泥水平衡盾構簡介

陳橋

盾構及掘進技術國家重點實驗室

2017年3月盾構及掘進技術國家重點實驗室泥水平衡盾構簡介 陳橋1盾構及掘進技術國家重點實驗室2

匯報提綱一

泥水平衡盾構概述二

泥水平衡盾構組成

三

泥水平衡盾構地質適應性范圍

四

泥水平衡盾構應用案例盾構及掘進技術國家重點實驗室2 匯報提綱2盾構及掘進技術國家重點實驗室3一

泥水平衡盾構簡介盾構及掘進技術國家重點實驗室3一泥水平衡盾構簡介3盾構及掘進技術國家重點實驗室１．概念

泥水平衡盾構機（Slurry

Pressure

Balance

Shield，簡稱SPB盾構），

是一種通過控制泥水倉壓力來平衡掌子面水土壓力的盾構機。泥水盾構

是在機械式盾構的前部設置隔板，裝備刀盤及輸送泥漿的送排泥管和推

進油缸，在地面上還配備有泥水處理設備。4盾構及掘進技術國家重點實驗室１．概念44盾構及掘進技術國家重點實驗室２．分類

按照控制開挖面泥漿方式的不同，泥水盾構可分為兩種：一種是日

本體系的直接控制型；另一種是德國體系的間接控制型（氣壓復合控制

型）。5刀盤進泥管

排泥管連通管

泥漿壓縮空氣泥模形

成區

地層間接控制型直接控制型盾構及掘進技術國家重點實驗室２．分類5刀盤進泥管排泥5盾構及掘進技術國家重點實驗室1）直接控制型泥水盾構的特點

直接控制型泥水系統流程如下：送泥泵從地面泥漿池將新鮮泥漿送入

盾構的泥水倉，與開挖泥土進行混合，形成稠泥漿，然后由排泥泵輸

送到地面泥水分離處理站，經分離后排除土碴，而稀泥漿流向泥漿池，

再對泥漿密度和濃度進行調整后，重新送入盾構的泥水倉循環使用。

泥水倉中泥漿壓力，可通過調節送泥泵轉速或調節控制閥的開度來進

行。由于送泥泵安在地面，控制距離長而產生延遲效應不便于控制泥

漿壓力，因此常用調節控制閥的開度來進行泥漿壓力調節。6盾構及掘進技術國家重點實驗室1）直接控制型泥水盾構的特點66盾構及掘進技術國家重點實驗室2）間接控制型泥水盾構的特點

間接控制型泥水盾構，其泥水系統由泥漿和空氣雙重回路組成。在盾構的泥水倉內插裝一道半隔板，在半隔板前充以壓力泥漿，在半隔板后面盾構軸心線以上部分充以壓縮空氣，形成空氣緩沖層，氣壓作用在半隔板后面與泥漿的接觸面上，由于接觸面上氣、液具有相同壓力，因此只要調節空氣壓力，就可以確定和保持在開挖面上相應的泥漿支護壓力。7泥水倉氣墊倉盾構及掘進技術國家重點實驗室2）間接控制型泥水盾構的特點力。7盾構及掘進技術國家重點實驗室83）比較

間接控制型泥水盾構與直接控制型泥水盾構相比，泥水壓力的波動小，對開挖面土層支護更為穩定，對地表變形控制也更為有利。

直接控制型泥水盾構開挖

倉內的泥水壓力波動較大，

一般在0.05~0.1MPa之間變

化間接控制型泥水盾構控制精度高，開挖倉內的泥水壓力波動小，一般在0.01~0.02MPa之間變化。掌子面壓力的變化被迅速、準確的平衡，降低了對地層的擾動。盾構及掘進技術國家重點實驗室83）比較間接控制型泥水盾構控制8３．泥水平衡原理

泥水穩定掌子面的方法源于地下連續墻的泥漿護壁原理，其基本原

理是通過在支撐環前面隔板的密封艙中，注入適當壓力的泥漿，在開挖

面形成泥膜，支撐正面土體，并由安裝在正面的刀盤切削土體表面泥膜，

與泥水混合后，形成高密度泥漿。9

當泥水壓力大于地下水壓力時，泥水按照達西定律滲入土體，形成

與土壤間隙成一定比例的懸浮顆粒，這些顆粒被捕獲并積聚于土體與泥

水的接觸區，逐漸形成泥膜。當泥膜抵抗力遠大于正面地層壓力時，產

生泥水平衡效果。盾構及掘進技術國家重點實驗室３．泥水平衡原理9 當泥水壓力大于地下水壓力時，泥水按照達9盾構及掘進技術國家重點實驗室10泥膜的類型無泥

膜泥皮泥膜滲透泥膜泥水幾乎不滲透，只形成泥膜泥水全部滲透，不產生泥膜介于前二者之間，即滲透又形成泥膜盾構及掘進技術國家重點實驗室10泥膜的類型無泥泥皮泥膜滲透泥10盾構及掘進技術國家重點實驗室11

類型1：泥皮泥膜，泥皮泥膜的建膜速度慢，密封性好，對泥漿指標變化的敏感度高，泥漿濾失量小，一般用于開挖面的靜態支護。缺點是失水易開裂和剝落。易形成在滲透系數小的黏性土層；

類型2：滲透泥膜，滲透泥膜的建膜速度快，對泥漿指標變化的敏感度低，適用于盾構掘進中開挖面的動態支護，缺點是泥漿濾量大。易形成在砂質土層中。

對于滲透系數大的砂礫層，泥膜形成的快慢與摻入泥水中砂粒的最大粒徑和含砂量（砂粒重/黏土顆粒重）關系密切，為發揮砂粒填堵土體空隙的作用，砂粒的粒徑應該比土體孔隙大且其含量應適中。盾構及掘進技術國家重點實驗室11 類型1：泥皮泥膜，泥皮泥膜11盾構及掘進技術國家重點實驗室12二

泥水平衡盾構組成盾構及掘進技術國家重點實驗室12二泥水平衡盾構組成12排漿管盾構及掘進技術國家重點實驗室13破碎機１．盾構主機簡介

切口環

氣墊倉

刀盤支承環進漿管

推進油缸

管片拼裝機盾尾主驅動

泥水倉排漿管盾構及掘進技術國家重點實驗室13破碎機１．盾構主機簡介13盾構及掘進技術國家重點實驗室２．刀盤系統

刀盤是泥水盾構的主要工作部件，為各種盾構刀具提供安裝位置，

根據工程實際需求，可分為常規泥水盾構刀盤和帶常壓換刀裝置的刀盤。

前者厚度跟同尺寸的土壓平衡盾構的刀盤厚度相當，后者厚度一般接近

2m或以上。14盾構及掘進技術國家重點實驗室２．刀盤系統1414盾構及掘進技術國家重點實驗室15盾構及掘進技術國家重點實驗室1515盾構及掘進技術國家重點實驗室16

刀盤的設計要求

(1)

能夠降低對刀具的磨損；

(2)

保護刀盤的鋼結構，刀盤的結構材料為Q345B

、16MnR、

GS52或相當于這種材料的鑄鋼；

(3)

能夠實現高的貫入度；

(4)

選擇降低刀具的磨損及維持掌子面穩定的最優刀盤開口率；

(5)

幅輪設計以使每個旋轉方向都有多個碴土出口；

(6)

2

個旋轉方向(正/反)；

(7)

刀盤前面有獨立的噴口用于防止刀盤結泥餅；

(8)

連接到主驅動的連接臂（厚壁管）保證刀盤良好的穩定性；

(9)

出碴通道的幾何設計必須滿足開挖倉容易出碴；

(10)

大的物料通道從刀盤外緣通到刀盤中心區域，這樣便于將挖掘的物料運輸到開挖倉；

(11)

碴土開口設計限制大的石塊進入，能通過的石塊復合泥水倉格柵和顎式破碎機的粒徑限制。盾構及掘進技術國家重點實驗室16刀盤的設計要求16盾構及掘進技術國家重點實驗室17

安裝的刀具

（1）刮刀

①刮刀安裝在碴土通道的一側；

②高質量的碳質刀刃；

③寬度

100mm左右；

④可以從刀盤后面更換刀具。（2）鏟刀

：

①鏟刀的設計保證了快速、清潔的開挖；

②它們可以雙向進行開挖，同時保證了開挖直徑的穩定不變。

③鏟刀用可更換的螺紋固定到鋼結構上，因此，可以被單獨更換。盾構及掘進技術國家重點實驗室17 安裝的刀具17盾構及掘進技術國家重點實驗室18

（3）仿形刀

刀盤上安裝了仿形刀。安裝的仿形刀通過一個短行程的油缸進行操作。仿形刀的伸縮則在主控室內按每10°事先加以設置控制。

盾構具有仿形超挖功能是目前盾構中較為先進的一種，其仿形超挖方位、超挖量可根據不同的施工要求而調整。盾構及掘進技術國家重點實驗室18 （3）仿形刀18盾構及掘進技術國家重點實驗室19

