1.1.3　盾构原理

1.基本原理

目前常用的盾构机主要有土压平衡和泥水平衡盾构机，除了其出土（渣）的方式不同外，其基本的工作原理是一致的。其基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘，如图1-3、图1-4所示。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。

图1-3　盾构机工作示意图

图1-4　盾构原理图

土压平衡盾构机出土（渣）的工作原理是：刀盘旋转开挖工作面的土体，挖掘下来的土料作为稳定开挖面的介质，土料由螺旋输送机旋转运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输料器出土量（旋转速度）进行调节。

泥水平衡盾构机出土（渣）的工作原理是：利用泥水室的泥水压力来平衡切削面的土、水压力，切削下来的土体与泥水室内的泥水充分混合后，由泥水输送系统输送到泥水分离系统进行分离，废弃渣土。泥水经改良后，再次由管路输送回泥水室循环使用。

盾构构机刀盘上的刀架与刀头，可根据岩土构成情况及其硬度，选择适当的材料和形状。对材料要求坚硬耐磨，便于装卸、更换。如有扩挖要求，还可在刀盘外绕，装配可调节的扩挖刀头。刀盘旋转动力一般为交流市电，有的用电动机带动液压泵驱动旋转。随着刀盘不断切削岩土，在沿圆周布置的若干强力液压千斤顶推力下，盾头不断向前推进。这些液压千斤顶皆以电力带动油泵供油来工作。

当盾构机向前推进一个管片的长度（沿洞轴向）时，便可以用机械手将若干管片依从下而上的顺序拼装为管环，即洞身。一般每环分为6～11片（视洞径而定），其中顶部有一块楔形片，它的安装使管环呈一挤紧的整体。盾构机上的机械手，有的是机械挂钩，用于插销固定管片；有的是用负压吸盘，将管片吸起。这些均由施工人员现场操作、拼装。随着管环的形成，盾构机立即在盾尾部位进行填充灌浆，沿盾层外周的灌浆管压出水泥砂浆，盾尾末端沿圆周内侧设有2～3道止浆圈，与已成型管片压紧防止漏浆，保持泥浆压力与质量。

综上可知，盾构机在工作过程中总的来说主要分为以下三个步骤：

（1）盾构机的掘进

液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的渣土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。

（2）掘进中控制排土量与排土速度

当泥土仓和螺旋输送机中的渣土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍塌或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流入泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。

（3）管片拼装

盾构机掘进一段距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道一次成型。

2.土压平衡盾构原理

（1）土压平衡式盾构

土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾构。它的前端有一个全断面切削刀盘，在它后面有一个贮留切削土体的密封舱，在其中心处或下方装有长筒形的螺旋输送机，在密封舱和螺旋输送机，以及在盾壳四周装设的土压传感装置，根据需要还可装设改善切削土体流动性的塑流化材料的注入设备。压平衡盾构机是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘，将正面土体切削下来进入刀盘后面的贮留密封仓内，并使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降，在出土时由安装在密封仓下部的螺旋运输机向排土口连续的将土渣排出，其原理如图1-5、图1-6所示。土压平衡式盾构适用于含水量和粒度组成比较适中的粉土、黏土、砂质粉土、砂质黏土、夹砂粉黏土等土砂可以直接从掘削面流入土仓及螺旋排土器的土质。但对含砂粒量过多的不具备流动性的土质，不宜选用。

图1-5　土压平衡示意图　　

图1-6　土压平衡式盾构原理图

（2）土压平衡工作原理

1）开挖

土体由旋转刀盘上的刀具切割下来，然后通过刀盘开口挤入土仓，与土舱内已有的黏性土浆混合。推进油缸的压力通过仓壁传给土舱内土体，从而保证开挖面的稳定。当土舱内的土体不能再被土压力和水压力压紧时，就达到了土压平衡，这时开挖面的土压约等于土仓中土体的压力。

当土仓中土体的压力增加至超过平衡时的土压时，土仓中土体就会压紧开挖面的土体，这会导致盾构前方的地面隆起。当土仓中的土体压力小于平衡土压时，通常会引起地面下沉。土仓中的土体在压力的作用下通过螺旋输送机被输送出去，如图1-7所示。(www.daowen.com)

