能、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、導(dǎo)向糾偏等功能。盾構(gòu)機(jī)可以根據(jù)不同的分類方法進(jìn)行分類：根據(jù)開挖面是否封閉，可分為封閉式、半敞開式、敞開式三類；明挖盾構(gòu)機(jī)按開挖方式可分為手挖式、半機(jī)械開挖和機(jī)械開挖；根據(jù)平衡開挖土壓力和水壓力的原理，封閉式盾構(gòu)機(jī)可分為泥水式和土壓式。盾構(gòu)機(jī)由殼體、掘削刀盤、刀具、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、擋土機(jī)構(gòu)、攪拌機(jī)構(gòu)、排土機(jī)構(gòu)、管片拼裝機(jī)構(gòu)等，在隧道施工期間不受氣候影響、自動化程度高、經(jīng)濟(jì)性好等特點，在地鐵中得到了廣泛應(yīng)用、公路等隧道工程。 

切削土體

土壤被旋轉(zhuǎn)刀盤的刀具切割，然后通過刀盤的開口被擠壓到土壤室中，并與土壤倉中現(xiàn)有的粘性土壤漿液混合。推進(jìn)氣缸的壓力通過室壁傳遞給土室中的土壤，從而確保開挖面的穩(wěn)定性。當(dāng)土室內(nèi)的土體不再受到土壓和水壓的擠壓時，就達(dá)到了土壓平衡。此時，開挖面上的土壓力約等于土室內(nèi)的土壓力。當(dāng)土室內(nèi)的土壓力增加超過平衡土壓力時，土室內(nèi)的土將壓縮開挖面上的土，并導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)前方的地面隆起；當(dāng)土室內(nèi)的土壓力小于平衡土壓力時，通常會導(dǎo)致地面下沉。

輸送土渣

盾構(gòu)機(jī)在切割泥土并向前行駛時，需要及時將挖掘出的泥土運輸出去。在EPB盾構(gòu)機(jī)中，螺旋輸送機(jī)從承壓隔板的開口延伸到土室中以排出泥土壓力控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)單位時間的排土量，使土室始終充滿土，土壓與開挖面土壓平衡。在泥水盾構(gòu)機(jī)中，挖出的土料在土室中與支撐液混合形成泥漿，支撐和保護(hù)開挖面，同時也作為輸送渣土的介質(zhì)泥漿被泵送到地面后，被處理設(shè)備分離成土壤物質(zhì)和泥漿水經(jīng)過質(zhì)量調(diào)整后，分離出的泥水可以再次輸送到土室，同時排出土料。

拼裝隧道襯砌

隧道施工期間安裝的管片由管片運輸機(jī)車運送，并放置在管片運輸車上。隨著盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)，已安裝的第一環(huán)管片外表面與圍巖之間形成間隙，因此應(yīng)同步注入砂漿進(jìn)行填充，以防止地面沉降。在隧道掘進(jìn)循環(huán)完成后，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)缸的一部分縮回，為第一個管片留出足夠的空間；其余的推進(jìn)缸仍與已安裝的管片接觸，以防止盾構(gòu)機(jī)因土壓而后退。

導(dǎo)向糾偏

因為下面的土壤不平整、盾構(gòu)機(jī)內(nèi)機(jī)械設(shè)備工作時阻力不一致、由于盾構(gòu)機(jī)施工等因素的動態(tài)變化，盾構(gòu)機(jī)在地層推進(jìn)過程中會出現(xiàn)偏位。盾構(gòu)機(jī)的糾偏作業(yè)主要是使盾構(gòu)機(jī)的運動軌跡始終在設(shè)計軸線的允許偏差范圍內(nèi)，從而確保隧道襯砌拼裝在理想位置。您可以調(diào)整插孔分組、調(diào)整開挖面的阻力，即人為改變阻力合力點的位置等，形成一個校正力偶并控制盾構(gòu)機(jī)的軸線。

殼體

切口環(huán)

