盾构隧道掘进机

盾构隧道掘进机

1 基本简介盾构隧道掘进机，简称盾构机。是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。

2 发展历程盾构机问世至今已有近180年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。近30年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换，对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究

解决，使盾构机有了很快的发展。盾构隧道掘进机据不完全统计，目前国外盾构机的主要制造厂有18家，集中在日本和欧美，如日本的三菱重工、川崎重工、小松制作所、日立造船、石川岛播磨重工，德国的海瑞克公司、维尔特公司，美国的罗宾斯公司，加拿大的罗法特公司等。各个厂家可以根据不同的地质条件和不同的工程对象，以及使用单位

的不同要求，设计、生产出不同直径、不同类型、以及有特殊要求的盾构机，以满足用户的需要，其工艺和设备先进。（一）日本三菱重工（MitsubishiHeavyIndustries,Ltd.）

日本三菱是一家具有100多年历史的企业集团，目前的经营范围除保持传统的造船业、汽车制造业和化工业外，还涉及金融领域，近些年来并涉足核能源、宇宙航天、生态环境和深海开发等尖端技术领域；其属下的直系企业有29家，三菱重工是其中的一家，为世界各地提供软、硬土盾构掘进设备的建设机械部是三菱重工旗下神户造船所的一个分支。

从1939年制造日本第一台手掘盾构机起，至2003年神户造船所就一共制造了1608台盾构机，其中包括土压平衡、泥水平衡、双圆、三圆、MMST等各种类型，数量和种类可谓世界第一，技术居国际之首。如开挖英法海峡交通隧道用的盾构机，其中就有两台是该公司制造的。曾向法国里昂地区提供直径为11m的土压平衡式盾构机，为上海延安东路第二条过江隧道工程生产泥水加压式盾构机，为东京湾海底隧道生产了直径14.14m的泥水加压式盾构机等。在这1608台盾构中，日本三菱创造了多个第一。除第一台日本手掘盾构外，1970年三菱制造了日本最早的泥水盾构，直径

7290mm；1986年制造了马蹄形机械挖掘盾构；1989年为英法海峡隧道提供了2台土压盾构；1991年制造了马蹄形的ECL盾构；1992年为法国里昂高速公路制造了直径为

10.96m的土压盾构；1993年制造了迄今最大的双圆盾构；1994年为日本东京湾隧道制造了3台当时最大的泥水盾构；1995年制造了三圆盾构；1996年，为满足共同沟施工需要，制造了7950mm×5420mm的矩形盾构；同年又完成了球形刀盘盾构。1997年三菱为川崎高速提供了MMST盾构；同年三菱又将泥土加压盾构的直径刷新为11.52m；1999年三菱生产了第一台子母盾构；2001年在大阪共同沟工程项目中，三菱制造了最大的MSD盾构，直径为8.07m，解决了盾构对接技术。（二）日本小松制作所（KomatsuLtd.）盾构隧道掘进机成立于1921年的日本小松制作所（株式会社）是跨行业领域的跨国集团公司，至今已有80年的历史。集团公司是由包括小松公司在内的142家公司(控、持股对象)组成。公司主要产品除了始终处于世界领先地位的建筑工程机械、产业机械以外，同时还涉足电子工程、环境保护、工程事业、土木工程、运输、流通机械、金属材料制造和销售，软件以及金融、服务业等高科技领域。其隧道工程机械包括盾构机、岩石掘进机和顶管机。（三）日本川崎重工（KawasakiHeavyIndustries,Ltd.）川崎重工创立于1896年10月15日，是从修船、造船发展起来的日本著名公司，在现代航海技术中处于领先的地位，此外还生产飞机和航空设备，机场登机系统、行李系统，铁路车辆，大型桥梁结构，供电、供热、天然气输送设备，环境工程设