（4）滾刀

滾刀為盾構機主要的破巖工具，其數量根據刀盤尺寸大小和設計的刀間距來確定，其形式有單刃、雙刃、三刃、鑲齒滾刀等。盾構及掘進技術國家重點實驗室19 （4）滾刀19盾構及掘進技術國家重點實驗室20

刀具更換

所有的滾刀、刮刀和鏟刀都可以在隧道內從刀盤后部更換。一般不需要中途換刀。如有必要，刀具更換作業可以在常壓和帶壓方式下進行。

（1）常壓更換

①開倉常壓更換：地面具備地層加固條件或事先已經進行了地層加固處理，開挖面的穩定有保障，則可在常壓下進行刀具檢查和更換作業。盾構在選定地點停機后，將泥水倉里的泥漿排出一部分，直至泥水倉內泥漿液面高度低于泥水倉隔板上的密封門，此時作業人員可以通過氣閘打開通往泥水倉的密封門在不帶壓的情況下進入泥水倉，從而進行刀具檢查和更換。地層加固停機、排出

泥漿進倉進行刀具檢修更換盾構及掘進技術國家重點實驗室20刀具更換地層加固停機、2021②利用常壓換刀裝置可常壓更換的切刀

安裝了常壓換

刀裝置的刀盤

常用于水下大直徑、長距離盾構隧道，如上海長江隧道，南京長江隧道，

揚州瘦西湖隧道，佛莞城際鐵路新獅子洋隧道等盾構及掘進技術國家重點實驗室21②利用常壓換刀裝置可常壓更換的切刀 安裝了常壓換21盾構及掘進技術國家重點實驗室22

（2）帶壓進倉更換

①普通帶壓進倉

盾構推進到選定地點停機，設定泥水倉內的壓力，用壓縮空氣置換泥水倉內的部分泥漿，使液位降到隔板密封倉門以下，與此同時人員進入人倉，對人倉逐步加壓，直至與泥水倉壓力一致。之后，作業人員進入泥水倉進行刀具檢修更換作業。作業完成后，人員在人倉內減壓，減壓結束后退出人倉。

缺點：作業效率低，作業人員有安全風險

②飽和氣體帶壓進倉

基本作業流程與普通帶壓進倉類似，不同之處是作業人員呼吸的是混合氣體（如氦氧混合氣體），而不是空氣，避免高壓情況下呼吸普通空氣引起的“氮麻醉”現象，體內溶解的氣體達到飽和狀態后，作業人員可以一直生活在人造高壓環境中，直至工作完成，再減壓即可，避免普通帶壓進艙壓力反復加減壓，避免了患減壓病的風險，也提高了作業效率。盾構及掘進技術國家重點實驗室22 （2）帶壓進倉更換22作業人員轉運至人艙

23作業人員進入轉運艙飽和氣體帶壓進艙作業流程

作業人員在生活艙加壓完成

后，進入轉運艙

作業人員通過轉運艙進

入生活艙休息

整個作業循環中，人員均處于高壓環境，待完成帶壓

進艙作業后，人員一次減壓出艙

作業人員完成作業后進

入人艙，等待轉運

作業人員進入高壓區作

業盾構及掘進技術國家重點實驗室進入人員艙等待轉運作業人員作業人員飽和氣體帶壓進艙作業流程 作業人員在生活艙23盾構及掘進技術國家重點實驗室３．刀盤主驅動系統

（1）概述

主要部件如下：齒輪箱、主軸承、密封支撐、刀盤安裝法蘭環、密

封壓緊環、內外密封系統、小齒輪，驅動部件（電機或馬達）和主軸承。

為給換刀作業留下空間，主驅動可設計為具有伸縮性24驅動電機液壓馬達盾構及掘進技術國家重點實驗室３．刀盤主驅動系統24驅動電機液24盾構及掘進技術國家重點實驗室25可伸縮式主驅動結構可伸縮的距離盾構及掘進技術國家重點實驗室25可伸縮式主驅動結構可伸縮的距25盾構及掘進技術國家重點實驗室26

（2）主軸承

主軸承由三軸滾柱軸承支撐，帶有內齒圈。軸承設計使用壽命10000小時，該軸承具有承受徑向和軸向推力的功能。盾構及掘進技術國家重點實驗室26 （2）主軸承26盾構及掘進技術國家重點實驗室27內密封

（3）主軸承密封系統

內外兩個密封系統可將小齒輪或軸承室與泥水倉分隔開。密封系統使用一個多道唇密封系統，該系統有連續的油脂進行潤滑。P0注入HBW油脂，P1注入EP2油脂，P2注入潤滑油，P3進行泄漏檢測，P4注入齒輪油

外密封盾構及掘進技術國家重點實驗室27內密封 （3）主軸承密封系統27盾構及掘進技術國家重點實驗室４．破碎及沖刷裝置

腭式破碎機安裝在泥水倉底部的排泥管前部，對較大的礫石進行破

碎；液壓鄂式破碎機由重型油缸驅動破碎腭，破碎器的破碎齒可更換，

并且可實現自動潤滑。

在破碎機的出料口安裝有150mm間隔的隔柵，以確保不會有大直徑

石塊進入排泥管道。為避免堵管，在破碎機的出料口旁邊安裝2路泥水沖

洗管。28盾構及掘進技術國家重點實驗室４．破碎及沖刷裝置2828盾構及掘進技術國家重點實驗室29格柵排漿管沖涮管閘門被刀盤切削下的石塊沉到泥水倉底部，經過破碎機破碎，通過格柵后才能被排漿管帶走為防止渣土在排漿管出堆積，引起滯排，利用沖刷管對排漿管口不斷沖刷，對渣土進行攪拌，以便于排出

顎式破碎機盾構及掘進技術國家重點實驗室29格柵排漿管沖涮管閘門被刀盤切29盾構及掘進技術國家重點實驗室５．鉸接裝置密封

對于小直徑泥水盾構，為滿足工程最小半徑掘進的需求，在中盾和

盾尾之間采用短行程油缸鉸接，以提高盾構掘進的靈活性；對于超大直

徑泥水盾構，其刀盤直徑與主機長度相當，則無需采用鉸接。30盾構及掘進技術國家重點實驗室５．鉸接裝置密封3030盾構及掘進技術國家重點實驗室６．推進系統

盾構機的前進由推進系統油缸完成，每一組油缸均可獨立控制壓力

進行操縱而不會引起管片移位或產生引起損壞的壓力過載。在控制室里，

司機可以看到數字顯示的每組油缸行程及壓力，油缸的布置要能避開管

片接縫。31盾構及掘進技術國家重點實驗室６．推進系統3131盾構及掘進技術國家重點實驗室32

油缸缸體尾部由一個塑膠軸承支撐，這樣，這些油缸就可以不受側向力的作用從管片向壓力倉板自由伸展。推進油缸為兩個一組，每對油缸均有獨立的撐靴，油缸撐靴均為球形絞接式。在推進時，每組油缸各自獨立進行壓力調節。總的推進速度由一個總流量控制閥來調節。推進系統具有糾偏和爬坡功能。

采用分組聯合控制技術，既保證所有液壓缸具有協調性和同步性，又可以降低控制成本和系統的復雜程度，實現對每個液壓缸的單獨控制及對所有液壓缸的同時控制。盾構及掘進技術國家重點實驗室32 油缸缸體尾部由一個塑膠軸承32盾構及掘進技術國家重點實驗室７．管片拼裝機

管片拼裝機具有6個自由度，回轉速度0~2rpm，并可實現微調。所

有動作可遙控，便于與拼裝機配合操作。33盾構及掘進技術國家重點實驗室７．管片拼裝機3333盾構及掘進技術國家重點實驗室34真空吸盤式，一般在大直徑盾構上使用，螺栓與卡扣組合的抓取方式一般用在中型直徑盾構上，地鐵盾構比較常見。盾構及掘進技術國家重點實驗室34真空吸盤式，一般在大直徑盾構34盾構及掘進技術國家重點實驗室35管片的安裝盾構及掘進技術國家重點實驗室35管片的安裝35盾構及掘進技術國家重點實驗室８．盾尾密封系統

