年，广州地铁一号线开始局部试运行，20多年过去，广州已是地铁网络纵横，在那幽黑的地下，深长的隧道通向远方——掘进，是钢铁蚯蚓不眠不休的工作。
这些不断掘进的“铁蚯蚓”就是盾构机。上节课，我们介绍了“铁蚯蚓的地下工程”，今天“广州科技解码公开课”进入到更精细的环节——盾构机的结构拆解。
老师阵容
竺维彬，轨道交通建设领域著名专家、复合地层盾构技术理论体系创立者。
米晋生，广州轨道交通盾构技术研究所专家。
祝思然，广州轨道交通盾构技术研究所工程师。
掘进，掘进
建地铁要挖隧道，挖隧道最需盾构机出场，那么盾构机是怎样工作的呢？
盾构机，顾名思义是“顶着护盾，构建隧道”的机器。隧道开挖最大的风险就是坍塌，盾构机厚厚的盾壳顶着周围土体，保护着作业工人与内部机器；前方刀盘上的刀具切削开挖面上的土；土渣掉落土舱，由土舱底部的螺旋出土器运到渣土车内，再被运出隧道；后方拼装管片(即隧道结构)，盾构往前掘进一环，就在盾尾处拼装一环管片，盾壳一直随着盾构掘进往前移动，而盾壳与管片始终存在一小段搭接，保证周围土体都被盾壳或者管片支撑着。
盾壳直径大于管片外径，所以盾壳与管片搭接处存在土体和水渗进隧道的风险，因此搭接处安装了盾尾密封；盾壳往前移动，后面脱出盾尾的管片背后与土体之间的空隙需要注浆填充。
最危险：上顶悬河，脑袋换刀
广州地铁盾构机行走在水网密布的珠江三角洲，不时要表演穿江越海的高难度动作；江底沉淀百万年的淤泥河沙裹挟着人类活动产物坐落在坚硬的岩层上，盾构机在这种上土下岩的复合地层中掘进，经常磕得“头破牙坏”，必须维修或更换刀具刀盘后才能继续前行。
进仓换刀是盾构施工风险最大的一个环节，作业人员必须暴露在开挖面下，一旦作业过程中开挖面不稳定发生塌方，作业人员就会被埋，几无逃脱可能；若隧道在江河底下，还存在河水倒灌淹没盾构机和隧道的风险。
年，华南某市地铁在建时，盾构机在填仓换刀过程中，由于局部沉降，上部供水管断裂，泥水涌入盾构机仓导致地面塌陷，形成一个直径约10米、深约3米的坑洞，毗邻塌陷点48户居民被紧急疏散。事故造成1人死亡，4人受伤。
盾构“一头一尾”是事故高发处，除了“头部”换刀，“尾部”有何危险？
盾构正常掘进过程中，盾构尾部与管片搭接处是隧道空间内唯一与地层直接相连的地方，若密封效果不好就存在渗漏的危险，在某些地层中(例如淤泥层、富水砂层)渗漏有可能引起重大风险事故。
如果盾构过程中采用密封油脂对“尾部”进行密封，同时施工各环节管理到位，是不应该发生渗漏问题的；当然对于一些特殊的工程，例如盾构机需要下穿河流，盾尾处的水土压力就会很大，在盾构选型时就要有针对性地加强密封。
最先进：双模盾构，冷冻刀盘
广州地铁在盾构施工过程中使用了哪些先进机器？
先看双模式盾构机。闭胸式盾构可分为土压平衡盾构和泥水平衡盾构，分别适用不同的地质条件。基于广州的复合地层，广州地铁提出双模盾构机的概念，以弥补复杂地质条件下单一盾构模式施工的缺陷；广东华隧联合日本三菱盾构机厂家生产土压/泥水双模式盾构机，并应用到广州地铁9号线溶洞发育的灰岩地层中，成为国内最早尝试双模盾构机的地铁隧道工程。
