土压平衡盾构机原理简介

隧道掘进机(Tunnel Boring Machine)是一种综合机械制造、新材料、新工艺、电子信息、自动化等高新技术在内的、专用于地下隧道工程开挖的大型高科技施工设备，具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点，比之传统的钻爆法隧道施工具有明显的优势，有着良好的综合效益，目前正朝着液压和电气自动控制、智能化和多功能化的方向发展，盾构掘进机(Shield Machine)是其中的先进代表。

用盾构法修建隧道已有150余年的历史。最早进行研究的是法国工程师M.I.布律内尔，他由观察船蛆在船的木头中钻洞，并从体内排出一种粘液加固洞穴的现象得到启发，在1818年开始研究盾构法施工，并于1825年在英国伦敦泰晤士河下，用一个矩形盾构建造世界上第一条水底隧道（宽11.4米、高6.8米）。在修建过程中遇到很大的困难，两次被河水淹没，直至1835年，使用了改良后的盾构，才于1843年完工。其后P.W.巴洛于1865年在泰晤士河底，用一个直径2.2米的圆形盾构建造隧道。随后，为了满足各种工程的需要，设计出了各类型、各种直径的盾构机，并由低级发展到高级，由手工操作到机械化施工，为了适应各种地质条件，气压支护盾构、泥水平衡盾构、土压平衡盾构被发明出来，这样盾构法能够适应在各种土层中建设隧道了。

盾构技术的基本方法简单介绍如下：在隧道的一端建造竖井，以供盾构机安装就位，盾构机从竖井的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线向另一竖井推进。盾构推进过程中所受到的地层阻力通过液压缸传到盾构尾部的隧道衬砌结构。盾构每推进一个工作行程，就在盾尾支护下拼装一段衬砌，并及时的向靠近盾尾后面的地层与衬砌环外周之间的空隙中压注浆液，以防止隧道及地面下沉，同时不断从开挖面排出土方。

图1 盾构掘进法示意图

随着自动控制技术、液压技术以及检测技术等相关技术的发展，盾构技术也得到一个飞跃式的发展，盾构机类型也越来越多，其中最主要的就是泥水盾构和土压平衡盾构。这两种盾构机技术先进，工作稳定以及挖掘效率高，已然成为现代盾构技术的代表。

上世纪七十年代，日本的Sato Kogyo公司最先发明并使用了土压平衡盾构机，自此土压平衡盾构机以其造价低、适用地质广和挖掘效率高的优点很快得到了广泛的使用。在我们国家，土压平衡盾构机运用的比列是最高的；在日本土压平衡盾构机使用量占盾构机总量的一半以上；现在欧洲和美洲也广泛的使用土压平衡盾构机进行隧道的挖掘工作。

图2为土压平衡盾构机主体示意图，可见盾构由刀盘系统、推进系统、盾尾油脂系统、供脂系统、仿形刀、牵引系统、自动供给、拼装机旋转系统、拼装机升降系统、搅拌机、泥水系统输送泵等部件组成，即盾构机是由诸多复杂设备组成。该盾构机的工作原理是控制土仓内已开挖土的压力,使之与刀盘前方的水土压力相平衡,达到控制地表沉降的目的。盾构机在实际施工过程中,推进速度的变化必然引起土仓压力的变化,因此需要根据土仓压力不断调整推进缸推进速度;此外,由于被切削的土层土质条件比较复杂,常常导致盾体各个部分受到的土层压力不一致,使得盾构机的前进方向偏离设计轴线;而且,盾构机在施工过程中还要进行转弯或曲线行进,这些都要根据盾构掘进位置与理想位置的偏差,来协调和控制各推进油缸压力和速度,使之按正确的路线前进。

图2 土压平衡盾构机示意图

图3 盾构机拼装系统

城市轨道交通和基础设施建设的高潮使盾构的需求量激增，据不完全统计，今后10年内我国隧道掘进机的市场可达10亿美元。据上海申通地铁集团有限公司（本项目合作单位）党委书记兼董事长应名洪介绍：经过“十一五”的高速发展，目前上海地铁运营线路已达到11条、路网运营线路总长度达425公里，成车站282座，运营规模位居世界各大城市的前列，在“十二五”期间，预计新一轮轨道交通规划项目建成后，上海轨道运营线路将达到18条，线路总长超过780公里，车站总数超过480座。由于盾构法建设的诸多优点，通常地铁建设首选盾构法（数据来源于2013年，现在上海地铁已建成13条地铁线，所以以上数据仅供参考）。

本文内容由部分来自于网络，感谢原作者。根据本人博士从事研究基础上所撰写而成，因此数据有点落后时代，仅供参考。