盾构各种掘进模式

泥水式盾构机。

在不稳定的砂砾地层或混合地层中，设备以混合式盾构机的模式工作。

在这种模式下，开挖仓内完全充满了悬浮液，而压力腔(4)则位于分隔挡板(1)后面，悬浮液由压缩气垫(12)和压力挡板(2)支撑。

气压通过一个空气调节设备(10+11)自动控制，防止隧道掌子面发生浆液喷爆和渣土进仓。

开挖仓(3)和分隔挡板后面调压腔内悬浮液之间的压力调节通过连通管(5)进行。

进泥管(9)把新鲜悬浮液输送到开挖仓。

而排泥管(6)则把格栅(13)后面开挖仓内的悬浮液输送出去。

通过调压腔内的输浆管(8)和排浆管(7)连续冲刷连通管下方，以避免渣土沉积。

在稳定的地质状况中，如硬岩或密实的粘性地层中，像小型的AVN设备一样，盾构机以泥水模式工作，无需使用压缩空气支撑。

把压缩空气供气管和排气管封闭住，并通过开挖仓把调压腔内的排气管、供气管和连通管中的空气排出去，这时，混合式盾构模式就转换为泥水盾构模式。

该转换工作同样可以在地下进行。

转换之后，调压腔就仅处于常压下，因为连通管已被封闭。

这时，对隧道掌子面的支撑就仅由泵入泵出循环管路的膨润土悬浮液来承担。

土压支撑，软土中掘进。

当盾构机在不稳定的地层中掘进时，可以通过制造支撑压力来防止隧道掌子面失稳情况的发生。

使用土压平衡盾构机开挖，刀盘（1）开挖下来的粘性土体用来支撑掌子面，而不像通过其他开挖方式的盾构机，其掌子面依靠另外的介质支撑。

刀盘旋转的盾体区域称为开挖仓（2），它通过压力挡板（3）与常压下的盾体区域分开。

刀盘旋转，带动刀具挖掘土壤。

挖掘下来的土壤通过刀盘开口进入开挖仓，与开挖仓内已有的粘性土浆混合。

推进油缸（4）的推力通过压力挡板传给开挖仓内土体，从而保证开挖面的稳定。

当开挖仓内的土体不再受外部土压力和水压力压紧时，就达到了土压平衡。

开挖仓内的渣土通过螺旋输送机（5）输送出去。

渣土输送量由螺旋速度和上部螺旋输送机驱动器的开口十字架控制。

螺旋输送机把渣土输送到第一段输送皮带上，再转运到反转皮带上。

当皮带反方向输送时，渣土被倾倒进入运输渣车中。

隧道通常使用预应力钢筋混凝土管片（7）进行衬砌。

管片在常压下通过管片安
装机（6）安装在盾体区域的压力舱壁后面，然后临时用螺栓固定。

砂浆经由盾尾上的注浆口或直接通过管片上的开口连续注入管片外面和围岩之间的空隙。

非均匀地层中的安全掘进。

混合式盾构机用于隧道掌子面不稳定的砂砾质地层或混合地层中施工。

刀盘（1）在膨润土悬浮液中旋转，松动隧道掌子面的土体。

挖掘的渣土与膨润土悬浮液混合。

刀盘旋转的盾体区域称为开挖仓(2)，它通过压力挡板（3）与常压下的盾体区域分开。

气垫调压舱把输送管(4)输入的膨润土悬浮液通过气垫(5)运送到开挖仓内与土压和水压达到平衡，避免土壤失控渗透或发生隧道掌子面失稳情况。

开挖仓内的支撑压力不是由悬浮液压力直接控制，而是由一个压缩气垫(5)控制。