再看冷冻刀盘技术。基于进仓换刀是盾构施工最危险的一个环节，盾构机冷冻刀盘创新技术正是为解决这一难题而研发；通过在刀盘上设计布置冷冻装置，把刀盘周围的土体冻结成一块坚硬的“冻土屏障”，隔绝地下水，增加土体强度和稳定性，换刀作业得以安全进行。目前国内只有广州轨道交通建设监理有限公司代建的电力隧道应用过该技术。
威风凛凛的泥巴
由于复合地层地质的复杂性和当今行业技术的局限性，人工开仓检查、更换刀具、维修刀盘加固仍是必须经历的程序或环节。但开仓作业风险极大，据统计，国内各地近年已报道的开仓换刀事故近10起，伤亡人数超过20人。
目前，开挖面地层加固后常压开仓等技术存在不同程度的局限性，如加固成本高、受地面环境限制、质量难以保证等。尤其是在江河或建(构)筑物等特殊工况下，成熟的加固技术受限，带压进仓工法常常是唯一选择或最优选择。
带压开仓就好比在开挖的隧道中吹气球撑起保护伞，工人们在气球膜的保护下钻进盾构机刀盘背后维修刀具，气球膜不仅可以挡住汹涌的地下水和流沙，还能保证气球中的高压气体不泄漏，撑起地层的千钧重量，可想而知，对气球膜的闭气性要求是极高的。
面对这一盾构工程中世界性的难题，广州地铁牵头研发了“衡盾泥”材料及其配套的泥膜护壁带压开仓成套技术。“衡盾泥”材料绿色环保，具有黏糊糊的特性，既能渗透进地层提高开挖面的稳定性，又能在刀盘前面形成结构致密、保压效果好的泥膜，大大提高了开仓作业的安全性。
“衡盾泥”技术在科技成果鉴定中被评定达到国际领先水平，并荣获年广东省科学技术进步一等奖。国家最高科学技术奖获得者钱七虎院士评价：“‘衡盾泥’技术降低了盾构施工带压进仓的施工风险，大大提升了我国盾构工程技术水平，对盾构施工技术发展具有里程碑式的意义。”据悉，目前“衡盾泥”已在广州、福州、兰州、厦门等13个城市、40多个难点工程中拯救了多台次陷入困境的盾构。
盾构机结构拆解
滚刀：旋转破碎岩体，主要针对岩层。
刮刀：旋转切削土体，主要针对土层。
喷嘴：用来往开挖面喷水、喷泡沫或者其他土体改良剂，提高切削下来渣土的和易性，使渣土顺利地被排走。属于渣土改良系统，渣土改良相当于人类吃水果蔬菜，防止滞排。
螺旋排土机：将刀具切削下来的泥土和石块从密封仓内运送至皮带传送机上。
盾尾密封：盾尾和管片的搭接处设置的密封，以防止地下水土进入隧道内。
皮带传送机：把螺旋排土机后方排出的土体输送至渣土车上，最后由渣土车运出隧道。
控制室：控制盾构机推力、速度、方向等掘进参数的操作室。
台车：用于放置动力装置、供电系统、控制系统及其他辅助设备等。
管片组装机：将6片预制好的混凝土管片安装成圆形隧道，形成隧道结构。管片宽度较为常见的有1.2米、1.5米、2米三种。
盾构千斤顶：盾构机向前推进的动力装置，撑靴顶在管片上推动盾构机向前走。往前掘进达到一环管片宽度时，撑靴离开管片向前缩回，留出空隙组装管片，然后以组装好的管片为支撑点，继续推动盾构机向前掘进。
主驱动：驱动刀盘旋转。
密封仓：刀盘背后空间，盾构切削下来的渣土会进入密封仓内，同时也是更换刀具时的人员作业空间。
刀盘：在主驱动和盾构千斤顶的同时驱动下，一边旋转一边向前推进。刀盘上的刀具将盾构机前方的土体或岩层进行切削或破碎。刀盘相当于人体的口腔，牙齿(刀具)将食物咀嚼成小块物体。
文章来源：广州日报
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