缺口環(huán)部分位于盾構(gòu)機(jī)的前端，其前端設(shè)有切削刃。在施工過程中，缺口環(huán)切入地層并屏蔽開挖作業(yè)，其切削刃可減少土壤切削阻力對地層的擾動。缺口環(huán)的長度主要取決于支撐形式、開挖方法、大多數(shù)手挖盾構(gòu)機(jī)的缺口環(huán)的頂部比底部長，就像帽檐一樣，以增加盾構(gòu)的長度。在機(jī)械盾構(gòu)機(jī)的刀圈里，有各種挖掘設(shè)備。在泥水盾構(gòu)機(jī)和土壓盾構(gòu)機(jī)中，由于缺口環(huán)的壓力高于正常壓力，因此需要用封閉隔板將缺口環(huán)與支撐環(huán)隔開。

支承環(huán)

支撐環(huán)位于盾構(gòu)機(jī)中部緊接缺口環(huán)之后，為環(huán)形結(jié)構(gòu)，剛性好。支撐環(huán)是基本的承重結(jié)構(gòu)，所有地層土壓力、千斤頂?shù)捻斄?、切口、盾尾、支撐環(huán)承受內(nèi)襯組件的施工荷載。支撐環(huán)的外緣應(yīng)配有盾構(gòu)推進(jìn)千斤頂。大型盾構(gòu)機(jī)全液壓、動力設(shè)備、操縱控制系統(tǒng)、襯砌拼裝機(jī)具均設(shè)置在支撐環(huán)位置。中、小盾可以將一些裝備移動到盾后面的框架上。當(dāng)前分壓罩內(nèi)壓力高于常壓時，應(yīng)在支撐環(huán)內(nèi)設(shè)置人工加壓減壓室。

盾尾

通常，盾尾由盾殼鋼板的延伸部分組成，主要用于覆蓋隧道襯砌的安裝。防護(hù)罩末端設(shè)有密封裝置，防止止水、土壤和灌漿材料從盾構(gòu)尾部和襯砌之間進(jìn)入盾構(gòu)。當(dāng)盾尾密封裝置損壞時，必須在盾尾部分更換。因此，盾尾長度應(yīng)滿足上述工作?？紤]到結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡可能減小盾尾的厚度然而，盾尾除了承受地層中的土壓力外，在遇到隧道糾偏和彎道施工時也有一些難以估計的施工荷載，受力情況復(fù)雜，因此其厚度應(yīng)結(jié)合各種因素確定。

掘削刀盤

面板式刀盤

面板刀頭一般是焊接的箱形結(jié)構(gòu)，由輻條組成、刀具、槽口及面板組成。通過面板刀盤直接支撐開挖面，可以防止開挖面過度坍塌，有利于開挖面的穩(wěn)定，并且可以通過控制槽口的開度來調(diào)整棄土棄沙和開挖進(jìn)度。其缺點是開口比小，挖掘粘土層時，粘土容易粘在面板表面，阻礙刀盤轉(zhuǎn)動，進(jìn)而影響挖掘質(zhì)量，刀盤負(fù)荷大，磨損大。

輻條式刀盤

輻條刀頭由輻條和安裝在輻條上的刀具組成。其優(yōu)點是設(shè)備成本低，扭矩阻力小，開孔率大，提高了排土量和粒徑，并有效地將土室內(nèi)的土壓力傳遞到開挖面，適用于淤泥層、砂層和小粒徑砂卵石地層。其缺點是地下水壓力高、對于容易塌陷的土壤，很容易噴水、噴泥，不能限制大粒徑卵石進(jìn)入土室，對開挖面支護(hù)效果差。

輻板式刀盤

輻條刀頭由寬輻條和小輻條組成，刀具和滾刀分別安裝在寬輻條的兩側(cè)和內(nèi)側(cè)。輻條刀盤兼具面板刀盤和輻條刀盤的特點，其輻條結(jié)構(gòu)可以保證開挖時對前方土壤有良好的支撐能力，同時保證有足夠的開口供渣土流入，兼顧了安全和效率。

刀具

切削類刀具

刀具的部件主要包括刀體和刀盤。切削工具主要用于巖石和土壤的開挖面在刀盤的推力下，產(chǎn)生沿刀盤軸向的切削力當(dāng)?shù)毒唠S刀盤旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生沿刀盤切線方向的切削力，在巖土上形成梨形溝槽。如果切割的巖土硬度不大，在刀具的作用下，巖土?xí)兂稍敛⒚撀洌划?dāng)巖土的硬度較高時，工具會使巖土產(chǎn)生裂縫在反復(fù)切割下，裂縫會像巖石切割一樣穿透脫落。

