盾构机结构详解

主 驱 动 装 置 由 主 轴 承 、八 个 液 压 驱 动 马 达 、八 个 减 速 器 及 主 轴 承 密
封组成，轴承外圈通过连接法兰用螺丝与前体固定，内（齿）圈用螺丝
和刀盘连接，借助液压动力带动液压马达、减速器、轴承内齿圈直接驱
动 刀 盘 旋 转 。主 轴 承 设 置 有 三 道 唇 形 外 密 封 和 两 道 唇 形 内 密 封 ，外 密 封
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
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:
功 能 :实 现 对 岩 土 的 开 挖 、 推 进 、 一 级 出 渣 、 管 片 安 装 。
(一) 刀盘
盾构机主机结构图
6280mm
开 挖 直 径
硬岩盘口部分
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 Байду номын сангаас 同 的 制 造 厂 家 ，
（ 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。
需 要 ），此 外 ， 隔 板 上 还 开 有 安 装 5 个 土 压 传 感 器 、 通 气 通 水 等 的 孔 口 。 不同开挖形式的盾构机前体结构也不相同。
举 例 参 数 ： 6250mm（ 直 径 ）X1700mm（ 长 度 ）X60mm（ 板 厚 ）X57t （质量）
前体结构示意图
1. 主驱动装置
/mm
15-20
15-20
15-20
中 心 滚 刀 高 度 175/8
110/10
110/8
/mm/把 数
正 面 滚 刀 高 度 175/30
110/25
110/30
/mm/把 数
切 刀 高 度 /mm/把 140/（32X2） 70（37X2）
70/（ 30X2）
数
刮 刀 高 度 /mm/把 140/16
前 两 道 采 用 永 久 性 失 脂 润 滑 来 阻 止 土 仓 内 的 渣 土 和 泥 浆 渗 入 ，后 一 道 密
封 是 防 止 主 轴 承 内 的 润 滑 油 渗 漏 。内 密 封 前 一 道 阻 止 盾 体 内 大 气 尘 土 的
侵入，后一道防止主轴承内润滑油的外渗。
举例参数：最大扭矩：
脱困扭矩：
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 。
仿形刀 用于局部扩大隧道断
面 数量：1
（ 2） 刀 具 的 破 岩 机 理 ： 分 软 岩 切 削 机 理 和 硬 岩 破 岩 机 理 。软 岩 切 削 机 理 是 刀 具 对 土 层 的 挤
压所产生的剪切力来破坏土层而达到切削效果。
硬 岩 破 岩 机 理 是 利 用 硬 质 材 料 的 易 脆 性 质 ，采 用 滚 刀 的 滚 动 对 岩 石 挤 压 产 生 的 剪 切 力 和（ 冲 击 力 ）碾 碎 岩 石 的 机 械 破 岩 方 法 。要 实 现 连 续 破 岩 就 要 在 滚 刀 上 施 加 一 个 正 压 力 和 一 个 使 滚 刀 滚 动 的 水 平 推 力 。正 压 力 是 来 自 于 盾 构 的 推 进 力 ，水 平 推 力 是 刀 盘 转 动 施 加 在 滚 刀 轴 上 与 开 挖 面平行的推力。所以滚刀破岩要想达到满意效果，必须满足两个条件：
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。
度差等方面。 配置差异表
制造商
海瑞克公司
维尔特公司
三菱公司
参数
滚 刀 启 动 扭 矩 20-50
50-80
30-50
/mm
滚 刀 直 径 /in
17
17
13 或 17
滚 刀 磨 损 量 限 制 20（ 刀 圈 厚 70） 30（ 刀 圈 厚 80） 20
/mm
边缘滚刀高度 高 出 盾 壳 高 出 盾 壳 高 出 盾 壳
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 。
软岩刀盘
（ 3） 针 对 地 层 的 变 化 ， 能 够 方 便 地 更 换 硬 岩 滚 刀 和 软 岩 齿 刀 。
外形尺寸： 6280mm
6130mm（刀 圈外 经 ）Ｘ 1410mm 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
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。
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。
换装齿刀。
数量：4
数 量 ： 31
窄齿刀
切刀
弧形刮刀
用于软土掘进。 软土刀具，图示斜面 刀盘弧形周边软土
其结构形式有利于 结构利于软土切削中的 刀具，斜面结构，利
碴土流动进入土仓 导渣作用。
于碴土流动。
数 量 ： 19
同时可用做硬岩掘进 同时在硬岩掘进下
中的刮渣。
可用作刮渣
数 量 ： 64
数 量 ： 16
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。
输出转速：min 主轴承外径： 2600mm 质量： 寿命：10000h
软土盾构机
硬岩盾构
混合盾构
模
式 土压平
泥水加
机
机
型
衡
压
开胸式
★
★
★
半开胸式
★
★
★
闭胸式
★
★
★
★
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 ）
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70/42
数
刀盘先行刮刀
无 ， 滚 动 与 刮 无 ， 滚 动 与 刮 90, 滚 动 与 刮
刀互换
刀互换
刀互换
刀具的高度差及组合高度差对开挖的影响： ① 刀具高对防结泥饼有利。 ② 刀具的高度差大有利于破岩。 （ 4） 滚 刀 与 滚 刀 之 间 的 刀 间 距 。 滚刀的刀间距也是影响破岩能力的关键因素。刀间距过大会在两刀 之 间 出 现 破 岩 的 盲 区 而 形 成“ 岩 脊 ”。 刀 间 距 过 小 会 将 岩 体 碾 成 小 碎 块 ， 降低破岩功效。目前，刀盘边缘部分的刀间距一般都小于 90mm,正面刀 具的刀间距一般在 100mm,有的在 115-120
刀间距示意图
(二) 前体 前体又叫切口环，是开挖土仓和挡土部分，位于盾构的最前端，结构 为圆筒形，前端设有刃口，以减少对底层的扰动。在圆筒垂直于轴线、 约 在 其 中 段 处 焊 有 压 力 隔 板 ，隔 板 上 焊 有 安 装 主 驱 动 、螺 旋 输 送 机 及 人 员 舱 的 法 兰 支 座 和 四 个 搅 拌 棒 ，还 设 有 螺 旋 机 闸 门 机 构 及 气 压 舱（ 根 据
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
单刃滚刀
中心齿刀
用于硬岩掘进， 用于硬岩掘进
用 于 软 土 掘 进 ，替 换
在软土中可以换装 齿刀
数量：4
刀刃距刀盘面 175mm， 滚 刀 ， 更 换 后 可 以 增 掌子面与刀盘面间碴土 加刀盘中心部分的开 空间大，利于流动，可 口率。
① 工作面的岩层要有一定强度； ② 滚刀的启动扭矩要小。 因为以下因素很难满足以上条件： ① 地质因素； ② 滚刀的制造质量及工艺； ③ 滚刀质量一致性； ④ 开挖模式问题。
滚刀滚压破岩示意 图
1、断裂体 2、碎断体
（ 3） 刀 具 配 置 的 差 异 性 刀具配置的差异性表现在滚刀和刮刀的配置数量和高等级组合高
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