工程机械理论与设计：土压式平衡盾构机简介

土压式平衡（Earth Pressure Balance）盾构，简称EPB 盾构。土压式平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠推进油缸的推力给土仓内的开挖土渣加压，使土压作用于开挖面以使其稳定。土压式平衡盾构的支护材料是土壤本身。

（一）土压式平衡盾构机的基本组成和工作原理

1.土压式平衡盾构机的基本构成

土压式平衡盾构机由刀盘、盾壳、推进系统、刀盘驱动、管片拼装机、盾尾密封系统、后配套设备等组成，如图18.13 和图18.14 所示。

土压式平衡盾构机 构造原理视频

图18.13　土压平衡盾构机三维模型

图18.14　土压平衡盾构机的组成

1—刀盘；2—盾体；3—土仓；4—推进油缸；5—刀盘驱动；6—螺旋输送机；7—管片拼装机；8—盾尾密封；9—皮带输送机。

（1）刀盘。

刀盘带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机最前部，用于切削土壤，是盾构机上直径最大的部分，由一个带4 根支撑辐条的法兰板与刀盘驱动连接，刀盘上可根据被切削土质的硬度来选择安装硬岩刀具或软土刀具。刀具通常有两大类：一类是刮削刀具；另一类是滚动刀具。刀盘外侧装有一把扩挖刀，盾构机在转向时，可以操作扩挖刀油缸使扩挖刀沿刀盘的径向向外伸出，扩大开挖直径，从而易于实现盾构机的转向。刀盘上安装的所有刀具都是由螺栓连接，可以从刀盘后面的土仓中更换。法兰板的后面有一个回转接头，它的作用是向刀盘的面板输入泡沫或膨润土以及向扩挖刀液压油缸输送液压油，如图18.15 所示。

图18.15　盾构刀盘

（2）盾体。

盾体包括前盾、中盾和尾盾3 部分，如图18.16 所示。

前盾和与它焊接在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使土仓与后面的工作空间隔开，推力油缸的压力可以通过承压隔板作用到开挖面上，起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板不同高度处装有5 个土压传感器，可以用来探测土仓中不同高度的土压力。

中盾和前盾通过法兰用螺栓连接，中盾内侧的周边装有多个推进油缸，用于盾构机的推进。

尾盾通过铰接油缸和中盾相连，这种铰接连接可以使盾构机易于转向。

图18.16　盾构盾体

（3）刀盘驱动机构。

刀盘驱动是由螺栓连接在前盾承压隔板的法兰上，它是一个敞开式中心环形驱动。刀盘由主驱动箱内的带有环形内齿圈的主轴承支撑。刀盘驱动可以使刀盘在顺时针和逆时针两个方向上实现一定范围的无级变速。刀盘驱动主要由9 组齿轮传动副和主齿轮箱组成，每组由一个斜轴式变量轴向柱塞马达和水冷式行星减速齿轮箱组成，其中一组传动副的行星减速齿轮箱中带有制动器，用于制动刀盘。安装在前盾承压隔板上的一台定量液压泵驱动主齿轮箱中的齿轮油，用来润滑主齿轮箱，这个油路中有一个水冷式的齿轮油冷却器用来冷却齿轮油，如图18.17 所示。

（4）推进机构。

盾构机的推进是通过推进液压缸顶住安装好的管片来向前推进的。盾构机在掘进过程中按照指定的路线做轴向前进时，由于土层土质条件的多样性和施工中诸多不可预见因素的作用使盾构推进控制非常复杂，整个盾构机受到地层阻力不均而使盾构掘进时方向发生偏离，而且盾构机有时还要转弯或曲线行进，这些都要靠合理地调节推进系统各液压缸的推进压力得到所需扭矩来实现盾构机姿态的调整，如图18.18 所示。