盾尾密封是為了防止周圍地層的土砂、地下水及背后的填充漿液、

掘削面上的泥水、泥土從盾尾間隙流向盾構機內部而設置的密封措施。

盾尾密封由盾尾鋼絲密封刷和盾尾油脂組成，盾尾的道數根據隧道埋深、

水位高低來定，一般取3～5道。由于鋼絲為優質彈簧鋼絲，鋼絲束內充

滿了油脂，使其成為一個即有塑性又有彈性的整體，油脂保護鋼絲免于

生銹損壞。36盾構及掘進技術國家重點實驗室８．盾尾密封系統3636盾構及掘進技術國家重點實驗室37

盾尾密封系統由主司機在主控制室操作，有自動（行程控制模式）和手動兩種模式。盾構及掘進技術國家重點實驗室37 盾尾密封系統由主司機在主控37盾構及掘進技術國家重點實驗室９．泥水輸送系統

（1）概述

基本功能：

一是穩定掌子面，掌子面的穩定性靠膨潤土泥漿對掌子面的壓力以

及靠膨潤土泥漿的流變特性來確保。

二是通過排泥泵將開挖碴料從泥水倉通過排泥管輸送到分離站。送

泥泵將調制好的泥水通過送泥管輸送到泥水倉；而排泥泵則將攜帶碴土

的泥水排出，通過排泥管輸送到地面的泥水處理設備進行分離。根據區

間長度及排漿泵的能力計算，來確定中繼泵數量。38盾構及掘進技術國家重點實驗室９．泥水輸送系統3838盾構及掘進技術國家重點實驗室39

泥水循環系統由送泥泵、排泥泵、中繼泵、送排泥管、延伸管線、輔助設備等組成。盾構及掘進技術國家重點實驗室39 泥水循環系統由送泥泵、排泥39盾構及掘進技術國家重點實驗室40HMT6,6

5FDPPPPPPPP

（2）工作模式

①開挖模式

根據氣墊室里泥漿的高程以及所要求的排碴流量，調整P1.1泵（送泥泵）的轉速用以校正泥水平衡倉的液面高程達到所要求的值。調整P2.1和P2.2泵（排泥泵、中繼泵）的轉速，用以校正排碴流量達到所要求的排碴量。P3泵的轉速必須能確保排碴的流體能被泵送到地面的分離廠。調整P3泵的轉速以便在泥漿分離廠入口處達到必要的壓力。

Vers

usine

de

traitement

de

boue

To

slurry

treatment

plantDepuis

l'usine

de

production

de

boueFrom

the

bentonite

plantLFMP.3MMPFDMMP

P.2.i

PP.1.1P

P.2.1

PP

P.1.i

PV01V03V02V04V05V06V07V09V11V12V08V10V13V17V15V16V14V20V19V18V21V24V23V22盾構及掘進技術國家重點實驗室40HMT6,6FDPPPPPP40盾構及掘進技術國家重點實驗室41

②旁通模式

旁通模式是用于盾構從一種功能切換到另一種功能，特別是用于安裝管片時的情況。盾構及掘進技術國家重點實驗室41 ②旁通模式41盾構及掘進技術國家重點實驗室42

③隔離模式

隔離模式使隧道里的泥漿管道系統與地面系統處于完全隔離的狀態，設在地面的分離廠和調漿池之間的回路仍保持連通，這種模式常用于隧道泥漿管道延伸時的情況。各排泥泵停止運轉，送泥泵P1.1仍保持運行。盾構及掘進技術國家重點實驗室42 ③隔離模式42盾構及掘進技術國家重點實驗室43

④逆行模式

也稱為反循環模式，這個模式使開挖室里的泥漿逆向流動。僅用于一些特別的情況，特別是用于清理排碴管道的堵塞。盾構及掘進技術國家重點實驗室43 ④逆行模式43盾構及掘進技術國家重點實驗室44

⑤停機模式

在停機模式下，所有送排泥泵都停止運轉，掌子面壓力由壓縮空氣回路來控制。當氣墊室泥漿的液面高程低于預定的低限時，便進行自動校正。盾構及掘進技術國家重點實驗室44 ⑤停機模式44盾構及掘進技術國家重點實驗室45（3）泥漿管路延伸盾構及掘進技術國家重點實驗室45（3）泥漿管路延伸45盾構及掘進技術國家重點實驗室46

（4）泥水輸送系統的管理

泥水倉中的液面高度由送泥泵P1.1（P1.2）來控制。膨潤土泥漿通過地面上的可變速離心泵P1.1（P1.2）從調漿池泵送到送泥管，對送泥量進行調節使氣墊室里的泥漿能保持恒定的液面高度。

進入泥水平衡倉的泥漿在盾構內分成5路，其中上下各2路，回轉接頭1路。

排泥回路由一臺安裝在后配套拖車上的可變速離心泵P2.1和一臺設置在取水井底部的可變速接力泵P3（線路長時依次加入P2.2和P2.3）組成。

流體的密度和流量可以分別使用安裝在每條管線上的γ密度儀及電磁流量儀來測量，送排泥泵采用變頻控制，通過PLC系統調節PID裝置。

軟件通過PLC裝置自動地控制泥水循環回路，控制和監控泥水回路的全部數據。如泥水平衡倉的液面高度、泥漿回路壓力、排泥泵的空蝕壓力、泥漿密度等。盾構及掘進技術國家重點實驗室46 （4）泥水輸送系統的管理46盾構及掘進技術國家重點實驗室47泥水循環控制系統操作界面盾構及掘進技術國家重點實驗室47泥水循環控制系統操作界面47盾構及掘進技術國家重點實驗室48

（5）掌子面加壓系統的管理

掌子面加壓系統通過泥水循環系統的調節裝置（特別是送泥系統）及安裝在前盾頂部的壓縮空氣回路對開挖面的泥水壓力進行綜合管理。壓縮空氣墊能夠調節泥漿的液面高度，即使在發生漏水或涌水的情況，它起著一個吸振器的作用并最終消除壓力峰值，減小泥水壓力的波動。

掌子面加壓系統由控制裝置監測，對設定壓力值與開挖室內泥漿壓力值進行比較，自動控制進入氣墊室的壓縮空氣，確保掌子面的泥水壓力穩定。盾構及掘進技術國家重點實驗室48 （5）掌子面加壓系統的管理48開挖盾構及掘進技術國家重點實驗室49

當盾構掌子面水土壓力增加時，氣墊倉內泥水液位升高，氣體被壓縮而壓力增加，排氣閥打開，降低氣墊倉內的壓力，當壓力達到設定值后，排氣閥關閉；

當盾構掌子面水土壓力減小時，氣墊倉泥水液位降低，倉內氣體體積增加，壓力降低，進氣閥打開，升高氣墊倉內的壓力，當氣體壓力達到設定氣壓值時，進氣閥關閉。

Pc-+出氣口注漿排渣P進氣口開挖盾構及掘進技術國家重點實驗室49 當盾構掌子面水土壓力增49盾構及掘進技術國家重點實驗室50

（6）泥水分離系統

盾構機掘進時由泥漿管路泵送出來的泥漿，被送到一個泥水分離站進行分離，泥水分離站，首先通過一級初篩，分離大部分的固體石頭和泥塊，第一級分離后，大部分在3mm以上的石塊土塊被分離出去。盾構及掘進技術國家重點實驗室50 （6）泥水分離系統50盾構及掘進技術國家重點實驗室51

分離的泥漿流到一個集漿槽中，再由一個泥漿泵抽送到二級漩流器進行分離，二級分離的精度在70μm。盾構及掘進技術國家重點實驗室51 分離的泥漿流到一個集漿槽中51盾構及掘進技術國家重點實驗室52

二級分離后，泥漿再次被抽到三級漩流器進行分離，三級漩流器分離精度達到20μm，三級分離后，泥漿流回制漿池，制漿后又通過泥漿泵流回到刀盤掌子面進行置換。盾構及掘進技術國家重點實驗室52 二級分離后，泥漿再次被抽到52盾構及掘進技術國家重點實驗室１０．電氣系統

盾構電氣系統主要由供配電系統（高壓供電，低壓配電）、PLC自

動控制系統、盾構數據采集系統和電氣輔助系統組成。

（1）高低壓配電系統：

盾構通常采用高壓10KV供電。通過10KV～380V干式或箱式變壓器

供低壓供電系統使用，低壓供電系統在前盾、盾體、拖車上都安裝有配

電柜來供主驅動、推進油缸、液壓泵站、注漿、管片安裝機、泥漿輸送

等各個系統供電。53盾構及掘進技術國家重點實驗室１０．電氣系統5353盾構及掘進技術國家重點實驗室54

（2）PLC自動控制系統

盾構控制系統采用主從、上下位機和分布式I/O結構。上位機為PC（個人計算機）和墻面式工控機組成的基于現場總線的計算機局域網絡，下位機是以PLC為主站的可編程控制器系統。計算機控制系統主要用于參數設置和數據采集分析。工控機安裝在盾構司機室，由現場操作人員使用，用于人機對話、顯示數據、設置和修改系統控制參數等。上位機下位機盾構及掘進技術國家重點實驗室54 （2）PLC自動控制系統上54盾構及掘進技術國家重點實驗室55