因此，刀盘后面的开挖仓被一个称为分隔挡板(6)的钢板分隔成两个区域。

分隔挡板(6)和压力挡板之间的区域称为调压/工作舱。

当隧道掌子面前面的盾体区域完全充满悬浮液时，分隔挡板后面悬浮液的液位
还不到机器中轴线的位置，所以要通过压缩气垫提供超压，精确地控制目标压力值。

气垫压力则通过一个压缩空气控制系统控制。

这样泥浆输送管路的不规则性能够被准确、迅速的控制。

开挖的渣土与膨润土悬浮液混合后，经由泥浆输送管道被泵入地面的泥水分离站。

为防止泥浆输送管路发生堵塞，并保证排渣泵的顺利运行，回浆管前端有一个筛选大石块和土块的格栅，阻止大块的物料进入管道。

隧道通常使用钢筋预应力混凝土管片（7）进行衬砌。

管片在常压下通过管片安装机（8）在压力挡板后面的盾体区域安装，然后用螺栓固定。

砂浆经由盾尾上的注浆口或直接通过管片上的吊装孔连续注入管片外表面和围岩之间的空隙。

如需要进一步资料，请在媒体服务页面在线索取我们的小册子或土压平衡式/混合式盾构机的动画简介光碟。

脆性围岩和软岩地层中掘进的高科技设备。

单护盾硬岩掘进机属于敞开式护盾机型。

在隧道掘进机中，通常所说的敞开式护盾是指掘进机在隧道掌子面区域没有封闭的压力补偿系统，也就是说，没有开挖仓。

单护盾硬岩掘进机通常用于脆性围岩或软岩地层中。

该类型的设备在硬岩工程中有着广泛的应用。

机器在盾体(1)－锥形钢结构－的保护下自动向前掘进。

为了能够向前推进，单护盾隧道掘进
机通过液压推进油缸(2)支撑在已安装好的最后一环管片(3)上。

刀盘(4)上安装了硬岩滚刀，这些滚刀在刀盘上转动，切削隧道掌子面的岩石。

在滚刀后面一点的位置安装有边刮刀(5)。

刀盘切削下来的石渣掉落到边刮刀内，经由皮带输送机(6)输送到地面。

与其它全断面开挖设备相比，单护盾掘进机的掘进扭矩能够非常准确的计算出来。

除其它参数，扭矩与滚刀贯入度以及它们与围岩的接触面积有非常密切的关系。

整合技术──在变化地层中实现高效掘进。

从隧道掘进操作方面来讲，双护盾硬岩掘进机属于最复杂的掘进机类型。

撑靴理念与管片安装操作的完美结合，使双护盾掘进机能轻松适应任何地质情况。

因此，该设备是用于含有断层的硬岩地层中理想的隧道掘进设备。

之所以称之为双护盾隧道掘进机，因其设计特殊：主要特征是位于设备前面部分的前盾(1)可以伸长，这样刀盘(2)也可以随之伸长。

掘进过程中的反作用力(扭矩和轴向、纵向的力)通过位于掘进机中盾区域伸出来的撑靴(3)分散施加到围岩上。

由于这些反作用力已被分散，管片安装机可以在掘进过程中同时安装衬砌管片(5)，从而保障高效的隧道开挖作业。

这是传统开挖模式无法实现的。

掘完一个行程后，撑靴缩回，掘进机的后面部分通过辅助推进油缸(4)的作用向前推进。

该转换过程仅持续几分钟时间，之后，下一个掘进循环又开始进行。

但连续掘进只能在稳定的围岩状况下实现，因为撑靴需要支撑在围岩上。