图18.17　盾构刀盘驱动

图18.18　盾构推进机构

（5）排土机构。

盾构机的排土机构主要包括螺旋输送机和皮带输送机。渣土由螺旋输送机从土仓运输到皮带输送机上，再由输送机运输到渣土车。螺旋输送机上有前后两个闸门，前部的闸门关闭时可以使泥土仓和螺旋输送机隔断；后面的闸门在停止掘进或维修时关闭，在整个盾构机断电的紧急情况下，这个闸门也可由蓄能器贮存的能量自动关闭，防止开挖仓中的水及渣土在压力作用下进入盾构机。螺旋输送机将盾构机土仓的土压值与设定土压值进行比较，随时调整向外排土的速度，实现盾构机土仓内连续的动态土压平衡。

（6）管片拼装机构。

管片由龙门吊从地面吊下至竖井内的管片车上，由电瓶车牵引管片车到第一节台车前的电葫芦下方，由电葫芦吊起管片向前运送到管片小车上，由管片小车再向前运送，供给管片拼装机使用。管片拼装机由拼装机大梁、支撑架、旋转架和拼装头组成。拼装机大梁用法兰连接在中盾的后支撑架上，拼装机的支撑架通过左右各两个滚轮安装在大梁的行走槽中，内圈为齿圈的滚珠轴承外圈通过法兰与拼装机支撑架相连，内圈通过法兰与旋转架相连，拼装头与旋转支架之间用两个伸缩油缸和一个横梁相连接。

两个拼装机行走液压油缸可以使支撑架、旋转架、拼装头在拼装机大梁上沿隧道轴线方向移动；安装在支撑架上的两个液压马达，驱动滚珠轴承的内齿圈可以使旋转架和拼装头沿隧道圆周方向左右旋转各200°；通过伸缩油缸可以使拼装头外伸或者收缩；拼装头在油缸的作用下又可以实现在水平方向和竖直方向上的摆动以及抓紧和放松管片的功能。这样在拼装管片时，就可以有6 个方向的自由度，从而可以使管片准确就位。拼装手可以采用机械抓取，也可以采用真空吸盘。一环管片由6 块管片组成，它们是3 个标准块、2 块临块和1 块封顶块。隧道成型后，管环之间及管环的管片之间都装有密封，用以防水。管片之间及管环之间都由高强度的螺栓连接。

（7）后配套设备。

① 一号台车及其设备。

一号台车上装有盾构机的操作室及注浆设备。

盾构机操作室中有盾构机操作控制台、控制电脑、盾构机PLC 自动控制系统、隧道掘进激光导向系统电脑及螺旋输送机后部出土口监视器。

② 二号台车及其设备。

二号台车上有包含液压油箱在内的液压泵站、膨润土箱、膨润土泵、盾尾密封油脂泵和润滑油脂泵。

液压油箱和液压泵站为刀盘驱动、推进油缸、铰接油缸、管片拼装机、管片运输小车、螺旋输送机、注浆泵等液压设备提供液压油。泵站上有液压油过滤及水冷式冷却回路。盾尾密封油脂泵在盾构机掘进时将盾尾密封油脂压送到三排盾尾密封刷与管片之间形成的两个腔室中，防止注射到管片背后的浆液进入盾体内。润滑油脂泵将油脂泵送到盾体中的小油脂桶中，盾构机掘进时，电机驱动的小油脂泵将油脂送到主驱动齿轮箱、螺旋输送机齿轮箱及刀盘回转接头中。

③ 三号台车及其上的设备。(www.xing528.com)

三号台车上装有两台打气泵、一个贮气罐、一组配电柜及一台二次风机。

打气泵可提供压缩空气并将压缩空气贮存在贮气罐中，压缩空气用来驱动盾尾油脂泵、密封油脂泵和气动污水泵；给人闸、开挖室加压；操作膨润土、盾尾油脂的气动开关等。二次风机将由中间井输送至四号台车位置处的新鲜空气，继续向前泵送至盾体附近，给盾构机提供良好的通风。

④ 四号台车及其设备。

四号台车上装有变压器、电缆卷筒、水管卷筒、风管盒。

（8）辅助设备。

辅助设备包括数据采集系统、激光导向系统、注浆装置、泡沫装置、膨润土装置。

① 数据采集系统。

数据采集系统按掘进、管片拼装、停止掘进3 个不同运行状态段来记录、处理、存储、显示和评判盾构机运行中的所有关键监控参数，通过数据采集系统，地面工作人员就可以在地面监控室中实时监控盾构机各系统的运行状况。