（3）數據采集系統

數據采集系統主要是讀取和存儲有監測傳感器所獲得的檢測值。根據已記錄的監測數據（如泥水壓力、氣壓、流量、行程、轉速等），通過對機器和機器上進行的工作過程進行完整的記錄，以便在以后的某個時點可以完整或部分地追溯隧道施工。

數據采集系統與盾構機的控制系統進行集成，存儲于控制系統的上位機，盾構機司機室是整臺設備的數據流轉中心。通過數據采集系統，可以實現盾構狀態的實時信息化管理，利用互聯網，可以將盾構掘進狀態數據傳輸至業主、監理、設計等相關單位，為整個工程的信息化管理提供重要的信息來源。盾構及掘進技術國家重點實驗室55 （3）數據采集系統55盾構及掘進技術國家重點實驗室56盾構施工遠程信息化管理系統盾構及掘進技術國家重點實驗室56盾構施工遠程信息化管理系統56盾構及掘進技術國家重點實驗室１２．輔助系統

1）同步注漿系統

同步注漿與盾構掘進是同時進行，是通過同步注漿系統及盾尾的注

漿管，在盾構向前推進盾尾空隙形成時進行，漿液在盾尾空隙形成的瞬

間及時將其填充，使周圍的巖體及時獲得支撐，可防止巖體坍塌，控制

地表沉降，有利于隧道襯砌的防水。

同步注漿系統包括砂漿罐、注漿泵、管道、壓力傳感器等設備。57盾構及掘進技術國家重點實驗室１２．輔助系統5757盾構及掘進技術國家重點實驗室58

2）隧道導向系統

全自動激光導向系統使盾構掘進方向能有效控制并能及時調整，保證隧道線形及最后貫通誤差要求。該系統能夠對盾構在掘進中的各種姿態、以及盾構掘進的方向和位置關系進行精確的測量和顯示。操作人員可以根據導向系統提供的信息，快速、實時地對盾構的掘進方向及姿態進行調整，減小掘進偏差。導向系統連續不斷地提供盾構的三維坐標和定向的、連續的動態信息，導向系統附帶的通信裝置能夠接收數據，由隧道掘進軟件計算盾構的方位和坐標，并以圖表和數字表格的形式準確的顯示盾構的位置。

盾構機的激光導向系統主要有全站儀、激光靶板、后視棱鏡、計算機及隧道掘進軟件組成，所測量的數據傳入盾構機主控室，由計算機及隧道掘進軟件計算分析，確定盾構機的方位。盾構及掘進技術國家重點實驗室58 2）隧道導向系統58盾構及掘進技術國家重點實驗室59盾構及掘進技術國家重點實驗室5959盾構及掘進技術國家重點實驗室60

3）人閘倉

雙室人閘倉與盾體上的連接法蘭相連。這些人閘倉的形狀與尺寸取決于盾構機安裝條件。雙室人閘倉的中間被一個供人進出的壓力門隔開。右邊的人倉用作進出泥水倉的正常通道，左邊的人倉可用于材料閘或在緊急情況下使用。人閘能同時容納

3+2

個人及一副1.8

米長的擔架。盾構及掘進技術國家重點實驗室60 3）人閘倉60盾構及掘進技術國家重點實驗室１３．后配套系統

后配套系統主要由以下構成：

①運送管片的橋架；

②吊運系統（管片存儲）；

③裝載盾構機工作必需的電氣及液壓元件的拖車。

所有設備都安裝在拖車行進方向左右兩側。這使得拖車中間有足夠

的空間讓

運輸車行走，把管片輸送到安裝器。后配套系統為管片吊運、

液壓泵站、電力系統、同步注漿系統、泥水環流系統的安裝提供了平臺。61盾構及掘進技術國家重點實驗室１３．后配套系統6161盾構及掘進技術國家重點實驗室62盾構及掘進技術國家重點實驗室6262盾構及掘進技術國家重點實驗室63

2）管片吊運

通過拖車上的吊機梁，利用管片吊機的兩個電動葫蘆將管片逐一卸到管片輸送小車（喂片機）上。管片儲存在連接橋區域和喂片機上，喂片機安裝在連接橋區域下，用于將管片運輸到管片拼裝機區域。

吊機布置形式為雙梁式，行走形式為鏈輪鏈條式，能夠滿足運行坡度50‰以及更大坡度的需求。起吊葫蘆有快速和慢速兩個選擇檔位，用于空載和重載兩種工況；行走部分包括運行小車和驅動部分，運行速度約10m/min。盾構及掘進技術國家重點實驗室63 2）管片吊運63盾構及掘進技術國家重點實驗室64管片的運輸盾構及掘進技術國家重點實驗室64管片的運輸64盾構及掘進技術國家重點實驗室65

3）拖車上的其他裝置

（1）液壓泵站

為推進系統、管片拼裝機等需要液壓驅動的部件、設備提供動力來源。盾構及掘進技術國家重點實驗室65 3）拖車上的其他裝置65盾構及掘進技術國家重點實驗室66（2）刀盤主驅動油脂泵為主驅動提供密封、潤滑油脂。盾構及掘進技術國家重點實驗室66（2）刀盤主驅動油脂泵66盾構及掘進技術國家重點實驗室67（3）冷卻通風系統為盾構機上的設備提供冷卻用水，保持隧道內的通風狀態。盾構及掘進技術國家重點實驗室67（3）冷卻通風系統67盾構及掘進技術國家重點實驗室68三

泥水平衡盾構地質適應性范圍盾構及掘進技術國家重點實驗室68三泥水平衡盾構地質適應性68盾構及掘進技術國家重點實驗室

泥水加壓盾構最初是在沖積粘土和洪積砂土交錯出現的特殊地層中使

用，由于泥水對穩定開挖面的作用明顯，因此在軟弱的淤泥質土層、

松動的砂土層、砂礫層、卵石、砂礫層、砂礫和堅硬土的互層等地層

中均適用。

目前泥水加壓盾構工法對地層的適用范圍不斷擴大，即使處于惡化的施工環境和存在地下水等的不良條件下，由于有相應的處理方法，因而幾乎能適應所有的地層69盾構及掘進技術國家重點實驗室泥水加壓盾構最初是在沖積粘69盾構及掘進技術國家重點實驗室70

粘性土層

粘土礦物經相互間電化學結合而形成的粘性土層，近似變質了的膠塊狀體，由泥水比重和加壓帶來的力容易形成對開挖面的穩定，不論粘性土層的軟弱狀態如何，都適合于用泥水盾構施工。泥水盾構也適用于粉砂土地層施工

。

砂層

不含水的砂層由于漏漿，不能保持住對開挖面的加壓和穩定。通常，在含有某一數量的粉砂土、粘土的沖積層中，幾乎都有一定的含水量，全部都是細砂的地層是少見的，干燥的松弛砂也很少有，由于砂層內摩擦角有許多是在φ=28°左右，所以大部分可用泥水加壓來保持開挖面的穩定。松弛的含水層，在其它盾構工法中很難保持土層穩定，可采用泥水盾構并提高其泥水比重量多的砂、粘度和壓力。盾構及掘進技術國家重點實驗室70 粘性土層70盾構及掘進技術國家重點實驗室71

礫石層

對于水分多、不含有作為粘合劑的粉砂土及粘土等的礫石層和有大直徑的礫石層，可采用泥水盾構施工，并在泥水艙內安裝礫石破碎裝置。

貝殼層

貝殼層大多含水并存在土體中，相對于礫石層更加堅硬，開挖面較難穩定，但使用大直徑泥水盾構能夠較好的適應這種地層。

泥水盾構能適用于各類地質的土層，對開挖面難以穩定的土質特別有效，還能克服地面條件和其它地下條件的因素所造成的種種困難，譬如上部是河或海等有水體的地方；有道路、建筑物的地方；適合于要減少沉降的地方等。在這些場所采用泥水加壓盾構，無論在工法上還是經濟上都是有效的。盾構及掘進技術國家重點實驗室71 礫石層71盾構及掘進技術國家重點實驗室72四