图1-7　开挖示意图

在一定速度下进行掘进时通常可以通过改变螺旋输送机的速度来控制土压。当螺旋输送机转速较快时泥土就会迅速被运出去，这时土压就会降低，相反土压就升高。通常也可以通过改变掘进速度来控制土压，减小掘进速度土仓中的土压会降低，相反会升高。

为了保证在掘进过程中土压的稳定，土仓的压力应和刀盘前的土压相一致，以防止刀盘前的土体下沉和土体的泄漏。安装在土仓中不同位置上的土压传感器，可以将土仓中的土压力和支撑压力传给控制室并显示出来。

盾构机具有各种不同的模式、不同的功能，并且各种模式转换的工作量很小。根据土体的状况不同，盾构机可以采用以下不同的掘进模式进行掘进。

土压平衡模式：土仓是由土仓中的土体来密封的，这些土体要被螺旋输送机运走，它们可以通过盾构机系统提供的装置在螺旋输送机中形成一段压力区段，从而保持土仓压力稳定。

开放模式：当开挖面的土体的稳定性良好时，土仓中的土体可以不经压力调节由螺旋输送机输送出去。在这种情况下，不用进行渣土改良。

（2）土体改良

对于在不同种类且高渗水性的土壤中（砂层、砾石等）中开挖时，需要进行土体改良（易于形成结块从而保持螺旋输送机内的水压）来保证土压平衡操作模式能够顺利进行。

在不同种类的地质状况下，使用泡沫、膨润土或聚合添加剂等作为土体改良的介质从而增加使用土压平衡盾构的可能性。

盾构机土压平衡掘进模式时的泡沫调节原理是基于气液两态的机械混合。水和发泡剂的混合是在后配套区间完成的。发泡剂装在可更换的罐中，发泡剂通过定量泵供给，水从工业用水管路获得，二者混合后再通过流量控制装置供给到相关管路。泡沫是在泡沫发生器内用空气对液体进行搅拌混合而获得的。空气和液体的剂量是通过PLC操作单元和流量计来计量的。是否进行调整主要是根据掘进速度、支持压力和所给的配方来决定。

泡沫发生系统有三种操作模式：手动、半自动和全自动。通过控制可控制球阀，盾构机操作手通过操作控制台元件向有关注入点将泡沫注入刀盘前端、土仓和螺旋输送机内。此外，泡沫管路系统也可用于选择提供水或者聚合物，泡沫注入试验如图1-8所示。

（3）控制

盾构机操作时所需的数据及其控制均在控制室里，盾构机的掘进速度、刀盘转速以及螺旋输送机的速度都可以在控制室里调节。隧道掘进方向的控制也在控制室中进行。

图1-8　泡沫注入试验现场

（4）管片拼装循环

在掘进过程中要安装的管片由管片运输机车运送过来，放置在管片输送小车上，管片如图1-9所示。随着盾构机的向前掘进，在已装好的前一环管片的外表面与围岩（刀盘开挖直径）之间形成间隙，因此该间隙要同步注入砂浆进行填充以防地面的沉陷。

图1-9　管片

在完成掘进循环后，一部分推进油缸回缩，为第一片管片留出足够的空间。其余推进油缸和已经装好的管片仍保持接触，以防止盾构机由于土压而后退。管片安装器抓起管片并将其放在应放的位置，在此位置它可以和上一管片用螺栓连接起来。

（5）注浆

砂浆在地面准备，通过带搅拌器的砂浆车输送到后配套系统上的砂浆搅拌罐中，砂浆车置于渣车前。砂浆转运泵安装在砂浆罐车上，砂浆转运泵将砂浆车里的砂浆输送到后配套拖车的砂浆罐中。一般来讲, 砂浆里有适量的阻凝剂以防止砂浆在注浆前凝固。

掘进期间，注浆泵吸取砂浆罐的砂浆并将其注入盾尾管片与隧道的间隙中。砂浆泵从掘进机上的砂浆罐向管片外环间隙注射砂浆，通过行程计和传感器控制，压力传感器连接到PLC以控制泵的速度，进而控制环间压力在预定的范围内。

（6）运渣

每套盾构机均需要配备渣车，每辆渣车都有9～11m³的容量。渣车均置于后配套中，以便从最后一台渣车开始装载渣土。