更新时间：2023-04-12 17:59
盾构隧道掘进机，简称盾构机或盾构( Shield Machine)，是一种使用盾构法的隧道掘进机，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、导向纠偏等功能。盾构机可以按照不同的分类方法进行分类：按开挖面是否封闭，可分为密闭式、半敞开式、敞开式三类；敞开式盾构机按开挖方式又可分为手掘式、半机械挖掘式和机械挖掘式三种；按平衡开挖土压与水压的原理不同，密闭式盾构机又可分为泥水式和土压式两种。盾构机由壳体、掘削刀盘、刀具、推进机构、挡土机构、搅拌机构、排土机构、管片拼装机构等组成，其在进行隧道施工时具有不受气候影响、自动化程度高、经济性好等特点，已广泛用于地铁、公路等隧道工程。
1818年，法国工程师马克·布鲁内尔（Marc 布鲁内尔大学）从船蛆在木头中钻洞，并从体内排出粘液加固洞穴的现象得到启发，开始研究用盾构法建设隧道，并在英国取得了专利。在1825到1843年间，布鲁内尔首次使用盾构机在伦敦的泰晤士河下修建了一条河底隧道，初步证明了盾构机在隧道施工中的价值。
1874年，英国工程师格雷蒙特（James Henry Greathead）在伦敦地铁南线的隧道建设中，首次采用了压缩空气盾构法工艺，解决了承压水地层中盾构机掘进的问题，并提出了在盾尾后的衬砌外围的环形空隙中的注浆的施工方法，奠定了现代盾构机施工的基础。
从19世纪末到20世纪中叶的60多年时间里，盾构机相继传入美国、法国、德国、日本、苏联等国家，并得到了不同程度的发展。20世纪70年代，针对松软含水地层中由于盾构机施工引起的地表沉陷问题，日本独创性地研制出土压式平衡式盾构机，德国也研制出由膨润土悬浮液支撑开挖面的泥水式平衡盾构机，使盾构机技术的发展有了质的飞跃。
之后，以多样化、自动化、混合式为特色的盾构机逐步出现，盾构机相关技术得到了迅猛发展，已成功应用于地铁、公路、铁路、市政、水电等隧道工程的建设。
土体由旋转刀盘的切削刀具切割下来，然后通过刀盘开口挤入土室内，与土仓内已有的粘性土浆混合。推进油缸的压力通过室壁传给土室内的土体，从而保证开挖面的的稳定。当土室内的土体不能再被土压力和水压力压紧时，就达到了土压平衡。这时，开挖面的土压约等于土室中土体的压力。当土室中土体的压力增加至超过平衡时的土压时，土室中的土体就会压紧开挖面的土体，并导致盾构机前方的地面隆起；当土室中土体的压力小于平衡时的土压时，通常会引起地面的下沉。
盾构机在切削土体掘进向前的同时，需要将挖下来的土及时输送出去。在土压平衡盾构机中，螺旋输送机从承压隔板的开孔处伸入土室进行排土，盾构机的挖掘推进速度和螺旋输送机的单位时间的排土量依靠压力控制系统保持协调，使土室内始终充满泥土，且土压与开挖面的土压保持平衡。在泥水式盾构机中，开挖的土料在土室中与支护液混合形成泥浆，支撑保护开挖面的泥浆同时又作为运送渣土的介质，泥浆被泵输送到地面后，通过处理设备将泥浆离析为土料与泥水，分离后的泥水经质量调整，可重新输送到土室，土料同时排出。
在掘进过程中要安装的管片由管片运输机车运抵，放置在管片输送车上。随着盾构机向前行进，已安装好的前一环管片的外表面与围岩之间形成间隙，因此要同步注入砂浆进行填充以防止地面沉降。完成掘进循环后，盾构机的一部分推进油缸回缩，为第一片管片留出足够的空间；其余的推进油缸和已经安装好的管片仍保持接触，以防止盾构机由于土压而后退。
由于底层土质不均匀、盾构机内机械设备工作时的阻力不一致、盾构机施工的动态变化等因素的影响，盾构机在地层推进过程中会出现偏向。盾构机的纠偏操作主要是使盾构机运动轨迹始终在设计轴线容许的偏差范围内，以保证隧道衬砌拼装在理想的位置上。可以通过调整千斤顶编组、调整开挖面阻力，即人为改变阻力的合力作用点位置等方式，形成纠偏力偶，控制盾构机轴线。