泥水平衡盾構應用案例盾構及掘進技術國家重點實驗室72四泥水平衡盾構應用案例72序號隧道名稱盾構掘進長度地點盾構直徑建成情況1上海長江隧道7.5km×2上海15.43m已建成2南京緯三路過江隧道南線4.135km北線3.557km南京14.93m已建成3揚州瘦西湖隧道1.28km揚州14.93m已建成4武漢三陽路隧道4.6km武漢15.76m在建5佛莞城際新獅子洋隧道4.9km廣州、東莞13.6m在建6蘇埃通道工程3.05km×2汕頭≥15m在建盾構及掘進技術國家重點實驗室73

在我國城市化進程不斷推進的背景下，國內的大直徑盾構隧道（直徑大于12m）工程不斷涌現，如已建成的上海長江隧道、南京緯三路過江隧道、揚州瘦西湖隧道，在建的佛莞城際鐵路新獅子洋隧道、蘇埃通道等，這些工程項目的實施，為我國在大直徑盾構隧道勘測設計、施工技術和裝備制造應用方面積累了豐富的經驗。序號隧道名稱盾構掘進長度地點盾構直徑建成情況1上海長江隧道773

上海長江隧道工程連接長興島和浦東新區，采用兩臺?15.43m泥水盾

構施工，單機掘進距離7472m，最高水壓6.5bar。地層主要以淤泥質粘土、

粉質粘土、粉砂為主，工程具有掘進距離長、開挖直徑大、水壓高的特

點。

74盾構及掘進技術國家重點實驗室（1）上海長江隧道工程 上海長江隧道工程連接長興島和浦東新區，采用兩臺?15.474盾構及掘進技術國家重點實驗室75

南京緯三路過江隧道工程采用兩臺?14.93m泥水平衡盾構施工，南線4135m，北線3437m，最高水壓7.5bar，地質條件為淤泥質粉質黏土地層、粉細砂地層、礫砂地層、圓礫地層以及極少強風化泥巖，石英含量最高達65%，工程具有掘進距離長，開挖直徑大，水壓高，地層磨蝕性、透水性高的特點。（2）南京緯三路過江隧道盾構及掘進技術國家重點實驗室75 南京緯三路過江隧道工程采用75盾構及掘進技術國家重點實驗室76

揚州瘦西湖隧道工程采用一臺?14.93m泥水平衡盾構施工，盾構掘進距離為1275m，最高水壓3.9bar，工程具有環保要求高、地層粘度高、水壓高、隧道直徑大的特點。（3）揚州瘦西湖隧道盾構及掘進技術國家重點實驗室76 揚州瘦西湖隧道工程采用一臺76盾構及掘進技術國家重點實驗室77

武漢三陽路越江隧道是國內第一條公路及鐵路合建的超大型盾構法隧道，也是國內目前最大直徑的盾構法隧道，隧道開挖直徑達15.76m，盾構段2.59km，隧道最大埋深達39.5m，最低點位于長江最高水位以下60多米處，隧道主要穿越粉細砂、中粗砂、粉砂質泥巖以及膠結礫巖等地層，地質狀況復雜。（4）武漢三陽路越江隧道盾構及掘進技術國家重點實驗室77 武漢三陽路越江隧道是國內第77

佛莞城際鐵路新獅子洋隧道盾構段4.9km，其中水下部分1.7km，隧道

開挖直徑為13.6m，隧道最大覆土厚度64m，獅子洋最大水深17m。巖石飽

和抗壓強度最大75.7MPa（石英砂巖）。盾構隧道洞身穿過第四系沉積層、

軟硬不均和全斷面巖層，局部為破碎帶，工程具有距離長、水壓高、地質

情況復雜的特點。

78盾構及掘進技術國家重點實驗室（5）佛莞城際鐵路新獅子洋隧道 佛莞城際鐵路新獅子洋隧道盾構段4.9km，其中水下部分178盾構及掘進技術國家重點實驗室79

蘇埃通道工程跨越汕頭內海灣，海域長約3.5km，盾構段計劃采用15m級的泥水盾構施工，單線掘進距離為3.05km。設計的管片內徑為13.3m，外徑為14.5m，隧道頂部最大埋深37.5m（距海平面），地質狀況復雜，不良地質有砂土液化、軟土震陷、花崗巖球狀風化體、基巖突起等，為首條高烈度地震區（8度）大直徑水下隧道，施工難度極大。（6）蘇埃通道工程盾構及掘進技術國家重點實驗室79 蘇埃通道工程跨越汕頭內海灣79盾構及掘進技術國家重點實驗室80盾構及掘進技術國家重點實驗室8080泥水平衡盾構簡介

陳橋

盾構及掘進技術國家重點實驗室

2017年3月盾構及掘進技術國家重點實驗室泥水平衡盾構簡介 陳橋81盾構及掘進技術國家重點實驗室2

匯報提綱一

泥水平衡盾構概述二

泥水平衡盾構組成

三

泥水平衡盾構地質適應性范圍

四

泥水平衡盾構應用案例盾構及掘進技術國家重點實驗室2 匯報提綱82盾構及掘進技術國家重點實驗室3一

泥水平衡盾構簡介盾構及掘進技術國家重點實驗室3一泥水平衡盾構簡介83盾構及掘進技術國家重點實驗室１．概念

泥水平衡盾構機（Slurry

Pressure

Balance

Shield，簡稱SPB盾構），

是一種通過控制泥水倉壓力來平衡掌子面水土壓力的盾構機。泥水盾構

是在機械式盾構的前部設置隔板，裝備刀盤及輸送泥漿的送排泥管和推

進油缸，在地面上還配備有泥水處理設備。4盾構及掘進技術國家重點實驗室１．概念484盾構及掘進技術國家重點實驗室２．分類

按照控制開挖面泥漿方式的不同，泥水盾構可分為兩種：一種是日

本體系的直接控制型；另一種是德國體系的間接控制型（氣壓復合控制

型）。5刀盤進泥管

排泥管連通管

泥漿壓縮空氣泥模形

成區

地層間接控制型直接控制型盾構及掘進技術國家重點實驗室２．分類5刀盤進泥管排泥85盾構及掘進技術國家重點實驗室1）直接控制型泥水盾構的特點

直接控制型泥水系統流程如下：送泥泵從地面泥漿池將新鮮泥漿送入

盾構的泥水倉，與開挖泥土進行混合，形成稠泥漿，然后由排泥泵輸

送到地面泥水分離處理站，經分離后排除土碴，而稀泥漿流向泥漿池，

再對泥漿密度和濃度進行調整后，重新送入盾構的泥水倉循環使用。

泥水倉中泥漿壓力，可通過調節送泥泵轉速或調節控制閥的開度來進

行。由于送泥泵安在地面，控制距離長而產生延遲效應不便于控制泥

漿壓力，因此常用調節控制閥的開度來進行泥漿壓力調節。6盾構及掘進技術國家重點實驗室1）直接控制型泥水盾構的特點686盾構及掘進技術國家重點實驗室2）間接控制型泥水盾構的特點

間接控制型泥水盾構，其泥水系統由泥漿和空氣雙重回路組成。在盾構的泥水倉內插裝一道半隔板，在半隔板前充以壓力泥漿，在半隔板后面盾構軸心線以上部分充以壓縮空氣，形成空氣緩沖層，氣壓作用在半隔板后面與泥漿的接觸面上，由于接觸面上氣、液具有相同壓力，因此只要調節空氣壓力，就可以確定和保持在開挖面上相應的泥漿支護壓力。7泥水倉氣墊倉盾構及掘進技術國家重點實驗室2）間接控制型泥水盾構的特點力。87盾構及掘進技術國家重點實驗室83）比較

間接控制型泥水盾構與直接控制型泥水盾構相比，泥水壓力的波動小，對開挖面土層支護更為穩定，對地表變形控制也更為有利。

直接控制型泥水盾構開挖

倉內的泥水壓力波動較大，

一般在0.05~0.1MPa之間變

化間接控制型泥水盾構控制精度高，開挖倉內的泥水壓力波動小，一般在0.01~0.02MPa之間變化。掌子面壓力的變化被迅速、準確的平衡，降低了對地層的擾動。盾構及掘進技術國家重點實驗室83）比較間接控制型泥水盾構控制88３．泥水平衡原理