如果双护盾掘进机遇到含有断层的地质状况，伸缩前盾就将缩回。

整个掘进机将只依靠支撑在隧道衬砌管片(5)上的辅助推进油缸(4)向前推进。

这种掘进模式是“非连续性”的，因为在该过程中，如同使用传统的盾构机一样，只有安装了衬砌管片之后，才能通过推进油缸实现掘进。

宽敞的操作空间，安全的操作环境。

撑靴式硬岩掘进机的主要功能系统包括挖掘、支撑和安全支护系统。

掘进系统－即刀盘－上面安装有滚刀。

刀盘旋转，压迫滚刀高压作用于隧道掌子面。

滚刀在掌子面转动，松动围岩。

挖掘下来的石渣被边刮刀收集（刀盘上的开口）并通过渣斗进入皮带输送机。

皮带输送机把石渣沿着掘进机输送到转运皮带机上。

转运皮带机位于掘进机和后配套系统之间，从那里，石渣或直接由皮带机运出隧道，或被装载到渣车上运送出去。

掘进机依靠撑靴(1)放射状地顶在岩石上来支撑自己，而液压油缸则朝向隧道掌子面顶压着刀盘向前掘进。

一次推进的最大长度是由推进油缸活塞的长度决定的。

一个掘进循环完成后，挖掘工作中止，机器向前移动，同时，另有一套支撑系统用来保持撑靴式掘进机的稳定性。

撑靴式硬岩掘进机工作效率的高低基本上由安装围岩支护材料所需时间的长短而决定。

撑靴式硬岩掘进机使用的安全支撑措施与传统的隧道开挖所使用的措施一样，即：岩石锚杆、钢筋网、喷射混凝土，同时还有掘进机自身的支撑以及尤其适用于该种情况的钢拱架进行支护。

使用撑靴式掘进机，即使紧靠刀盘后面，也可以全面进行围岩支护，即在被称作L1的工作区域进行支护。

钢环拼装机(2)、锚杆钻机(3)或钢筋网拼装机(4)等可以用于安装支护材料。

喷射混凝土和管片安装则在后配套区域进行。

灵活而简单的设备技术。

部分断面隧道掘进机适用的地质状况较为广泛，可用于各种直径的隧道开挖作业。

该类型的设备直接由操作手控制，操作简便、易于掌握以及能广泛使用。

另外，设备的安装和使用都较为经济。

海瑞克部分断面隧道掘进机性能优越，功能齐全。

快速的刀具更换速度充分展示了其优越性能。

铲斗和铣挖头可以安装在主体设备上进行挖掘工作；其更换简单而快捷。

依据隧道直径和开挖长度的不同，可以选择以顶管方式或者安装管片方式来进行隧道衬砌。

目前的设备开挖直径都涵盖在设备的标准开挖范围内。

另外，海瑞克公司还可以根据客户要求为项目定制专门的设备。

铲斗式
大量实践证明，使用铲斗在松散地层中进行开挖是有效而成功的。

根据地层的特性，可以在设备上安装挖掘铲、齿形铲斗或液压锤等挖掘工具。

而且，更换这些挖掘工具的操作简单而快捷。

挖掘的渣土通过输送皮带或刮斗输送机来运送。

铣挖式（巷道掘进机）
应用非开挖技术铺管。

(1) - (3) 钻机组装模块, (4) 滑动钻头
海瑞克公司为各种大型至超大型的水平定向钻进(HDD)设备，其最大拉力从60吨到高达600吨的范围(HK 60, HK 100, HK 150, HK 200, HK 250, HK 400, HK 600)。

