新型土木工程机械
摘要:机械是人类进行生产斗争的重要武器，是用来减轻体力劳动和提高生
产力工具，又是衡量社会生产发展的重要标志。学习土木工程机械，让我
能更好的接触到新技术，让我的理论知识面得到扩充。接下来我就通过所
学到的知识详细介绍一种新型土木工程机械——盾构机。
关键词：盾构机、产生、原理、分类、组成、性能、发展
一、用途
盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集
光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、
测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科
技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进
机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。
二、起源
盾构机先于英国发明，发展于日本、德国。近些年来，通过对土压平衡式、泥
水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起
及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换，对一些恶劣
地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究解决，使盾构机有了很快的发展。
三、工作原理
盾构机的工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进
行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑
的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、
排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。
四、分类
盾构的分类较多，可按盾构切削面的形状、盾构自身构造的特征、尺寸的大小、
功能，挖掘土体的方式，掘削面的挡土形式，稳定掘削面的加压方式，施工方法，适
用土质的状况多种方式分类。例如，按照盾构组合命名分类：软土盾构机；硬岩盾构
机；混合型盾构机。
五、盾构机组成
1.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。刀盘应有足够的强度和刚度。刀
盘应有较大的开口率。针对地层的变化，能够方便地更换硬岩滚刀和软岩齿刀。刀盘
结构应有足够的耐磨强度。刀盘上应配置足够的渣土搅拌装置。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。
2.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。
3.中体，又叫支承环是盾构的主体结构，承受作用于盾构上的全部载荷。是一个
强度和刚性都很好的圆形结构，地层力、所有千斤顶的反作用力、刀盘正面阻力、盾
尾铰接拉力及管片拼装时的施工载荷均由中体来承受。中体内圈周边布置有盾构千斤
顶和铰接油缸，中间有管片拼装机和部分液压设备、动力设备、螺旋输送机支承及操
作控制台。中体盾壳上焊有带球阀的超前钻预留孔，也可用于注膨润土等材料。
4.盾尾及盾尾密封舱，盾尾主要用于掩护隧道管片拼装工作及盾体尾部的密封，
通过交接油缸与中体相连，并装有预紧式铰接密封。铰接密封和盾尾密封装置都是为
防止水、土及压注材料从盾尾进入盾构内。为减小土层与管片之间的空隙，从而减少
注浆量及对地层的扰动，盾尾做成一圆筒形薄壳体，但又要能同时承受土压和纠偏、
转弯时所产生的外力。盾位的长度必须根据管片的宽度和形状及盾尾密封的结构和道
数来决定。另外在盾尾壳体上合理的布置了8根盾尾油脂注入管和4根同步注浆管。
5.螺旋输送机，是土压平衡盾构机的重要部件。其作用是掘进渣土排出的唯一通
道；掘进时通过螺旋机内形成的土塞建立密封前方土仓内的压力，有效地抵御地下水。
螺旋输送机既要出土效率高，又要在喷涌时起到土塞作用，所以在螺旋器的结构分：