泥水穩定掌子面的方法源于地下連續墻的泥漿護壁原理，其基本原

理是通過在支撐環前面隔板的密封艙中，注入適當壓力的泥漿，在開挖

面形成泥膜，支撐正面土體，并由安裝在正面的刀盤切削土體表面泥膜，

與泥水混合后，形成高密度泥漿。9

當泥水壓力大于地下水壓力時，泥水按照達西定律滲入土體，形成

與土壤間隙成一定比例的懸浮顆粒，這些顆粒被捕獲并積聚于土體與泥

水的接觸區，逐漸形成泥膜。當泥膜抵抗力遠大于正面地層壓力時，產

生泥水平衡效果。盾構及掘進技術國家重點實驗室３．泥水平衡原理9 當泥水壓力大于地下水壓力時，泥水按照達89盾構及掘進技術國家重點實驗室10泥膜的類型無泥

膜泥皮泥膜滲透泥膜泥水幾乎不滲透，只形成泥膜泥水全部滲透，不產生泥膜介于前二者之間，即滲透又形成泥膜盾構及掘進技術國家重點實驗室10泥膜的類型無泥泥皮泥膜滲透泥90盾構及掘進技術國家重點實驗室11

類型1：泥皮泥膜，泥皮泥膜的建膜速度慢，密封性好，對泥漿指標變化的敏感度高，泥漿濾失量小，一般用于開挖面的靜態支護。缺點是失水易開裂和剝落。易形成在滲透系數小的黏性土層；

類型2：滲透泥膜，滲透泥膜的建膜速度快，對泥漿指標變化的敏感度低，適用于盾構掘進中開挖面的動態支護，缺點是泥漿濾量大。易形成在砂質土層中。

對于滲透系數大的砂礫層，泥膜形成的快慢與摻入泥水中砂粒的最大粒徑和含砂量（砂粒重/黏土顆粒重）關系密切，為發揮砂粒填堵土體空隙的作用，砂粒的粒徑應該比土體孔隙大且其含量應適中。盾構及掘進技術國家重點實驗室11 類型1：泥皮泥膜，泥皮泥膜91盾構及掘進技術國家重點實驗室12二

泥水平衡盾構組成盾構及掘進技術國家重點實驗室12二泥水平衡盾構組成92排漿管盾構及掘進技術國家重點實驗室13破碎機１．盾構主機簡介

切口環

氣墊倉

刀盤支承環進漿管

推進油缸

管片拼裝機盾尾主驅動

泥水倉排漿管盾構及掘進技術國家重點實驗室13破碎機１．盾構主機簡介93盾構及掘進技術國家重點實驗室２．刀盤系統

刀盤是泥水盾構的主要工作部件，為各種盾構刀具提供安裝位置，

根據工程實際需求，可分為常規泥水盾構刀盤和帶常壓換刀裝置的刀盤。

前者厚度跟同尺寸的土壓平衡盾構的刀盤厚度相當，后者厚度一般接近

2m或以上。14盾構及掘進技術國家重點實驗室２．刀盤系統1494盾構及掘進技術國家重點實驗室15盾構及掘進技術國家重點實驗室1595盾構及掘進技術國家重點實驗室16

刀盤的設計要求

(1)

能夠降低對刀具的磨損；

(2)

保護刀盤的鋼結構，刀盤的結構材料為Q345B

、16MnR、

GS52或相當于這種材料的鑄鋼；

(3)

能夠實現高的貫入度；

(4)

選擇降低刀具的磨損及維持掌子面穩定的最優刀盤開口率；

(5)

幅輪設計以使每個旋轉方向都有多個碴土出口；

(6)

2

個旋轉方向(正/反)；

(7)

刀盤前面有獨立的噴口用于防止刀盤結泥餅；

(8)

連接到主驅動的連接臂（厚壁管）保證刀盤良好的穩定性；

(9)

出碴通道的幾何設計必須滿足開挖倉容易出碴；

(10)

大的物料通道從刀盤外緣通到刀盤中心區域，這樣便于將挖掘的物料運輸到開挖倉；

(11)

碴土開口設計限制大的石塊進入，能通過的石塊復合泥水倉格柵和顎式破碎機的粒徑限制。盾構及掘進技術國家重點實驗室16刀盤的設計要求96盾構及掘進技術國家重點實驗室17

安裝的刀具

（1）刮刀

①刮刀安裝在碴土通道的一側；

②高質量的碳質刀刃；

③寬度

100mm左右；

④可以從刀盤后面更換刀具。（2）鏟刀

：

①鏟刀的設計保證了快速、清潔的開挖；

②它們可以雙向進行開挖，同時保證了開挖直徑的穩定不變。

③鏟刀用可更換的螺紋固定到鋼結構上，因此，可以被單獨更換。盾構及掘進技術國家重點實驗室17 安裝的刀具97盾構及掘進技術國家重點實驗室18

（3）仿形刀

刀盤上安裝了仿形刀。安裝的仿形刀通過一個短行程的油缸進行操作。仿形刀的伸縮則在主控室內按每10°事先加以設置控制。

盾構具有仿形超挖功能是目前盾構中較為先進的一種，其仿形超挖方位、超挖量可根據不同的施工要求而調整。盾構及掘進技術國家重點實驗室18 （3）仿形刀98盾構及掘進技術國家重點實驗室19

（4）滾刀

滾刀為盾構機主要的破巖工具，其數量根據刀盤尺寸大小和設計的刀間距來確定，其形式有單刃、雙刃、三刃、鑲齒滾刀等。盾構及掘進技術國家重點實驗室19 （4）滾刀99盾構及掘進技術國家重點實驗室20

刀具更換

所有的滾刀、刮刀和鏟刀都可以在隧道內從刀盤后部更換。一般不需要中途換刀。如有必要，刀具更換作業可以在常壓和帶壓方式下進行。

（1）常壓更換

①開倉常壓更換：地面具備地層加固條件或事先已經進行了地層加固處理，開挖面的穩定有保障，則可在常壓下進行刀具檢查和更換作業。盾構在選定地點停機后，將泥水倉里的泥漿排出一部分，直至泥水倉內泥漿液面高度低于泥水倉隔板上的密封門，此時作業人員可以通過氣閘打開通往泥水倉的密封門在不帶壓的情況下進入泥水倉，從而進行刀具檢查和更換。地層加固停機、排出

泥漿進倉進行刀具檢修更換盾構及掘進技術國家重點實驗室20刀具更換地層加固停機、10021②利用常壓換刀裝置可常壓更換的切刀

安裝了常壓換

刀裝置的刀盤

常用于水下大直徑、長距離盾構隧道，如上海長江隧道，南京長江隧道，

揚州瘦西湖隧道，佛莞城際鐵路新獅子洋隧道等盾構及掘進技術國家重點實驗室21②利用常壓換刀裝置可常壓更換的切刀 安裝了常壓換101盾構及掘進技術國家重點實驗室22

（2）帶壓進倉更換

①普通帶壓進倉

盾構推進到選定地點停機，設定泥水倉內的壓力，用壓縮空氣置換泥水倉內的部分泥漿，使液位降到隔板密封倉門以下，與此同時人員進入人倉，對人倉逐步加壓，直至與泥水倉壓力一致。之后，作業人員進入泥水倉進行刀具檢修更換作業。作業完成后，人員在人倉內減壓，減壓結束后退出人倉。

缺點：作業效率低，作業人員有安全風險

②飽和氣體帶壓進倉

基本作業流程與普通帶壓進倉類似，不同之處是作業人員呼吸的是混合氣體（如氦氧混合氣體），而不是空氣，避免高壓情況下呼吸普通空氣引起的“氮麻醉”現象，體內溶解的氣體達到飽和狀態后，作業人員可以一直生活在人造高壓環境中，直至工作完成，再減壓即可，避免普通帶壓進艙壓力反復加減壓，避免了患減壓病的風險，也提高了作業效率。盾構及掘進技術國家重點實驗室22 （2）帶壓進倉更換102作業人員轉運至人艙

23作業人員進入轉運艙飽和氣體帶壓進艙作業流程

作業人員在生活艙加壓完成

后，進入轉運艙

作業人員通過轉運艙進

入生活艙休息

整個作業循環中，人員均處于高壓環境，待完成帶壓

進艙作業后，人員一次減壓出艙

作業人員完成作業后進

入人艙，等待轉運

作業人員進入高壓區作

業盾構及掘進技術國家重點實驗室進入人員艙等待轉運作業人員作業人員飽和氣體帶壓進艙作業流程 作業人員在生活艙103盾構及掘進技術國家重點實驗室３．刀盤主驅動系統

（1）概述

主要部件如下：齒輪箱、主軸承、密封支撐、刀盤安裝法蘭環、密

封壓緊環、內外密封系統、小齒輪，驅動部件（電機或馬達）和主軸承。

為給換刀作業留下空間，主驅動可設計為具有伸縮性24驅動電機液壓馬達盾構及掘進技術國家重點實驗室３．刀盤主驅動系統24驅動電機液104盾構及掘進技術國家重點實驗室25可伸縮式主驅動結構可伸縮的距離盾構及掘進技術國家重點實驗室25可伸縮式主驅動結構可伸縮的距105盾構及掘進技術國家重點實驗室26