经海瑞克人员的专业设计，本系统可以广泛运用于各种工况中。

因而，海瑞克公司能够为各种项目提供出色的解决方案。

模块组装式钻机
海瑞克公司水平定向钻进设备成功运用在世界各地的大量项目中，其独特的开创性设计使它在水平定向钻领域中占有特殊地位。

海瑞克公司对钻进设备做了进一步的改进设计，从而可以进行标准的模块安装。

这样，大型和超大型的钻机可以快速进行安装，满足世界各地的项目需求。

钻机分为三个模块，最大模块重20吨。

它们方便在工地现场组装，可以液压方式支撑。

单个模块可以装进20英尺的集装箱，从而方便运输。

标准模块式组装对于现场组装较为有益。

如果现场不具备进场的道路条件，例如处于建筑密集的市区，该设备可以在没有移动吊机的情况下进行组装和始发。

另外，海瑞克公司还可提供遥控履带行走装置供客户选择，来协助组装工作。

拖车式钻机
海瑞克公司可以根据客户要求加工制造大型和超大型拖车式钻机。

这些钻台经过专门制造，可安置在铰接式拖车上，从而适合运输。

履带式钻机
另外，海瑞克公司可以提供集成履带系统的钻机设备作为备选方案。

驱动装置加上履带行走系统保证了整体钻进设备能够在城市或野地行走。

框架式钻机
框架式钻机是海瑞克公司最为经济的水平定向钻设备。

它的最主要特点是重量轻，这意味着钻机可以通过标准的吊机装载到常规卡车上。

运用适当压力以保持稳定。

土压支撑
土体不稳定时，需要向掌子面上提供支撑压力来平衡土体和地下水对刀盘产生的压力，避免掌子面发生坍塌。

泥浆压力支撑
土体不稳定时，需要向掌子面提供支撑压力来平衡周围压力，避免掌子面发生坍塌。

支撑压力用来抵抗土体和地下水的压力，防止土壤不受控制进入掌子面而导致的失稳。

机械支撑/ 压缩空气支撑
在敞开式开挖过程中，部分断面隧道掘进设备开挖掌子面时不能利用支撑介质来形成支撑压力。

因此，只能通过其他方法来支撑周围土体并防止设备遭受地下水的侵入。

以渣土为介质，实现简单而有效的安全支撑。

在所有不稳定的土层中，需要向掌子面上提供支撑压力来平衡土体和地下水对刀盘产生的压力，以避免隧道掌子面发生坍塌。

在土压平衡式盾构机的作业过程中，刀盘挖掘下来的泥土将被用作支撑隧道掌子面的介质。

刀盘旋转，带动刀具松动掌子面的土体，挖掘下来的泥土通过刀盘开口进入开挖仓与塑性土混合。

支撑压力通过压力挡板从推进油缸上传递到土层中，阻止不受控制的泥土从隧道掌子面进入到开挖仓内。

当开挖仓中的土体不再受到外部的土压和水压挤压时，内外压力就达到了平衡。

螺旋输送机将支撑压力从超压降低到常压。

支撑压力由螺旋输送机输送速度和螺旋输送机上部开口控制。

作为支撑介质土壤必须具备以下条件：良好的塑性、具有流动性、较低的内摩擦和较低的渗水性。

用作介质的理想土质是含有较多粘土、肥土或淤泥的粘结性土壤。

通过土体改良，即对土壤性质进行改进，可以扩大土压平衡技术的使用范围：向土仓中注入泡沫和/或聚合剂，非粘性土或细砂或粗砂砾的性质将得到改良，变得适合作为支撑介质用于土压平衡的掘进技术中。