有心轴式和无心轴式，为达到土塞目的，在螺旋带上设一段空段或反向螺旋带。螺旋
带的支撑采用单侧轴承悬臂支承法，前端依靠渣土的悬浮力支承和平衡。在螺旋器壳
体内和螺旋带的前端均焊有耐磨合金条或耐磨合金粒，以保证其使用寿命。螺旋输送
机还设置了前、后端两个闸门，以控制其出土速度和建立、维持密封土仓内的土压平
衡。
6.管片安装机构，管片安装机由：大梁、支承架、旋转架及拼装头组成。大梁以
悬臂梁的形式安装在盾构中体的支承架上，支承架通过行走轮可纵向移动，旋转架通
过大齿圈绕支承架回转，旋转架上装有两个提升油缸用以实现对拼装头的提升和横向
摆动，拼装头与铰接的方式安装在旋转架的提升架上，安装头上装有两个油缸，用以
控制安装头的水平和纵向两个方向上的摆动。管片安装机的控制方式有遥控和线控两
种，均可对每个动作进行单独灵活的操作控制。管片安装机通过这些机构的协调动作
把管片安装到准确的位置。
7.皮带输送机，皮带机用于将螺旋输送机输出的碴土传送到盾构后配套的碴车
里。皮带机由皮带机支架、前随动轮、后主动轮、上下托轮、皮带、皮带张紧装置、
皮带刮泥装置、和带减速器的驱动电机等组成。安装布置在后配套连接桥和拖车的上
面。为安全起见，其上设有3处急停开关。
8.盾构的拖车，属门架结构，用以安放液压泵站、注浆泵、砂浆罐及电气设备等。
拖车行走在钢轨上，用拉杆相连。皮带机从五节拖车的上面通过，在5号拖车的位置
处卸碴。绝大部分的液压管、水管、泡沫管及油脂管从拖车内通过到盾构主机。在拖
车的一侧铺设有人员通过的通道。拖车和主机之间通过一个连接桥连接，拖车在盾构
机主机的拖动下前行。
9.统及盾构的液压系统，包括主驱动、推进系统、螺旋输送机、管片安装机及辅助液压系统。主驱动系统和螺旋输送机液压系统共用一个泵站，安装在二号拖车上。主驱动系统和螺旋输送机液压系统各自为一个独立的闭式循环系统，这样可以保证液压系统的高效率及系统的清洁。
10.注脂系统，包括：主轴承密封系统，盾尾密封系统和主机润滑系统。三部分都以压缩空气为动力源，靠油脂泵油缸的往复运动将油脂输送到各个部位。主轴承密封可以通过控制系统设定油脂的注入量（次／分），并可以从外面检查密封系统是否正常。盾尾密封可以通过PLC系统按照压力模式或行程模式进行自动控制和手动控制，对盾尾密封的注脂次数及注脂压力均可以在控制面板上进行监控。当油脂泵站的油脂用完后油脂控制系统可以向操作室发出指示信号，并锁定操作系统，直到重新换上油脂。这样可以充分保证油脂系统的正常工作。
11.渣土改良系统，盾构机配有两套碴土改良系统：泡沫系统和膨润土系统。两者共用一套输送管路，在1号拖车处相接。
12.泡沫系统，盾构机配有一套泡沫发生系统，用于对碴土进行改良。泡沫系统主要由泡沫泵、高压水泵、电磁流量阀、泡沫发生器、压力传感器、管路组成。
13.膨润土系统，盾构机还准备加装一套膨润土注入系统。在确定不使用泡沫剂的情况下，关闭泡沫输送管道，同时将膨润土输送管道打开，通过输送泵将膨润土压入刀盘、碴仓和螺旋输送机内，达到改良碴土地目的。根据实际需要，可以把膨润土箱内装入泥浆注入土仓内。
14.注浆系统，盾构机采用同步注浆系统，可以使管片后面的间隙及时得到充填，有效的保证隧道的施工质量及防止地面下沉。盾构机配有两台液压驱动的注浆泵，它将砂浆泵入相应的注浆点，通过盾尾的注浆管道将砂浆注入到开挖直径和管片外径之间的环形间隙。注浆压力可以通过调节注浆泵工作频率而在可调范围内实现连续调整，并通过注浆同步监测系统监测其压力变化。单个注浆点的注入量和注浆压力信息可以在主控室看到。在数据采集和显示程序的帮助下，随时储存和检索砂浆注入的操作数据。
六、总结
盾构机隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、地面上不用大面积拆迁、不阻断交通、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。不过，大型盾构机技术附加值高、制造工艺复杂，国际上只有欧美和日本的几家企业能够研制生产。
七、结论
当前，中国已经成为世界最大的盾构机市场，我国盾构机市场需求旺盛。据有关专家预计，随着我国城市轨道交通的发展，各类盾构机的需求将进一步提升。
参考文献
[1]《矿山机械》,2008
[2]《工程机械》，2009
[3] 黄士基《土木工程机械》中国建筑工业出版社，第二版