施等，同时也是机器人生产的先锋厂家。在地下施工机械方面，已生产出1200多台软岩和硬岩挖掘机，如东京市神田川地下调蓄工程用的直径为13.94m的盾构机，东京湾海底隧道14.14m直径的盾构机，英法海峡隧道开挖用的盾构机，以及上海地铁隧道用的盾构机等。（四）德国海瑞克（HerrenknechtAG）1977年，马丁·海瑞克先生创办了海瑞克公司；1980年，在靠近法国和瑞士边境的德国南部施瓦诺（Schwanau）设立了办公室和生产车间。公司总部距离斯图加特机场、斯特拉斯堡机场（法国）以及巴塞尔机场（瑞士）都很近。今天，公司员工分布于世界各地，已超过1,400人。其中，公司总部有1,000人。公司的生产和组装面积已增长到59,900m2，拥有现代化的生产厂房和办公设施。作为隧道设备生产商，海瑞克公司的设备尺寸完全，能适应各种地质状况。因此，从设备覆盖范围方面来说，海瑞克公司是独一无二的：拥有直径从4,000mm到15,440mm用于公路、铁路、地铁及输水隧道施工的大直径机器到外径仅100mm的全自动微型隧道掘进机、房屋管件连接设备和水平定向钻设备，机器适用于从软质、含水非粘性地层到抗压强达到300MPa的硬岩的各种地质条件。尤其是在大直径隧道掘进机技术方面，海瑞克公司在长距离隧道和高工作压力施工上获得了丰富的经验：

在25年的隧道施工行业中，海瑞克公司一直是一些重大隧

道工程的TBM供应商。在荷兰西西尔德、瑞典哈兰德拉斯、马德里、巴塞罗那、易北河等隧道工程中大显身手。在中国参与并完成了香港、北京、天津、广州、深圳、南京、重庆等城市的地下隧道及越江隧道工程。至今，海瑞克公

司已向世界范围内的客户提供了超过1,200台的隧道掘进设备。截止到2005年8月，海瑞克公司已向中国供应了40

台直径大于6米的隧道掘进机，小型机7台。（五）美国罗宾斯公司（ROBBINS）美国罗宾斯公司是一家从

事地下挖掘设备的设计,制造,销售和租赁等业务的公司，专

门生产各种挖掘材料,包括提供与传统的“钻孔爆破”方法完全不同的在坚硬的岩层进行机械作业的方法。现今，岩

石掘进机械提供了一种比钻孔爆破法更值得的高效隧道挖

掘方法。钻孔爆破法需要按此分开程序操作:先钻出小孔,然

后装入炸药,爆破,通风,最后装岩出碴。反复如此进行作业。而岩石机械挖掘法是一个连续地从隧道表面“切开”岩石体的

过程，然后通过传送带机或坑道车直接把碴从隧道内运出来。罗宾斯公司的主要产品是全断面隧道掘进机(TBMs)。

TBMs被应用于开挖经过各种各样地质状况的圆剖面隧道,

从一般土壤到坚硬岩石层。罗宾斯已经生产出了隧道挖掘直径从1.6到12.87米的全断面隧道掘进机(TBMs)，机器重量从50公吨到1500公吨以上,总装机功率从300千瓦到3000千瓦以上。罗宾斯公司也设计和销售范围很广的其他

能使TBM得到高效率的运用的设备和服务。使用左边的菜单可以发现关于我们的小型掘进设备(SBUs),隧道出碴系统,支持系统,切削刀,零部件，人员和全部的隧道开挖技术。罗宾斯公司已经设计制造了超过250套全断面隧道掘进机(TBMs)。在本年底将有超过50罗宾斯TBMs机器投入使用。这足以证明罗宾斯的设备质量非常可靠。（六）加拿大罗浮特公司（LOVAT）加拿大罗法特公司成立于1972年，在传统的盾构机设计上处于世界领先地位。产品广泛应用服务于地铁、铁路、公路、暗渠、市政、电信等隧道建设，擅长于风化岩石、混合土质、软土、土压平衡式和泥水式盾构机的制造，开挖盾构直径从0.75米到17米。LOVAT盾构机具有高精技术和更可靠的施工安全性及质量特点。除此之外，LOVAT是唯一能提供从盾构机的全面设计、制造、检测和试验的公司。（七）德国维尔特Wirth法NFM

集团德国维尔特公司1895年建立，自1916年以来生产钻机和泵，1965年以来生产全断面隧道掘进机(TBMs)。大约90%的产品出口，产品行销超过60个国家和地区。NFM 技术公司是一家法国的实业公司，于2001年11月1日加入德国维尔特公司，专门开发和制造工业设备和特殊用途设备（比如，全断面隧道掘进机），处理和举升设备等高性能设备。盾构机尤其是土压平衡式和泥水式盾构机在日本，由于经济的快速发展及实际工程的需要发展很快。德国的盾