混合地层中的全方位控制。

在所有不稳定的地层中，都需要向掌子面提供支撑压力来抵抗土体和地下水的压力，防止土体不受控制进入掌子面或防止掌子面失稳。

在泥水压力支撑的盾构机掘进中，通常使用膨润土悬浮液(一种膨胀性粘土和水的混合浆液)或水作介质来支撑不稳定掌子面。

这种方法广泛使用在从细砂到粗砂砾等各种非粘性地层的施工中。

在泥土和悬浮液之间的界面产生一个渗入泥饼对隧道开挖面进行支撑。

同时，它封闭住泥土，防止地下水侵入。

另外，如果盾构机出现故障而停机，该渗入泥饼将在掌子面形成一个密封膜，配合压缩空气的使用，工作人员就可以进入开挖仓进行检修工作。

在混合式盾构技术中，开挖仓中的支撑压力不是由悬浮液压力直接控制的，而是通过压力挡板和分隔挡板之间的一个压缩空气气垫控制。

全自动的控制循环不间断的监控掌子面的压力并通过支撑介质产生平衡力，以确保压力控制的准确有效。

这样，在不良的混合地层中，如果出现压力异常，能够很快实施补偿措施，从而保证设备和地面之间的较浅覆土不会引起地层下沉或隆起。

在泥水盾构技术中，支撑压力直接由悬浮液压力控制，即通过膨润土悬浮液泵入泵出泥浆循环来控制。

该技术只适用于不会突然发生压力异常的地质状况中。

敞开式隧道掘进设备的支撑方法。

在敞开式开挖过程中，部分断面隧道挖掘设备开挖掌子面时不能利用支撑介质来形成支撑压力。

因此，只能通过其他方法来支撑周围土体并防止设备遭受地下水的侵入。

方法之一便是使用所谓的护板，它从盾体上部延伸出来。

护板因应地层中的开挖角度而制，从而保证其与隧道掌子面持续接触。

这样，就可以防止渣土从顶部落入机器内以及防止地面下沉。

另外，安装一横向平台可以用减小开挖角度。

整个盾壳也可以设计成一个“支撑挡板系统”，由几块可以单独向前伸长的支撑板组成。

这样可以保证开挖角度适应地质状况的变化。

而且，前伸支撑板可以安装到系统上，需要时，通过液压动力压紧隧道掌子面来进一步稳定掌子面，以保证安全。

在含水地层中进行挖掘作业时，可以在部分断面隧道掘进设备上和部分隧道内使用压缩空气闸系统来防止地下水侵入。

压缩空气系统有两道控制循环，连续监测并自动调节需要的压力。

渣土的不间断运输。

液体式运渣
当设备在渗水性较高的砂质和（松散）砂砾质混合地层中掘进时，挖掘的渣土通常由液体输
送系统运送。

这种情况下，通常用水或膨润土浆液作为运输介质帮助渣土的运输。

机械式运渣
当设备在渗水性较低的粘性土壤中掘进时（例如颗粒较细的壤土或粘土），挖掘的渣土本身就是用作支撑介质，这也是为何其必须具备延展塑性或流动性的原因。

这种特性可能是是土壤天然所具备的，亦可通过添加泡沫或聚合剂来获取。

液体式运渣。

通过泥浆环路实现连续出渣
当设备在渗水性较高的砂质和砂砾质（非粘性）混合地层中掘进时，挖掘的渣土通常由液体输送系统运送。

这种情况下，通常用水或膨润土浆液作为运输介质帮助渣土运输。

掘进机进泥管的进泥泵从始发井把运输介质泵送到隧道掌子面。

运输介质在掌子面稳定下来，支撑掌子面，并与挖掘的渣土混合。

挖掘的渣土和运输介质混合，通过排泥管排出开挖仓，输送到泥水分离站。

为防止泥浆管堵塞，任何大粒的石块或异物都将被开挖仓中的碎石机粉碎后才进入排泥管。

排泥管前面有一个格栅，用来阻止大颗粒物料进入排泥管。

在泥水分离站，网筛、旋流分离器和离心分离器（如需要）等把介质和泥水分离开来。

有效的分离是指经过处理的大量介质可以重新用于输送循环。

如果泥土所含粘性颗粒较多，水通常可作为合适的介质。

但是，如果土壤为砂砾质土壤，仅含有或不含粘性颗粒，并较为致密，较大的泥块仍然可以在管道底部沉淀，引起堵塞。

如果是这种土壤，经常需要把土壤浸入一种能生成粘性液体的悬浮液中，来降低土壤颗粒内部的紧密性。

这种粘性悬浮液就是膨润土，一种吸收性粘土和水的混合液。

它具有触变特性，能够在掘进过程中稳定隧道掌子面。