（2）主軸承

主軸承由三軸滾柱軸承支撐，帶有內齒圈。軸承設計使用壽命10000小時，該軸承具有承受徑向和軸向推力的功能。盾構及掘進技術國家重點實驗室26 （2）主軸承106盾構及掘進技術國家重點實驗室27內密封

（3）主軸承密封系統

內外兩個密封系統可將小齒輪或軸承室與泥水倉分隔開。密封系統使用一個多道唇密封系統，該系統有連續的油脂進行潤滑。P0注入HBW油脂，P1注入EP2油脂，P2注入潤滑油，P3進行泄漏檢測，P4注入齒輪油

外密封盾構及掘進技術國家重點實驗室27內密封 （3）主軸承密封系統107盾構及掘進技術國家重點實驗室４．破碎及沖刷裝置

腭式破碎機安裝在泥水倉底部的排泥管前部，對較大的礫石進行破

碎；液壓鄂式破碎機由重型油缸驅動破碎腭，破碎器的破碎齒可更換，

并且可實現自動潤滑。

在破碎機的出料口安裝有150mm間隔的隔柵，以確保不會有大直徑

石塊進入排泥管道。為避免堵管，在破碎機的出料口旁邊安裝2路泥水沖

洗管。28盾構及掘進技術國家重點實驗室４．破碎及沖刷裝置28108盾構及掘進技術國家重點實驗室29格柵排漿管沖涮管閘門被刀盤切削下的石塊沉到泥水倉底部，經過破碎機破碎，通過格柵后才能被排漿管帶走為防止渣土在排漿管出堆積，引起滯排，利用沖刷管對排漿管口不斷沖刷，對渣土進行攪拌，以便于排出

顎式破碎機盾構及掘進技術國家重點實驗室29格柵排漿管沖涮管閘門被刀盤切109盾構及掘進技術國家重點實驗室５．鉸接裝置密封

對于小直徑泥水盾構，為滿足工程最小半徑掘進的需求，在中盾和

盾尾之間采用短行程油缸鉸接，以提高盾構掘進的靈活性；對于超大直

徑泥水盾構，其刀盤直徑與主機長度相當，則無需采用鉸接。30盾構及掘進技術國家重點實驗室５．鉸接裝置密封30110盾構及掘進技術國家重點實驗室６．推進系統

盾構機的前進由推進系統油缸完成，每一組油缸均可獨立控制壓力

進行操縱而不會引起管片移位或產生引起損壞的壓力過載。在控制室里，

司機可以看到數字顯示的每組油缸行程及壓力，油缸的布置要能避開管

片接縫。31盾構及掘進技術國家重點實驗室６．推進系統31111盾構及掘進技術國家重點實驗室32

油缸缸體尾部由一個塑膠軸承支撐，這樣，這些油缸就可以不受側向力的作用從管片向壓力倉板自由伸展。推進油缸為兩個一組，每對油缸均有獨立的撐靴，油缸撐靴均為球形絞接式。在推進時，每組油缸各自獨立進行壓力調節。總的推進速度由一個總流量控制閥來調節。推進系統具有糾偏和爬坡功能。

采用分組聯合控制技術，既保證所有液壓缸具有協調性和同步性，又可以降低控制成本和系統的復雜程度，實現對每個液壓缸的單獨控制及對所有液壓缸的同時控制。盾構及掘進技術國家重點實驗室32 油缸缸體尾部由一個塑膠軸承112盾構及掘進技術國家重點實驗室７．管片拼裝機

管片拼裝機具有6個自由度，回轉速度0~2rpm，并可實現微調。所

有動作可遙控，便于與拼裝機配合操作。33盾構及掘進技術國家重點實驗室７．管片拼裝機33113盾構及掘進技術國家重點實驗室34真空吸盤式，一般在大直徑盾構上使用，螺栓與卡扣組合的抓取方式一般用在中型直徑盾構上，地鐵盾構比較常見。盾構及掘進技術國家重點實驗室34真空吸盤式，一般在大直徑盾構114盾構及掘進技術國家重點實驗室35管片的安裝盾構及掘進技術國家重點實驗室35管片的安裝115盾構及掘進技術國家重點實驗室８．盾尾密封系統

盾尾密封是為了防止周圍地層的土砂、地下水及背后的填充漿液、

掘削面上的泥水、泥土從盾尾間隙流向盾構機內部而設置的密封措施。

盾尾密封由盾尾鋼絲密封刷和盾尾油脂組成，盾尾的道數根據隧道埋深、

水位高低來定，一般取3～5道。由于鋼絲為優質彈簧鋼絲，鋼絲束內充

滿了油脂，使其成為一個即有塑性又有彈性的整體，油脂保護鋼絲免于

生銹損壞。36盾構及掘進技術國家重點實驗室８．盾尾密封系統36116盾構及掘進技術國家重點實驗室37

盾尾密封系統由主司機在主控制室操作，有自動（行程控制模式）和手動兩種模式。盾構及掘進技術國家重點實驗室37 盾尾密封系統由主司機在主控117盾構及掘進技術國家重點實驗室９．泥水輸送系統

（1）概述

基本功能：

一是穩定掌子面，掌子面的穩定性靠膨潤土泥漿對掌子面的壓力以

及靠膨潤土泥漿的流變特性來確保。

二是通過排泥泵將開挖碴料從泥水倉通過排泥管輸送到分離站。送

泥泵將調制好的泥水通過送泥管輸送到泥水倉；而排泥泵則將攜帶碴土

的泥水排出，通過排泥管輸送到地面的泥水處理設備進行分離。根據區

間長度及排漿泵的能力計算，來確定中繼泵數量。38盾構及掘進技術國家重點實驗室９．泥水輸送系統38118盾構及掘進技術國家重點實驗室39

泥水循環系統由送泥泵、排泥泵、中繼泵、送排泥管、延伸管線、輔助設備等組成。盾構及掘進技術國家重點實驗室39 泥水循環系統由送泥泵、排泥119盾構及掘進技術國家重點實驗室40HMT6,6

5FDPPPPPPPP

（2）工作模式

①開挖模式

根據氣墊室里泥漿的高程以及所要求的排碴流量，調整P1.1泵（送泥泵）的轉速用以校正泥水平衡倉的液面高程達到所要求的值。調整P2.1和P2.2泵（排泥泵、中繼泵）的轉速，用以校正排碴流量達到所要求的排碴量。P3泵的轉速必須能確保排碴的流體能被泵送到地面的分離廠。調整P3泵的轉速以便在泥漿分離廠入口處達到必要的壓力。

Vers

usine

de

traitement

de

boue

To

slurry

treatment

plantDepuis

l'usine

de

production

de

boueFrom

the

bentonite

plantLFMP.3MMPFDMMP

P.2.i

PP.1.1P

P.2.1

PP

P.1.i

PV01V03V02V04V05V06V07V09V11V12V08V10V13V17V15V16V14V20V19V18V21V24V23V22盾構及掘進技術國家重點實驗室40HMT6,6FDPPPPPP120盾構及掘進技術國家重點實驗室41

②旁通模式

旁通模式是用于盾構從一種功能切換到另一種功能，特別是用于安裝管片時的情況。盾構及掘進技術國家重點實驗室41 ②旁通模式121盾構及掘進技術國家重點實驗室42

③隔離模式

隔離模式使隧道里的泥漿管道系統與地面系統處于完全隔離的狀態，設在地面的分離廠和調漿池之間的回路仍保持連通，這種模式常用于隧道泥漿管道延伸時的情況。各排泥泵停止運轉，送泥泵P1.1仍保持運行。盾構及掘進技術國家重點實驗室42 ③隔離模式122盾構及掘進技術國家重點實驗室43

④逆行模式

也稱為反循環模式，這個模式使開挖室里的泥漿逆向流動。僅用于一些特別的情況，特別是用于清理排碴管道的堵塞。盾構及掘進技術國家重點實驗室43 ④逆行模式123盾構及掘進技術國家重點實驗室44

⑤停機模式

在停機模式下，所有送排泥泵都停止運轉，掌子面壓力由壓縮空氣回路來控制。當氣墊室泥漿的液面高程低于預定的低限時，便進行自動校正。盾構及掘進技術國家重點實驗室44 ⑤停機模式124盾構及掘進技術國家重點實驗室45（3）泥漿管路延伸盾構及掘進技術國家重點實驗室45（3）泥漿管路延伸125盾構及掘進技術國家重點實驗室46

（4）泥水輸送系統的管理

泥水倉中的液面高度由送泥泵P1.1（P1.2）來控制。膨潤土泥漿通過地面上的可變速離心泵P1.1（P1.2）從調漿池泵送到送泥管，對送泥量進行調節使氣墊室里的泥漿能保持恒定的液面高度。