手掘式盾构机的正面是敞开的，通常设置防止开挖面塌的活动前檐及上承千斤顶、工作面千斤顶及防止开挖面坍塌的挡土千斤顶。开挖采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具人工进行。手掘式盾构机适应的土质是自稳性强的洪积层压实的砂、砂砾、固结粉砂和黏土。对于开挖面不能自稳的冲积层软弱砂层、粉砂和黏土，施工时必须采取稳定开挖面的辅助施工法，如压气施工法、降低地下水位、改良地层等。目前手掘式盾构机一般用于开挖断面有障碍物、巨砾石等特殊场合，而且应用逐年减少。
为防止开挖面顶面坍塌，半机械式盾构机内装备了活动前檐和半月形千斤顶。由于安装了挖掘机，再设置工作面千斤顶等支挡设备是较困难的。半机械式盾构机进行开挖及装运石渣都采用专用机械，配备液压铲土机、臂式刀盘等挖掘机械和皮带运输机等出渣机械，或配备具有开挖与出渣双重功能的机械，以图省力。半机械式盾构机适应土质以洪积层的砂、砂砾、固结粉砂和黏土为主。也可用于软弱冲积层，但需同时采用压气施工法，或采取降低地下水位、改良地层等辅助措施。
机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘，增大了盾构机的挖掘能力。开挖的土砂通过旋转铲斗和斜槽装入皮带输送机。由于开挖和排土能够连续进行，所需的工作人员减少，工作效率也得到了提升。在开挖自稳性较好的围岩时，机械式盾构机适应的土质与手掘式盾构机、半机械式盾构机一样，适用于洪积层。若应用于冲积层，则须采用压气施工法，或采用降低地下水位、改良地层等辅助措施。
半敞开式盾构机的主要类型是挤压式盾构机，又称为网格盾构机。挤压式盾构机是在开挖面的稍后方设置隔墙，在隔墙上设有孔口面积可调的排土口，盾构机正面贯入围岩向前推进，使贯入部位土砂流动，由孔口部位绞出，进行排土。挤压式盾构机的刀盘设计成网格状，同时配上可调的出土装置。施工时盾构机由后方油压千斤顶推进正面贯入围岩，使贯入部位土砂流动，由网格的开口处进入机器内部，进行排土。开挖面的稳定是靠调节开口大小，使千斤顶推力和开挖面土压力达到平衡来实现的。挤压式盾构机适用于自稳性很差、流动性很大的软黏土和粉砂质围岩，而不适用于含砂率高的围岩和硬质地层。若液性指数过高，则流动性过大，也不能获得稳定的开挖面。
泥水式盾构在机械式盾构机的前部设置隔墙，装备刀盘面板、输送泥浆的送排泥管和推进盾构机的盾构千斤顶，在地面上还配有分离排出泥浆的泥浆处理设备。开挖面的稳定是通过将泥浆送入泥水室内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜保持水压力，以对抗作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过处理设备离析为土粒和泥水，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。由于不能用目视直接检查开挖面围岩状态，所以采用一系列掘进管理系统进行集中管理。一般泥浆处理设备设在地面，相比于其它施工方法需要更大的用地面积，这是泥水式盾构机在城市区应用的不利因素。泥水式盾构机适用的地质范围很大，从软弱砂质土层到砂砾层都可以使用。
土压式盾构机把土料作为稳定开挖面的介质，必要时添加泡沫等对土壤进行改良，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，土压式盾构机推进时，其前端刀盘旋转开挖使土料增加，当土料充满土仓时，由于盾构机的推进作用，土料将对开挖面加压，当该加压压力与开挖地层的水压、土压之和相等时，开挖面达到稳定状态。为了维持这种稳定的状态，多出的土料需由螺旋输料器旋转运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量进行调节。土压平衡式盾构适用于含水量和粒度组成比较适中的松软土、黏土、砂质粉土、砂质黏土、夹砂粉黏土等土质，土砂可以直接从掘削面流入土舱及螺旋输送机。但对含砂粒量过多的不具备流动性的土质，不宜选用。