另外，它与挖掘下来的渣土混合，通过泥水管道运输出去，不会对设备造成伤害。

运输介质的选择取决于许多因素，与项目的特点有很大关系，不能简单决定。

机械式运渣。

隧道掘进机挖掘下来的渣土物料可以进一步通过皮带输送机、轨道运输车辆、运送卡车从隧道中运输出去，或在渣土中添加适当液体，然后通过泥浆泵泵送，从泥浆管道输送出去。

这与硬岩掘进中的情况相似。

挖掘下来的石渣经由刀盘上边刮刀上的导向槽流入刀盘中心，然后输送到皮带机上。

然后石渣通过皮带机、轨道运输车或卡车等运送出隧道。

隧道外的固定连续皮带机甚至可以把挖掘下来的渣土直接运送到附近的弃渣场，从而减少工地现场的运输活动，并减少噪音。

请浏览海瑞克子公司H+E Logistik 公司网址(www.helogistik.de)获取关于皮带输送系统更为详细的信息。

关于隧道建设中轨道运输车辆和陆地运输车辆的更详细信息，请浏览海瑞克分公司MSD公司网站(Maschinen- und Stahlbau Dresden - Dresden 机械设备与钢结构) 。

www.msd-dresden.de
创新方案，迎接挑战。

无论从技术、经济还是生态环境各个方面来讲，机械化隧道掘进都是全球建设工程中最具开
创性的专业领域之一。

技术的发展源于永不止步的开拓创新，不断战胜困难。

世界上随着隧道直径的不断扩大以及隧道埋深和长度的不断增加，海瑞克公司的研发队伍时刻掌握市场动态，而不是只局限于一己象牙塔内。

市场要求工程师把技术运用到最艰苦的操作环境中。

海瑞克公司与相关各方协作，从工程业主和工程承包商，到高等学府，共同开拓创新。

如您对交通隧道领域的设备研发有任何疑问，请电邮我们至：
traffic(at)herrenknecht.de
旧隧道升级工程：应用海瑞克技术扩建隧道。

扩建现有铁路隧道，使其符合欧洲EBO10安全标准。

直接铺管法──让您距目标仅一步之遥。

是水平定向钻进（HDD)的改良技术，节约时间，一步到位。

使用这种技术，设备可在无侧限抗压强度达到80Mpa的围岩中作业，隧道的开挖非常经济。

挖掘工作通过一纵向切削刀盘进行，刀盘上安装有圆轴型的凿具。

挖掘的渣土通过回转螺旋输送机向外输送。

土压平衡式盾构机控制原理与参数设置
随着地下空间的开发，盾构技术已广泛地应用于地铁、隧道、市政管道等工程领域。

在我国的各项施工中，盾构机的种类越来越多，其中土压平衡式盾构机在上海、南京、广州等地铁施工中有着较为出色的表现，笔者以日本小松公司Φ6340盾构机为例，结合施工中的一点经验与理解，对其控制原理和参数设置等做简要总结。

控制原理
土压平衡式盾构机的土压控制是PID自动调节控制，切削刀盘切下的弃土进入土仓，形成土压，土压超过预先设定值时，土仓门打开，部分弃土通过螺旋机排出土仓，从而保持土仓内土压平衡，土仓内的土压反作用于挖掘面，防止地层的坍塌。

土压的平衡控制是通过装在盾构机土仓隔壁上的土压计对掘进中的土压进行实时监视，土压计监测到的数值传送到PLC，PLC计算出测量值与设定值之间的差值E，通过PID 控制，自动调整螺旋机转速，使E值趋向于零，当E值大于零时，PLC发出指令，增加螺旋机转速，提高出土量直至土仓内土压重新达到新的平衡状态，反之当E值小于零时，PLC 会降低螺旋机转速，以减少偏差。

以保持土仓内土压平衡，使盾构机正常掘进。

主要参数
抽样周期：PID 演算处理的时间间隔，周期越短，动作越连续，但增加了单位时间的处理次数，因此PID以外的控制变慢，不需要细微变动时，可延长周期。

过滤系数：用来除去输入模拟值上的高频成分，数值越大，则过滤效果越强，系统反应也就越迟钝。

比例常数P:为了提高系统灵敏度，使土压保持在一定范围，把计测值与设定值的差值E 乘以一个系数，所得结果再与目标值相比较，这个系数就是比例常数P，P 值越大，调控。