② 激光导向系统。

激光经纬仪临时固定在安装好的管片上，随着盾构机的不断向前掘进，激光经纬仪也要不断地向前移动，这被称为移站。激光靶则被固定在中盾的双室气闸上。激光经纬仪发射出激光束照射在激光靶上，激光靶可以判定激光的入射角及折射角，另外激光靶内还有测倾仪，用来测量盾构机的滚动和倾斜角度。在显示器上显示出盾构机轴线相对于隧道设计轴线的偏差，操作者依此来调整盾构机掘进的姿态，使盾构机轴线和隧道设计轴线之间的偏差始终保持在一个很小的数值范围内。

③ 注浆装置。

注浆装置主要包括两个注浆泵、浆液箱及管线。

两个注浆泵各有两个出口，4 个出口直接连至盾尾上圆周方向分布的 4 个注浆管上。盾构机掘进时，注浆泵泵出的浆液被同步注入隧道管片与土层之间的环隙中，浆液凝固后就可以起到稳定管片和地层的作用。为了适应开挖速度的快慢，注浆装置可以根据压力来控制注浆量的大小，不至于破坏盾尾密封。

④ 泡沫装置。

泡沫装置产生泡沫，向盾构机开挖室中注入泡沫，用于开挖土层的改良。作为支撑介质的土在加入泡沫后，其塑型、流动性、防渗性和弹性都得到改进，盾构机掘进驱动功率就可降低，也可减少刀具的磨损。

⑤ 膨润土装置。

膨润土装置也是用来改良土质，以利于盾构机的掘进。需要注入膨润土时，膨润土被膨润土泵沿管路向前泵至盾体内，操作人员可根据需要，在控制室的操作控制台上，通过控制气动膨润土管路控制阀的开关，将膨润土加到开挖室、泥土仓或螺旋输送机中。

2.土压平衡盾构机的工作原理

土压平衡盾构机是在刀盘后面设置土仓，刀盘旋转切削下来的泥土充满土仓和排土用的螺旋输送机，依靠推进油缸的推力来给土仓内的开挖土渣加压，使土压作用于开挖面，承受土层的土压和地下水的水压，从而达到压力平衡。开挖下来的渣土通过螺旋输送机从土仓运输到皮带输送机上，然后由皮带输送机把渣土运输到停在轨道上的渣车，通过调节螺旋输送机的排土速度可以达到调节土仓压力的目的。土压平衡盾构机的掘进、排土、衬砌等作业工程都是在盾壳的支护下进行，给施工提供了安全保障。

（二）4 种类型的土压平衡盾构机

1.普通型土压平衡盾构

普通型土压平衡盾构参见图 18.13 和图 18.14 所示，适用于松软黏性土，由刀盘切削下的泥土进入泥土仓，再通过螺旋输送机向后排出。由于泥土经过刀盘切削和扰动后会增加塑流性，在受到刀盘切削和螺旋输送机传送后也会变得更为松软，使泥土仓内的土压能均匀传递。通过调节螺旋机转速或调节盾构推进速度，调节密封泥土仓内的土压并使其接近开挖面静止土压，保持开挖面土层的稳定。

普通型土压平衡盾构一般采用面板式刀盘，进土槽口宽为200～500 mm，刀盘开口率为20%～40%，另外在螺旋输送机排土口装有排土闸门，有利于控制泥土仓内土压和控制排土量。

2.加泥型土压平衡盾构

当泥土含砂量超过一定限度时，土砂流动性差，靠刀盘切削扰动难以使泥土达到足够的塑流状态，有时会压密固结，产生拱效应。当地下水量丰富时，通过螺旋输送机的泥土，就不能起到止水作用，无法进行施工。此时应在普通型土压平衡盾构的基础上增加特殊泥浆压注系统，即形成加泥型土压平衡盾构（见图18.19）。向刀盘面板、泥土仓和螺旋输送机内注入特殊黏土泥浆材料，再通过刀盘开挖搅拌作用，使之与开挖下来的泥土混合，使其转变为流动性好、不透水性泥土，符合土压平衡盾构施工要求。