滾動類刀具

滾切刀由刀圈組成、刀體、刀軸、浮動密封和端蓋。當(dāng)開挖地層為堅硬巖石時，使用碾壓工具。安裝在盾構(gòu)機(jī)刀盤上的滾動刀具在刀盤的推力下擠壓巖石，同時刀具圍繞自身軸線自行組裝并隨刀盤旋轉(zhuǎn)，因此巖石被壓碎并脫落，并在火巖石中形成裂縫當(dāng)相鄰刀具產(chǎn)生的裂縫貫穿時，大塊巖石將脫落。

推進(jìn)機(jī)構(gòu)

盾構(gòu)推進(jìn)機(jī)構(gòu)安裝在支撐環(huán)內(nèi)，主要由沿支撐環(huán)內(nèi)圓周方向按一定方式排列的液壓千斤頂組成液壓千斤頂?shù)那岸伺c盾殼鉸接，后活塞桿端裝有支撐靴。推進(jìn)過程中，千斤頂?shù)幕钊麠U伸出，支撐靴頂在后面的拼裝管片上，形成盾構(gòu)向前推進(jìn)的力。同時，推進(jìn)系統(tǒng)在盾構(gòu)曲線施工中也發(fā)揮著重要作用由于推進(jìn)千斤頂可以獨立控制，因此可以只設(shè)置一些千斤頂進(jìn)行推進(jìn)，從而實現(xiàn)盾構(gòu)在多個方向上的偏轉(zhuǎn)。

擋土機(jī)構(gòu)

擋土機(jī)構(gòu)的作用主要是防止開挖過程中開挖面地層的坍塌和變形，保證開挖面的穩(wěn)定。對于全開式盾構(gòu)機(jī)，主要的擋土機(jī)構(gòu)是擋土千斤頂；對于半開放式格柵盾構(gòu)機(jī)，其擋土機(jī)構(gòu)為格柵面板；對于泥水盾構(gòu)機(jī)來說，擋土機(jī)構(gòu)是泥漿倉內(nèi)的加壓泥漿和刀盤面板；對于土壓盾構(gòu)機(jī)來說，擋土機(jī)構(gòu)是土倉和刀盤面板內(nèi)加壓土的開挖。

攪拌機(jī)構(gòu)

攪拌機(jī)構(gòu)是一種專用機(jī)構(gòu)，主要用于泥水盾構(gòu)和土壓盾構(gòu)。在土壓盾構(gòu)機(jī)中，攪拌機(jī)構(gòu)的作用是在添加劑注入后攪拌艙內(nèi)挖出的土砂，改善其流動性，防止堆積和粘附，提高排土效果。對于泥水盾構(gòu)機(jī)來說，攪拌機(jī)構(gòu)的作用是使挖出的土砂均勻地混合在泥漿中，以便于泥漿泵排出混有挖出土砂的泥漿。

排土機(jī)構(gòu)

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)類型的不同，傾倒機(jī)構(gòu)也存在差異。在全開放式或半開放式機(jī)械盾構(gòu)機(jī)中，排土系統(tǒng)一般由鏟斗組成、滑動導(dǎo)槽、漏土斗、帶式輸送機(jī)等。在泥水盾構(gòu)機(jī)中，排土機(jī)構(gòu)由泥水循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)。

盾構(gòu)機(jī)

在泥漿泵的作用下，新鮮泥水通過進(jìn)泥管進(jìn)入泥漿艙，與刀盤挖掘出的渣土充分混合，然后通過排泥管排入地面的泥水處理系統(tǒng)經(jīng)過多級渣土分離和泥水處理后，挖掘出的渣土中富含的泥水開始新的循環(huán)。

在土壓盾構(gòu)機(jī)中，排土機(jī)構(gòu)由螺旋輸送機(jī)組成、除盾構(gòu)機(jī)以外的排土控制器和運土設(shè)備。螺旋輸送機(jī)的作用是將土倉內(nèi)挖掘出的泥土通過排土控制器輸送到盾構(gòu)機(jī)外的運土設(shè)備。