新型土木工程机械
摘要:机械是人类进行生产斗争的重要武器，是用来减轻体力劳动和提高生
产力工具，又是衡量社会生产发展的重要标志。学习土木工程机械，让我
能更好的接触到新技术，让我的理论知识面得到扩充。接下来我就通过所
学到的知识详细介绍一种新型土木工程机械——盾构机。
关键词：盾构机、产生、原理、分类、组成、性能、发展
一、用途
盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集
光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、
测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科
技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进
机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。
二、起源
盾构机先于英国发明，发展于日本、德国。近些年来，通过对土压平衡式、泥
水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起
及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换，对一些恶劣
地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究解决，使盾构机有了很快的发展。
三、工作原理
盾构机的工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进
行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑
的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、
排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。
四、分类
盾构的分类较多，可按盾构切削面的形状、盾构自身构造的特征、尺寸的大小、
功能，挖掘土体的方式，掘削面的挡土形式，稳定掘削面的加压方式，施工方法，适
用土质的状况多种方式分类。例如，按照盾构组合命名分类：软土盾构机；硬岩盾构
机；混合型盾构机。
五、盾构机组成
1.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。刀盘应有足够的强度和刚度。刀
盘应有较大的开口率。针对地层的变化，能够方便地更换硬岩滚刀和软岩齿刀。刀盘
结构应有足够的耐磨强度。刀盘上应配置足够的渣土搅拌装置。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。
2.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。
3.中体，又叫支承环是盾构的主体结构，承受作用于盾构上的全部载荷。是一个
强度和刚性都很好的圆形结构，地层力、所有千斤顶的反作用力、刀盘正面阻力、盾
尾铰接拉力及管片拼装时的施工载荷均由中体来承受。中体内圈周边布置有盾构千斤
顶和铰接油缸，中间有管片拼装机和部分液压设备、动力设备、螺旋输送机支承及操
作控制台。中体盾壳上焊有带球阀的超前钻预留孔，也可用于注膨润土等材料。
4.盾尾及盾尾密封舱，盾尾主要用于掩护隧道管片拼装工作及盾体尾部的密封，
通过交接油缸与中体相连，并装有预紧式铰接密封。铰接密封和盾尾密封装置都是为
防止水、土及压注材料从盾尾进入盾构内。为减小土层与管片之间的空隙，从而减少
注浆量及对地层的扰动，盾尾做成一圆筒形薄壳体，但又要能同时承受土压和纠偏、
转弯时所产生的外力。盾位的长度必须根据管片的宽度和形状及盾尾密封的结构和道
数来决定。另外在盾尾壳体上合理的布置了8根盾尾油脂注入管和4根同步注浆管。
5.螺旋输送机，是土压平衡盾构机的重要部件。其作用是掘进渣土排出的唯一通
道；掘进时通过螺旋机内形成的土塞建立密封前方土仓内的压力，有效地抵御地下水。
螺旋输送机既要出土效率高，又要在喷涌时起到土塞作用，所以在螺旋器的结构分：