图18.19　加泥型土压平衡盾构

为了降低刀盘传动功率和减小泥土移动阻力，加泥型土压平衡盾构刀盘为有；辐条的开放式结构，开口面积接近 100%，并在刀盘背面伸出若干搅拌土砂的叶片，以便对土砂进行强力搅拌，使其变成具有塑流性和不透水性的泥土。

另外，对要求注入浓度、黏性更高的泥浆材料才能改变土砂功能时，往往难以用刀盘搅拌达到目的，这将大大增加刀盘和螺旋输送机的机械负荷，造成盾构施工困难。此时应注入发泡剂代替泥浆材料，因为发泡剂材料密度小、搅拌负荷轻，可使刀盘扭矩降低 50% 左右。盾构排出土砂中的泡沫会随时间自然消失，有时在泥土中加入消泡剂，可加速泡沫的消失，保持良好的作业环境。

3.加水型土压平衡盾构

在砂层、砂砾层透水性较大的土层中，还可以采用加水型土压平衡盾构。这种盾构是在普通型土压平衡盾构的基础上，在螺旋输送机的排土口接上一个排土调整箱（见图18.20），在排土调整箱中注入压力水，并使其与开挖面土层地下水压保持平衡。经过螺旋输送机将弃土排入调整箱内与压力水混合后形成泥浆，再通过管道向地面排送。开挖面的土压仍由密封泥土仓土压进行平衡。

图18.20　加水型土压平衡盾构

盾构掘进时，刀盘不停地对土层进行开挖和搅拌，使密封泥土仓内的土砂处于均匀状态；土砂颗粒之间的空隙被水填满，减少了土砂颗粒之间有效应力而增加了流动性，从而能顺畅地通过螺旋输送机送入排土调整箱。在调整箱内通过搅拌混合，向地面处理场排放。

加水型土压平衡盾构的泥水排放系统与泥水加压盾构相似，但注入的主要是清水，无黏粒材料，无须对注入的水进行浓度、密度控制，泥水分离处理设备和工艺也大为简化。这种盾构刀盘一般采用面板式结构，进土槽口尺寸可根据土体中砾石最大尺寸来决定，刀盘开口率一般在 20%～60%。

4.泥浆型土压平衡盾构

这种盾构适用于土质松软、透水性好、易于崩塌的积水砂砾层或覆土较浅、泥水易喷出地面和易产生地表变形的极差地层的施工。图18.21 是其施工工艺流程图，它具有土压平衡盾构和泥水加压盾构的双重特征。盾构掘进时，应向盾构内注入高浓度泥浆，通过搅拌与土砂混合使其泥土化，并充满泥土仓、支护开挖面。由于从螺旋输送机排出的泥土呈塑化或流化状态，所以在螺旋输送机的排土口装上一个旋转排土器，既可保持泥土仓内土压的稳定，又可不断地从压力区向无压区顺利排土。但从排土器排出的泥土呈泥浆状，不能用干土排送方式向地面排送，同时泥浆浓度较高，无法通过管道排出，从螺旋输送机排出的泥土，是在泥浆槽中经水稀释后再以流体形式通过管道排往地面。

图18.21　泥浆型土压平衡盾构工艺流程

从图中可以看出，泥浆型土压平衡盾构泥土仓的泥浆供入系统和排出系统是两个回路，所以从泥浆排出系统操作所造成的压力波动，对泥土仓内支护压力无大的影响，使盾构操作控制更为简便。

该机通常采用面板结构，进土槽口宽度可按土层中最大砾石尺寸决定，刀盘开口率一般在 40%～60%。由于泥浆型土压平衡盾构多用于巨砾土层，因此排土多采用带式螺旋机，可比同样大小中心轴式螺旋输送机排出的石块粒径大一倍左右。