构机技术也有独到之处，尤其是在地下施工过程中，保证密封的前提以及高达0.3MPA气压的情况下更换刀盘上的刀具，从而提高盾构机的一次掘进长度。德国还独创了在密封条件下，直接从大直径刀盘内侧常压空间内更换被磨损的刀具技术。 3 工作原理盾构机的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。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。 4 基本分类盾构机

根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构（局部气压、全局气压），机械式盾构（开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构）。泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。土压平衡式盾构机是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。根据盾构机不

同的分类，盾构开挖方法可分为：敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体开挖与运输。 4.1 敞开式手掘式及半机械式盾构均为半敞开式开挖，这种方法适于地地质条件较好，开挖面在掘进中能维持稳定或在有辅助措施是能维持稳定的情况，其开挖一般是从顶部开始逐层向下挖掘。若土层较差，还可借用千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑。采用敞开式开挖，处理孤立障碍物、纠偏、超挖均为其它方式容易。为尽量减少对地层的扰动，要适当控制超挖量与暴露时间。4.2 机械切削式指与盾构直径相仿的全断面旋转切削刀盘开挖方式。根据地质条件的好坏，大刀盘可分为刀架间无封板及有封板两种。刀架间无封板适用于土质较好的条件。大刀盘开挖方式，在弯道施工或纠偏是不如敞开式开挖便于超挖。此外，清除障碍物也不如敞开式开挖。使用大刀盘的盾构，机械构造复杂，消耗动力较大。目前国内外较先进的泥水加压盾构、土压平衡盾构，均采用这种开挖方式。

4.3 网格式采用网格式开挖，开挖面由网格梁与格板分成许多格子。开挖面的支撑作用是由土的粘聚力和网格厚度范围内的阻力而产生的。当盾构推进是，土体就从格子里挤出来。根据土的性质，调节网格的开孔面积。采用网格式开挖时，在所有千斤顶缩回后，会产生较大的盾构后退现象，

导致地表沉降，因此，在施工务必采取有效措施，防止盾构后退。 4.4 挤压式全挤压式和局部挤压式开挖，由于不出土或只部分出土，对地层有较大的扰动，在施工轴线时，应尽量避开地面建筑物。局部挤压时施工时，要精心控制出土量，以减少和控制地表变形。全挤压式施工时，盾构把四周一定范围内的土体挤密实。 5 其他信息

TBM（Tunnel Boring Machine）隧道掘进机，别名：全断面隧道掘进机。笼统的来说，盾构机与TBM都是一样的，都是隧道全断面掘进。但在造词之初，它们是不一样的，严格来说，它们之间存在以下不同点： 1.适用的工程不一样，TBM适用于硬岩掘进的隧道掘进机，盾构机指的是适于在软岩、土中的隧道掘进机。 2.两者的掘进，平衡，支护系统都不一样。 3.TBM比盾构技术更先进，更复杂。4.工作的环境也不一样，TBM是硬岩掘进机，一般用在山岭隧道或大型引水工程，盾构是软土类掘进机，主要是城市地铁，及小型管道。但是以上说法有些言不符实，因为现在随着技术的不断进步，许多硬岩TBM也采用盾构技术，而TBM本来就是隧道掘进机的意思。这就是学术的发展造成了现实中称法的混乱。由此，学术界又提出了采用“硬岩TBM”和“软岩TBM”两种称呼来规范的办法。硬岩TBM适用于山岭隧道硬岩掘进，代替传统的钻爆法，在相同的条件下，其掘进速度约为常规钻爆法的4～10倍，最佳日

进尺可达150m；具有快速、优质、安全、经济、有利于环境保护和劳动力保护等优点。特别是高效快速可使工程提前完工，提前创造价值，对我国的现代化建设有很重要的意义。软岩TBM适用于软弱性围岩施工的隧道掘进机，是目前城市地铁建设中速度快、质量好、安全性能高的先进技术。采用盾构机施工的区间隧道，可以做到对土体弱扰动，不影响地面建筑物和交通，减少地上、地下的大量拆迁。这两种设备的技术开发与应用，在我国地下工程领域具有十分广阔的前景。