進入泥水平衡倉的泥漿在盾構內分成5路，其中上下各2路，回轉接頭1路。

排泥回路由一臺安裝在后配套拖車上的可變速離心泵P2.1和一臺設置在取水井底部的可變速接力泵P3（線路長時依次加入P2.2和P2.3）組成。

流體的密度和流量可以分別使用安裝在每條管線上的γ密度儀及電磁流量儀來測量，送排泥泵采用變頻控制，通過PLC系統調節PID裝置。

軟件通過PLC裝置自動地控制泥水循環回路，控制和監控泥水回路的全部數據。如泥水平衡倉的液面高度、泥漿回路壓力、排泥泵的空蝕壓力、泥漿密度等。盾構及掘進技術國家重點實驗室46 （4）泥水輸送系統的管理126盾構及掘進技術國家重點實驗室47泥水循環控制系統操作界面盾構及掘進技術國家重點實驗室47泥水循環控制系統操作界面127盾構及掘進技術國家重點實驗室48

（5）掌子面加壓系統的管理

掌子面加壓系統通過泥水循環系統的調節裝置（特別是送泥系統）及安裝在前盾頂部的壓縮空氣回路對開挖面的泥水壓力進行綜合管理。壓縮空氣墊能夠調節泥漿的液面高度，即使在發生漏水或涌水的情況，它起著一個吸振器的作用并最終消除壓力峰值，減小泥水壓力的波動。

掌子面加壓系統由控制裝置監測，對設定壓力值與開挖室內泥漿壓力值進行比較，自動控制進入氣墊室的壓縮空氣，確保掌子面的泥水壓力穩定。盾構及掘進技術國家重點實驗室48 （5）掌子面加壓系統的管理128開挖盾構及掘進技術國家重點實驗室49

當盾構掌子面水土壓力增加時，氣墊倉內泥水液位升高，氣體被壓縮而壓力增加，排氣閥打開，降低氣墊倉內的壓力，當壓力達到設定值后，排氣閥關閉；

當盾構掌子面水土壓力減小時，氣墊倉泥水液位降低，倉內氣體體積增加，壓力降低，進氣閥打開，升高氣墊倉內的壓力，當氣體壓力達到設定氣壓值時，進氣閥關閉。

Pc-+出氣口注漿排渣P進氣口開挖盾構及掘進技術國家重點實驗室49 當盾構掌子面水土壓力增129盾構及掘進技術國家重點實驗室50

（6）泥水分離系統

盾構機掘進時由泥漿管路泵送出來的泥漿，被送到一個泥水分離站進行分離，泥水分離站，首先通過一級初篩，分離大部分的固體石頭和泥塊，第一級分離后，大部分在3mm以上的石塊土塊被分離出去。盾構及掘進技術國家重點實驗室50 （6）泥水分離系統130盾構及掘進技術國家重點實驗室51

分離的泥漿流到一個集漿槽中，再由一個泥漿泵抽送到二級漩流器進行分離，二級分離的精度在70μm。盾構及掘進技術國家重點實驗室51 分離的泥漿流到一個集漿槽中131盾構及掘進技術國家重點實驗室52

二級分離后，泥漿再次被抽到三級漩流器進行分離，三級漩流器分離精度達到20μm，三級分離后，泥漿流回制漿池，制漿后又通過泥漿泵流回到刀盤掌子面進行置換。盾構及掘進技術國家重點實驗室52 二級分離后，泥漿再次被抽到132盾構及掘進技術國家重點實驗室１０．電氣系統

盾構電氣系統主要由供配電系統（高壓供電，低壓配電）、PLC自

動控制系統、盾構數據采集系統和電氣輔助系統組成。

（1）高低壓配電系統：

盾構通常采用高壓10KV供電。通過10KV～380V干式或箱式變壓器

供低壓供電系統使用，低壓供電系統在前盾、盾體、拖車上都安裝有配

電柜來供主驅動、推進油缸、液壓泵站、注漿、管片安裝機、泥漿輸送

等各個系統供電。53盾構及掘進技術國家重點實驗室１０．電氣系統53133盾構及掘進技術國家重點實驗室54

（2）PLC自動控制系統

盾構控制系統采用主從、上下位機和分布式I/O結構。上位機為PC（個人計算機）和墻面式工控機組成的基于現場總線的計算機局域網絡，下位機是以PLC為主站的可編程控制器系統。計算機控制系統主要用于參數設置和數據采集分析。工控機安裝在盾構司機室，由現場操作人員使用，用于人機對話、顯示數據、設置和修改系統控制參數等。上位機下位機盾構及掘進技術國家重點實驗室54 （2）PLC自動控制系統上134盾構及掘進技術國家重點實驗室55

（3）數據采集系統

數據采集系統主要是讀取和存儲有監測傳感器所獲得的檢測值。根據已記錄的監測數據（如泥水壓力、氣壓、流量、行程、轉速等），通過對機器和機器上進行的工作過程進行完整的記錄，以便在以后的某個時點可以完整或部分地追溯隧道施工。

數據采集系統與盾構機的控制系統進行集成，存儲于控制系統的上位機，盾構機司機室是整臺設備的數據流轉中心。通過數據采集系統，可以實現盾構狀態的實時信息化管理，利用互聯網，可以將盾構掘進狀態數據傳輸至業主、監理、設計等相關單位，為整個工程的信息化管理提供重要的信息來源。盾構及掘進技術國家重點實驗室55 （3）數據采集系統135盾構及掘進技術國家重點實驗室56盾構施工遠程信息化管理系統盾構及掘進技術國家重點實驗室56盾構施工遠程信息化管理系統136盾構及掘進技術國家重點實驗室１２．輔助系統

1）同步注漿系統

同步注漿與盾構掘進是同時進行，是通過同步注漿系統及盾尾的注

漿管，在盾構向前推進盾尾空隙形成時進行，漿液在盾尾空隙形成的瞬

間及時將其填充，使周圍的巖體及時獲得支撐，可防止巖體坍塌，控制

地表沉降，有利于隧道襯砌的防水。

同步注漿系統包括砂漿罐、注漿泵、管道、壓力傳感器等設備。57盾構及掘進技術國家重點實驗室１２．輔助系統57137盾構及掘進技術國家重點實驗室58

2）隧道導向系統

全自動激光導向系統使盾構掘進方向能有效控制并能及時調整，保證隧道線形及最后貫通誤差要求。該系統能夠對盾構在掘進中的各種姿態、以及盾構掘進的方向和位置關系進行精確的測量和顯示。操作人員可以根據導向系統提供的信息，快速、實時地對盾構的掘進方向及姿態進行調整，減小掘進偏差。導向系統連續不斷地提供盾構的三維坐標和定向的、連續的動態信息，導向系統附帶的通信裝置能夠接收數據，由隧道掘進軟件計算盾構的方位和坐標，并以圖表和數字表格的形式準確的顯示盾構的位置。

盾構機的激光導向系統主要有全站儀、激光靶板、后視棱鏡、計算機及隧道掘進軟件組成，所測量的數據傳入盾構機主控室，由計算機及隧道掘進軟件計算分析，確定盾構機的方位。盾構及掘進技術國家重點實驗室58 2）隧道導向系統138盾構及掘進技術國家重點實驗室59盾構及掘進技術國家重點實驗室59139盾構及掘進技術國家重點實驗室60

3）人閘倉

雙室人閘倉與盾體上的連接法蘭相連。這些人閘倉的形狀與尺寸取決于盾構機安裝條件。雙室人閘倉的中間被一個供人進出的壓力門隔開。右邊的人倉用作進出泥水倉的正常通道，左邊的人倉可用于材料閘或在緊急情況下使用。人閘能同時容納

3+2

個人及一副1.8

米長的擔架。盾構及掘進技術國家重點實驗室60 3）人閘倉140盾構及掘進技術國家重點實驗室１３．后配套系統

后配套系統主要由以下構成：

①運送管片的橋架；

②吊運系統（管片存儲）；

③裝載盾構機工作必需的電氣及液壓元件的拖車。

所有設備都安裝在拖車行進方向左右兩側。這使得拖車中間有足夠

的空間讓

運輸車行走，把管片輸送到安裝器。后配套系統為管片吊運、

液壓泵站、電力系統、同步注漿系統、泥水環流系統的安裝提供了平臺。61盾構及掘進技術國家重點實驗室１３．后配套系統61141盾構及掘進技術國家重點實驗室62盾構及掘進技術國家重點實驗室62142盾構及掘進技術國家重點實驗室63

2）管片吊運

通過拖車上