螺旋輸送機(jī)分為帶式輸送機(jī)和軸式輸送機(jī)：對于高水壓和砂土，一般選擇豎井式，保壓效果更好；皮帶多用于礫石層，可以方便地排出大塊礫石，并且由于中心開口較大，保壓效果不好，因此出口處往往安裝有滑動閘門等止水裝置。

管片拼裝機(jī)構(gòu)

管片拼裝機(jī)構(gòu)設(shè)置在盾構(gòu)機(jī)尾部，由管片拼裝機(jī)械手和真圓支架組成。管片拼裝機(jī)械手將管片按照確定的形狀固定在盾尾、一種快速組裝成環(huán)的裝置，包括用于運輸和提升分段的夾緊系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)、拼裝系統(tǒng)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)時，管片拼裝環(huán)將從盾尾脫出。由于管片接縫的間隙、由于重力和土壓力的作用，管片環(huán)將橫向變形，使橫截面呈橢圓形，這將使前面組裝的管片環(huán)和現(xiàn)在組裝的管片環(huán)在連接時不均勻（錯臺）很難安裝縱向螺栓，因此為了避免分段環(huán)不平整，需要一個真正的圓形護(hù)圈。

優(yōu)點

地下工程施工在盾構(gòu)機(jī)的支撐下進(jìn)行，不受地面交通影響、河道、航運、氣候條件和其他因素的影響可以經(jīng)濟(jì)合理地確保隧道的安全施工。

盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)、出土、內(nèi)襯組裝可實現(xiàn)自動化、智能化和信息化施工遠(yuǎn)程控制，掘進(jìn)速度更快，施工勞動強(qiáng)度更低。

盾構(gòu)機(jī)適用于廣泛的地層，從軟土、砂卵石、軟巖可用于巖層。

盾構(gòu)機(jī)在地面上覆蓋一小塊區(qū)域，挖土、較小的開挖量有利于降低成本。

缺點

盾構(gòu)機(jī)價格昂貴，隧道襯砌、運輸、拼裝、機(jī)械安裝等工藝復(fù)雜，施工時需要設(shè)備制造、施工測量、現(xiàn)場布置等施工技術(shù)的配合比較復(fù)雜。

盾構(gòu)機(jī)對施工條件要求較高。隧道曲線半徑過小或隧道埋深過小，施工困難；當(dāng)隧道被淺覆土層覆蓋時，難以穩(wěn)定開挖面并確保盾構(gòu)機(jī)施工安全。

地鐵隧道施工

福州2號線后亭站至橘園洲站段全長2.827公里，站間距離是2號線中最長的，其中穿越河流的長度約為1700米隧道穿越的烏龍江是一個高滲透性地層，含有大粒徑卵石，難以穿越淤泥質(zhì)土壤、針對致密卵石層的地質(zhì)條件，研制了直徑為6480mm的泥水壓力平衡式盾構(gòu)機(jī)，該盾構(gòu)機(jī)采用了大開口率的刀盤設(shè)計和先進(jìn)的刀具布置、泥水控制系統(tǒng)（氣泡倉控制技術(shù)、可逆洗滌的泥水循環(huán)技術(shù)、泥水分流器設(shè)計技術(shù))破碎機(jī)設(shè)計、三通球閥噴嘴設(shè)計等技術(shù)。該段盾構(gòu)機(jī)施工時刀盤上沒有泥餅、出現(xiàn)盾構(gòu)下沉、結(jié)泥餅、噴涌、塌方、頻繁換刀、挖掘困難等，實現(xiàn)了2660米連續(xù)掘進(jìn)無換刀記錄。

道路隧道施工

日本的東京灣公路是15.1公里，其離岸部分9.1公里海底盾構(gòu)隧道、4.4公里海上大橋、引道由三部分組成。由于海底公路隧道斷面巨大，且修建在海平面下60米的東京灣海底地層中，施工條件極其惡劣。東京灣海底隧道的建設(shè)由八條直徑為14.14m超大型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)穿越海底地層。東京灣道隧道盾構(gòu)掘進(jìn)的最大特點是直徑大、由于水壓較高，盾構(gòu)機(jī)需要在海底軟土地基中進(jìn)行長距離開挖，并自動組裝管片。