盾构机结构详解

盾构机技术讲座

一.盾构机结构（EPB总体结构图）

盾构是一个具备多种功能于一体的综合性隧洞开挖设备,它集和了盾构施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全部的功能，目前，盾构机已成为地下交通工程及隧道建设施工的首选设备被广泛使用。其优点如下:

1. 不受地面交通、河道、航运、季节、气候等条件的影响。

2. 能够经济合理地保证隧道安全施工。

3. 盾构的掘进、出土、衬砌、拼装等可实行自动化、智能化和施工运输控制信息化。

4. 掘进速度较快，效率较高，施工劳动强度较低。

5. 地面环境不受盾构施工的干扰。

其缺点为：

1. 盾构机械造价较高。

2. 在饱和含水的松软地层中施工地表沉陷风险大。

3. 隧道曲线半径过小或埋深较浅时难度较大。

4. 设备的转移、运输、安装及场地布置等较复杂。

盾构作为一种保护人体和设备的护体，其外形（断面形状）随所建的工程要求不同有圆形、双圆形、三圆形、矩形、马蹄形、半圆形等。（如：人行道方形能最大限度的利用空间、过水洞马蹄形符合流体力学、公路隧道半圆形利用下玄跑车）。而因圆形断面受力好、圆形盾构设备制造相对简单及成本相对低廉，绝大部分盾构还是采用传统的圆形。

为适应各种不同类型土质及盾构机工作方式的不同，盾构机可分为三种类型、四种模式：

三种类型：

（1）软土盾构机；

（2）硬岩盾构机；

（3）混合型盾构机。

四种模式：

（4）开胸式；

（5）半开胸式（半闭胸式、欠土压平衡式）；

（6）闭胸式（土压平衡式）；

（7）气压式。

软土盾构机适应于未固结成岩的软土、某些半固结成岩及全风化和强风化围岩。刀盘只安装刮刀，无需滚刀。

硬岩盾构机适应于硬岩且围岩层较致密完整，只安装滚刀，不需要刮刀。

混合盾构机适应于以上两种情况，适应更为复杂多变的复合地层。可同时安装滚刀和刮刀。

气压盾构是在加气压状态下的施工模式，即可用于泥水加压式盾构机，也可用于土压平衡式盾构机。

以下以海瑞克公司在广州地铁使用的典型土压平衡式盾构机为

例：

盾构机总图

总体外形尺寸：?6280X75000mm

总质量：520t

装机总功率：

最大掘进速度：80mm/min

第一节：主机结构（盾体及刀盘结构）

断面形状：圆形、用钢板成型制成，材料为：S335J2G3。主要由已下部分构成：

刀盘、主轴承、前体、中体、推进油缸、铰接油缸、盾尾、管片安装机。

主机外形尺寸：7565mm（L）Ｘ?6250（前体）Ｘ?6240（中体）Ｘ?6230（盾尾）

质量：刀盘57t 前体92t 中盾尾26t 主轴承人舱4t 管片安装机

总质量约：236T。（不含各系统设备质量）

功能:实现对岩土的开挖、推进、一级出渣、管片安装。

盾构机主机结构图

(一) 刀盘

刀盘是盾构机的核心部件，其结构形式、强度和整体刚度都直接影响到施工掘进的速度和成本，并且出了故障维修处理困难。不同的地质情况和不同的制造厂家，刀盘的结构也不相同，其常见的结构有：平面圆角刀盘、平面斜角刀盘、平面直角刀盘。

盾构机刀盘应满足以下要求： （1）刀盘应有足够的强度和刚度。 （2）刀盘应有较大的开口率。 （3）针对地层的变化，能够方便地更

硬岩盘口部分

开挖直径软岩刀盘

换硬岩滚刀和软岩齿刀。

（4）刀盘结构应有足够的耐磨强度。

（5）刀盘上应配置足够的渣土搅拌装置。

（6）刀盘上应配置足够的注入口，各口并装有单向阀。以满足刀具的冷却、润滑和渣土改良。

1. 下面是海瑞克公司的刀盘结构和参数：结构形状：平面圆角形刀盘。铸造和焊接混合型。

外形尺寸：?6280mm ?6130mm（刀圈外经）Ｘ1410mm总厚（刀盘厚580mm）

刀盘质量：57000kg

开口率：28%

超挖刀行程：50mm

刀盘转速：min 最大扭矩：脱困扭矩：

结构：刀盘前端面有8条辐板（开有8个对称的长条孔），其上配有滚刀（齿刀）座、刮刀座和2根搅拌棒，刀盘与驱动装置是用法兰连接，法兰与刀盘之间是靠四根粗大的辐条相连。为保证刀盘的抗扭强度和整体刚度，刀盘中心部分、辐条和法兰是采用整体铸造，周边部分和中心部分采用先拴接后焊结的方式连接。（以前该件需从国外进口，现在已国产化）。为保证刀盘在硬岩掘进时的耐磨性，刀盘的周边焊有耐磨条，面板上焊有栅格状的Hardox耐磨材料。刀盘上装有4路泡沫管并分8个出口，各口都装有单向阀。装有塔形滚刀超挖刀一套，配油管2根,其行程为：50mm。刀盘上可装双刃滚刀4把，单刃滚刀31把，正面齿刀64把。边缘齿刀16把。

2. 刀具的配置：

刀具的结构、材料及其在刀盘上的数量和位置关系直接影响到掘进速度和使用寿命。不同的地层条件对刀具的结构和配置是不相同的。

（1）刀具种类：单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀（双刃以上的一般都是中心滚刀）、齿刀、切刀、刮刀和方形刀（超挖刀）。为适应不同的地层，滚刀和齿刀可以互换，所以它们的刀座相同。

单刃滚刀结构图

双刃滚刀结构图

刀具形式

双刃中心刀

用于硬岩掘进，

在软土中可以换装

齿刀

数量：4

单刃滚刀

用于硬岩掘进

刀刃距刀盘面175mm，

掌子面与刀盘面间碴土

空间大，利于流动，可

换装齿刀。

数量：31

中心齿刀

用于软土掘进，替换

滚刀，更换后可以增

加刀盘中心部分的开

口率。

数量：4

窄齿刀

用于软土掘进。

其结构形式有利于

碴土流动进入土仓

数量：19

切刀

软土刀具，图示斜面

结构利于软土切削中的

导渣作用。

同时可用做硬岩掘进

中的刮渣。

数量：64

弧形刮刀

刀盘弧形周边软土

刀具，斜面结构，利

于碴土流动。

同时在硬岩掘进下

可用作刮渣

数量：16