盾构机操作与维护：特点与分类

1.1.2　盾构机的特点与分类

1.盾构机的分类

为适应各种不同的土质，所以形成盾构的种类繁多。

盾构机根据其适用的土质及工作方式的不同可分为开胸式、压缩空气式、泥水式、土压平衡式、组合式、插板式、多断面式盾构机以及微型盾构机等。

（1）按其构造特点和开挖方法，可归纳为以下4类。

A类：敞口式盾构或称普通盾构；

B类：普通闭胸式盾构或称普通挤压式盾构（半机械化盾构）；

C类：机械式闭胸盾构；

D类：TBM盾构。

（2）根据工作原理一般分为手掘式盾构、挤压式盾构、半机械式盾构（局部气压、全局气压）、机械式盾构（开胸式切削盾构、气压式盾构、泥水加压盾构、土压平衡盾构、混合型盾构、异型盾构）。

目前国际上常用的盾构机械可分为泥水加压式和土压平衡式两大类，遇到较复杂的地质情况也可采用混合式盾构机械。

1）开胸式盾构机

它是工作面全部或大部分敞开的结构，用于无地下水的地层开挖，如开挖面不能稳定，则应采取辅助方法使之稳定。可采用人工、半机械或机械方法开挖。

2）压缩空气式盾构机

在含水地层施工时，通过压缩空气来保持开挖面稳定，并防止地下水从开挖面涌入。压缩空气式盾构机还包括局部气压式盾构机。

3）泥水式盾构机

泥水加压式盾构机又称有压泥浆式盾构机，主要针对无黏聚力的滞水砂层、软塑性、流动性等特别松软地层中进行隧洞开挖而研制的，目前较广泛应用于各种软弱地层的施工。

4）土压平衡式盾构机

通过挖掘下来的土料作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土室土料增加，再由螺旋输送机旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输料器出土量（旋转速度）进行调节。因此螺旋输送器的取土速度必须调节适度，与切削的速度相适应。土压平衡式盾构机适用于地层稳定性较好、地下水位不高的情况。

5）复合式盾构机（也称混合式盾构机）

在同一条隧洞中，往往由于地质情况差异大，地层变化复杂，施工中遇到不同的问题，这就需要采取多种类型盾构机的相互转换，以适应地质条件对机械的要求。

其工作方式及开挖面稳定方法可根据沿开挖洞线上土质情况的变化而进行转换，因此适应范围较广，如一种组合可根据需要从土压平衡工作方式转换到泥水加压式工作方式，土料输送由螺旋输料器转换到由泥浆泵及管道输送。

6）插板式盾构机

也称插刀式盾构机，它由许多插刀组成，可以组合出不同的断面形状和尺寸。其推进靠设在插刀和支承框架之间的液压缸，将插刀以单插刀或成组插刀方式进行组合。当所有插刀都推进到一个行程距离时，所有液压油缸同步收缩，把支承框架向前拖动。

7）多断面式盾构机

一般盾构机一次只能开挖一个断面的隧洞，当需要开挖平行相邻且直径相同的两个或多个隧洞时，普通盾构机需施工两次或多次，而用一个大断面来包含以上两个或多个隧洞断面时，盾构机刀盘直径会过大，开挖时也存在浪费，而多断面盾构机，同一盾构机上有两个或多个（目前最多为3个）刀盘，两个刀盘之间有一小部分面积是重合的，这样一台盾构机的掘进即可同时挖掘出平行且相通的两个或多个隧洞。

8）微型盾构机(www.xing528.com)

对于一些输气、供排水和电缆隧道，直径较小，可用微型盾构机施工。微型盾构机从工作方式上也有土压平衡式和泥水式等多种，挖掘方式有机械刀具也有高压射流，由于洞径较小（一般为0.25～2.5m），衬砌不像大直径隧洞用管片拼装，而一般用预制管件由设在竖井处的顶管装置顶进，微型盾构机掘进时的推力也来自顶管装置。

除以上各种盾构机外，还有一些不常用的如刀盘可转向挖掘的盾构机（球体盾构机），可一次性挖掘有90°拐角的隧洞。再比如可挖掘方形、矩形、椭圆形等非圆形断面隧洞的盾构机，其挖掘过程靠主、辅刀头的配合，从而最终挖出异形断面隧洞。

盾构机的分类还可按直径分为特大、大、中、小及微型盾构机；按控制方式分有地面遥控（微型盾构机）和随机控制的盾构机；按开挖断面分有部分断面开挖和全断面开挖的盾构机等等。

2.多样化的盾构工法

由于密闭型盾构工法的实用化，对于开挖面的稳定和地基沉降等周边环境的影响变小了，盾构工法成为在地下铁道、上下水道、电力通信、道路、地下河渠等大规模的隧道工程施工条件不利情况下施工的主要技术方法。

此外，当进入20世纪80年代的后半时期，针对隧道施工中相应的规模、形状、线形、自动化、省力化、降低成本等多种需要，促使工程总承包商和制造商之间产生了激烈的技术竞争，主要技术表现在以下方面：

（1）大断面化

在解决了开挖面的稳定和物资、机械、材料组合的功效化课题的情况下，以φ14.14m 的横贯东京湾道路为代表，进行了大断面铁路、公路、地下河流等大直径隧道施工。

（2）大深度化

由于城市中比较浅的地下空间皆被相关的构筑物占据，新建隧道位置要求更深，要修建深度在地下60～70m的隧道，必须提高盾构机和管片的承压性、耐久性，这也是在大深度、高水压条件下施工的必备条件。

（3）长距离化

在过分密集的市中心位置，难以保证竖井用地的情况下，以降低造价为目的，要求使用1台盾构机作长距离的掘进。在此情况下，必须解决盾构机的耐久性、切削刀头的更换技术、掘削土渣的处理设备、物资器材高速度输向开挖面的设备等课题。现在已经完成了施工长度为6.5km 的工程实绩。

（4）断面的最佳化

通常情况下，工程费用与掘削断面成正比。此外，受到用地的制约，要求挖掘既满足使用目的的形状，又尽量减小断面面积的隧道。根据这样的需要，就不断地开发出了MF、DOT、H& V等多圆形、自由断面、MMST、偏心多轴等异形断面和扩大、球体等盾构工法应用到各种实际工程中。

（5）隧道衬砌、地下对接技术

作为缩短工期、降低造价的施工技术之一，采用了不使用预制管片衬砌块，而是在盾构中直接设置模板，在现场就地浇筑隧道衬砌的ECL工法。此种场合下，从两侧方向掘进而至的盾构机，在地层中进行盾构的接合，并结合地层土冻结工法，开发出MSD工法。

3.盾构的优缺点

（1）盾构的优点

1）盾构法隧道施工不受地面自然条件的影响。在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工。

2）盾构法隧道施工机械化、自动化程度高。盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、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。

3）地面人文自然景观受到良好的保护，周围环境不受盾构施工干扰。在松软地层中，能开挖埋置深度较大的长距离、大直径隧道。具有经济、安全、环保等优越性。

（2）盾构的缺点

1）需要隧道衬砌管片预制、运输、衬砌、衬砌结构防水及堵漏、施工测量、场地布置、机械安装等施工技术的配合，系统工程协调复杂。

2）施工过程改变断面尺寸困难；只能前进，不能后退，当隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工难度大，在饱和含水的松软地层中施工，地表沉陷风险较大。

3）盾构机制造周期长，造价较昂贵，盾构机的拼装、转移等较复杂，建造短于750m的隧道经济性差。