有心轴式和无心轴式，为达到土塞目的，在螺旋带上设一段空段或反向螺旋带。螺旋
带的支撑采用单侧轴承悬臂支承法，前端依靠渣土的悬浮力支承和平衡。在螺旋器壳
体内和螺旋带的前端均焊有耐磨合金条或耐磨合金粒，以保证其使用寿命。螺旋输送
机还设置了前、后端两个闸门，以控制其出土速度和建立、维持密封土仓内的土压平
衡。
6.管片安装机构，管片安装机由：大梁、支承架、旋转架及拼装头组成。大梁以
悬臂梁的形式安装在盾构中体的支承架上，支承架通过行走轮可纵向移动，旋转架通
过大齿圈绕支承架回转，旋转架上装有两个提升油缸用以实现对拼装头的提升和横向
摆动，拼装头与铰接的方式安装在旋转架的提升架上，安装头上装有两个油缸，用以
控制安装头的水平和纵向两个方向上的摆动。管片安装机的控制方式有遥控和线控两
种，均可对每个动作进行单独灵活的操作控制。管片安装机通过这些机构的协调动作
把管片安装到准确的位置。
7.皮带输送机，皮带机用于将螺旋输送机输出的碴土传送到盾构后配套的碴车
里。皮带机由皮带机支架、前随动轮、后主动轮、上下托轮、皮带、皮带张紧装置、
皮带刮泥装置、和带减速器的驱动电机等组成。安装布置在后配套连接桥和拖车的上
面。为安全起见，其上设有3处急停开关。
8.盾构的拖车，属门架结构，用以安放液压泵站、注浆泵、砂浆罐及电气设备等。
拖车行走在钢轨上，用拉杆相连。皮带机从五节拖车的上面通过，在5号拖车的位置
处卸碴。绝大部分的液压管、水管、泡沫管及油脂管从拖车内通过到盾构主机。在拖
车的一侧铺设有人员通过的通道。拖车和主机之间通过一个连接桥连接，拖车在盾构
机主机的拖动下前行。
9.统及盾构的液压系统，包括主驱动、推进系统、螺旋输送机、管片安装机及辅助液压系统。主驱动系统和螺旋输送机液压系统共用一个泵站，安装在二号拖车上。主驱动系统和螺旋输送机液压系统各自为一个独立的闭式循环系统，这样可以保证液压系统的高效率及系统的清洁。
10.注脂系统，包括：主轴承密封系统，盾尾密封系统和主机润滑系统。三部分都以压缩空气为动力源，靠油脂泵油缸的往复运动将油脂输送到各个部位。主轴承密封可以通过控制系统设定油脂的注入量（次／分），并可以从外面检查密封系统是否正常。盾尾密封可以通过PLC系统按照压力模式或行程模式进行自动控制和手动控制，对盾尾密封的注脂次数及注脂压力均可以在控制面板上进行监控。当油脂泵站的油脂用完后油脂控制系统可以向操作室发出指示信号，并锁定操作系统，直到重新换上油脂。这样可以充分保证油脂系统的正常工作。
11.渣土改良系统，盾构机配有两套碴土改良系统：泡沫系统和膨润土系统。两者共用一套输送管路，在1号拖车处相接。
12.泡沫系统，盾构机配有一套泡沫发生系统，用于对碴土进行改良。泡沫系统主要由泡沫泵、高压水泵、电磁流量阀、泡沫发生器、压力传感器、管路组成。
13.膨润土系统，盾构机还准备加装一套膨润土注入系统。在确定不使用泡沫剂的情况下，关闭泡沫输送管道，同时将膨润土输送管道打开，通过输送泵将膨润土压入刀盘、碴仓和螺旋输送机内，达到改良碴土地目的。根据实际需要，可以把膨润土箱内装入泥浆注入土仓内。
14.注浆系统，盾构机采用同步注浆系统，可以使管片后面的间隙及时得到充填，有效的保证隧道的施工质量及防止地面下沉。盾构机配有两台液压驱动的注浆泵，它将砂浆泵入相应的注浆点，通过盾尾的注浆管道将砂浆注入到开挖直径和管片外径之间的环形间隙。注浆压力可以通过调节注浆泵工作频率而在可调范围内实现连续调整，并通过注浆同步监测系统监测其压力变化。单个注浆点的注入量和注浆压力信息可以在主控室看到。在数据采集和显示程序的帮助下，随时储存和检索砂浆注入的操作数据。
六、总结
盾构机隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、地面上不用大面积拆迁、不阻断交通、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。不过，大型盾构机技术附加值高、制造工艺复杂，国际上只有欧美和日本的几家企业能够研制生产。
七、结论
当前，中国已经成为世界最大的盾构机市场，我国盾构机市场需求旺盛。据有关专家预计，随着我国城市轨道交通的发展，各类盾构机的需求将进一步提升。
参考文献
[1]《矿山机械》,2008
[2]《工程机械》，2009
[3] 黄士基《土木工程机械》中国建筑工业出版社，第二版