切口环部分位于盾构机的最前端，其前端设有刃口。在施工时切口环切入地层并掩护开挖作业，其刃口可以减少切土阻力对地层的扰动。切口环的长度主要取决于支撑形式、开挖方法、挖土机具和人员活动空间等，大部分手掘式盾构切口环的顶部比底部长，犹如帽檐，以增加掩护长度。机械式盾构机的切口环中，设置有各种挖土设备。在泥水式盾构机和土压式盾构机中，由于切口环部分的压力高于常压，故在切口环与支承环之间需用密闭隔板隔开。
支承环紧接于切口环后，位于盾构机的中部，是一个刚性较好的圆环结构。支承环为基本的承载结构，所有地层土压力、千斤顶的顶力、切口、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载均由支承环承担。支承环的外沿要布置盾构推进千斤顶。大型盾构机的所有液压、动力设备、操纵控制系统、衬砌拼装机具等均设在支承环位置。中、小型盾构则可把部分设备移到盾构后部的车架上。正面局部加压盾构，当切口环内压力高于常压时，支承环内要设置人工加压与减压闸室。
盾尾一般由盾构外壳钢板延长构成，主要用于掩护隧道衬砌的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及注浆材料从盾尾与衬砌之间进入盾构内。盾尾密封装置损坏时，还要在盾尾部分进行更换。因此，盾尾长度要满足以上各项工作的进行。盾尾厚度从结构上考虑应尽可能减薄，但盾尾除承受地层土压力外，遇到隧道纠偏及弯道施工时，还有一些难以估计的施工荷载，受力情况复杂，所以其厚度应综合多种因素来确定。
面板式刀盘一般为焊接箱形结构，由辐条、切削刀具、槽口及面板组成。通过面板式刀盘直接支撑开挖面，可以防止开挖面过度坍塌，有利于开挖面稳定，并可以通过控制槽口的开度来调节土砂排出量和掘进进度。其缺点是开口率较小，掘削黏土层时，易发生黏土黏附面板表面，妨碍刀盘旋转，进而影响掘削质量，且刀盘负荷大，已磨损。
辐条型刀盘由辐条及布置在辐条上的刀具构成。其优点是设备造价低，扭矩阻力小，开口率大，提高了排出土体的量和颗粒大小，并将土舱内的土压力有效地传递给开挖面，适用于淤泥质地层、砂层及粒径不大的砂卵石地层。其缺点是对于地下水压大、易坍塌的土质而言，易喷水、喷泥，且不能限制大粒径的卵石进入土室，对开挖面的支护效果较差。
辐板式刀盘由较宽的辐条和小块辐板组成，切刀和滚刀分别布置在宽辐条的两侧和内部。辐板型刀盘兼有面板型和辐条型刀盘的特点，其辐板结构可以保证在掘进时对前方土体有较好的支护能力，同时又能保证足够的开口使渣土流入，兼顾安全性和效率。
切削类刀具的组成部件主要有刀体和刀头。切削类刀具主要用于岩土的开挖面，在刀盘推力下，产生沿刀盘轴向的切削力，刀具随刀盘旋转时，产生沿刀盘切向的切削力，在岩土上形成梨沟。如果切削的岩土硬度不大的话，岩土会在刀具的作用下变成渣土脱落；在岩土硬度较大时，刀具在岩土上造成裂纹，在重复的切削下，裂纹贯通，会像岩石切削一样脱落。
滚动类刀具由刀圈、刀体、刀轴、浮动密封和端盖组成。开挖地层为硬岩时，采用滚动类刀具。安装在盾构机刀盘上的滚动类刀具，在刀盘推力下压到岩石上，同时刀具绕自身轴线自装和随刀盘公转，岩石被压崩脱落火灾岩石内部形成裂纹，相邻刀具产生的裂纹贯通时，大块岩石将会脱落。
盾构的推进机构安装在支承环内，主要由沿着支承环内侧周向按照一定方式布置的液压千斤顶组成，液压千斤顶前端与盾壳接，后部活塞杆端装有撑靴。在推进过程中，千斤顶活塞杆伸出，撑靴顶在后部已拼装好的一环管片上，这样就形成了盾构向前推进的力。同时推进系统还承担着盾构曲线施工的重要作用，由于推进千斤顶可以进行独立控制，因此可以只设置部分千斤顶推进，从而实现了盾构往多个方向偏转。
挡土机构的作用主要是防止掘削时开挖面地层的坍塌和变形，确保开挖面稳定。对于全敞开式盾构机而言，其主要的挡土机构是挡土千斤顶；对于半敞开式网格盾构机而言，其挡土机构是网格状面板；对于泥水式盾构机而言，其挡土机构是泥水舱内的加压泥水和刀盘面板；对于土压式盾构机而言，其挡土机构是土舱内的掘削加压土和刀盘面板。
搅拌机构属于专用机构，主要是针对泥水式盾构机和土压式盾构机而言。在土压式盾构机中，搅拌机构作用是搅拌注入添加剂后的舱内掘削土砂，提高其流塑性，防止堆积黏固，提高排土效果。而对于泥水式盾构机，搅拌机构的作用是使掘削土砂在泥水中混合均匀，以利于排泥泵将混有掘削土砂的泥浆排出。
根据盾构机类型的不同，排土机构也有区别。在全敞开式或半敞开式机械盾构机中，排土系统一般由铲斗、滑动导槽、漏土斗、带式输送机等构成。在泥水式盾构机中，排土机构由泥水循环系统实现。新鲜的泥水在泥水泵的作用下经进泥管进入泥水舱后，和刀盘掘削下来的渣土充分混合，然后由排泥管排出至地表的泥水处理系统，富含掘削渣土的泥水经过多级渣土分离和泥水处理后，重新开始新一轮循环。在土压盾构机中，排土机构由螺旋输送机、排土控制器及盾构机以外的泥土运出设备构成。螺旋输送机的功能是把土舱内的掘削土运出，经排土控制器送给盾构机外的泥土运出设备。螺旋输送机分为带式和轴式两种：对于高水压和砂土，一般选用轴式，保持压力效果较好；带式多用于砾石层，可以较方便地排出大砾石，且因为中心开口较大，保持压力效果不佳，故常在出口处设置滑动闸门等止水装置。
管片拼装机构设置在盾构机的尾部，由管片拼装机械手和真圆保持器构成。管片拼装机械手是在盾尾内把管片按照所定形状安全、迅速地拼装成环的装置，包括搬运管片的钳夹系统和上举、旋转、拼装系统。当盾构机向前掘进时管片拼装环就从盾尾脱出。由于管片接头缝隙、自重力和土压的作用原因，管片环会产生横向变形，使横断面成为椭圆形，使得前面装好的管片环和现拼的管片环在连接时会出现高低不平（错台）的情况，给安装纵向螺栓带来困难，因此为了避免管片环的高低不平，需要采用真圆保持器。
在盾构机支护下进行地下工程施工，不受地面交通、河道、航运、气候条件等因素的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工。
盾构机的掘进、出土、衬砌拼装等可实现自动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度较快，施工劳动强度较低。
盾构机适用地层范围大，从软土、砂卵石、软岩到岩层均可使用。
盾构机地表占地面积小，挖土、出土量少，有利于减少成本。
盾构机造价较昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂，且在施工时需要设备制造、施工测量、场地布置等施工技术的配合，工程协调复杂。
盾构机要求的施工条件较高。隧道曲线半径过小或隧道埋深较小时，施工难度较大；隧道覆土较浅时，开挖面难以稳定，盾构机施工的安全性也难以保证。
福州2号线厚庭站至橘园洲站区间总长2.827km，站间距为2号线最长，其中过江段长度约为1700m，掘进横穿的乌龙江为强透水地层，存在大粒径卵石，穿越难度巨大淤泥质土、密实卵石层地质条件，针对这些情况研制的直径为6480mm泥水气压平衡式盾构机，采用大开口率刀盘设计及先行刀具布置、泥水控制系统（气泡仓控制技术、可逆洗的泥水循环技术、泥水分流器设计技术)、破碎机设计、三通球阀式接管设计等技术。盾构机在该区间施工未曾出现刀盘结泥饼、出现盾构下沉、结泥饼、喷涌、塌方、频繁换刀、掘进困难等问题，并实现2660m连续掘进未换刀的记录。
日本东京湾公路全长15.1km，其海上部分9.1km的海底盾构隧道、4.4km的海上桥梁、引道三大部分组成。由于海底道路隧道断面巨大，且位于海平面以下60m处的东京湾海底地层中施工，所以施工面临的条件极为苛刻。东京湾海底隧道的建造，是由8台直径为14.14m的超大型泥水平衡式盾构机在海底地层中穿越接通。东京湾道路隧道盾构机掘进的最大特征是大直径、高水压，盾构机需在海底软弱地基中进行长距离的掘进，并自动化拼装管片。