盾构的种类及选型

第四章盾构的种类及选型
4.1 盾构机的种类
盾构的分类方法较多，可按盾构切削断面的形状；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；适用土质的状况等多种方式分类。

见表4.1。

1. 按挖掘土体的方式分类
按挖掘土体的方式，盾构可分手掘式盾构、半机械式盾构及机械式盾构三种。

①手掘式盾构：即掘削和出土均靠人工操作进行的方式。

②半机械盾构：即大部分掘削和出土作业由机械装置完成，但另一部分仍靠人工完成。

③机械式盾构：即掘削和出土等作业均由机械装备完成。

2. 按掘削面的挡土形式分类
按掘削面的挡土形式，盾构可分为开放式、部分开放式、封闭式三种。

①开放式：即掘削面敞开，并可直接看到掘削面的掘削方式。

②部分开放式：即掘削面不完全敞开，而是部分敞开的掘削方式。

③封闭式：即掘削面封闭不能直接看到掘削面，而是靠各种装置间接地掌握掘削面的方式。

3. 按加压稳定掘削面的形式分类
按加压稳定掘削面的形式，盾构可分为压气式、泥水加压式，削土加压式，加水式，加泥式，泥浆式六种。

①压气式：即向掘削面施加压缩空气，用该气压稳定掘削面。

②泥水加压式：即用外加泥水向掘削面加压稳定掘削面。

③削土加压式（也称土压平衡式）：即用掘削下来的土体的土压稳定掘削面。

④加水式：即向掘削面注入高压水，通过该水压稳定掘削面。

⑤泥浆式：即向掘削面注入高浓度泥浆（ ＝1.4g/cm3）靠泥浆压力稳定掘削面。

⑥加泥式：即向掘削面注入润滑性泥土，使之与掘削下来的砂卵混合，由该混合泥土对掘削面加压稳定掘削面。

4. 组合分类法
这种分类方式是把2、3两种分类方式组合起来命名分类的方法（见表4.2）。

这种分类法目前使用较为普遍，是隧道标准规范盾构篇中推荐的分类法。

这种方式的实质是看盾构机中是否存在分隔掘削面和作业舱的隔板。

全开放式盾构不设隔板，其特点是掘削面敞开。

掘削土体的形式可为手掘式、半机械式、机械式三种。

这种盾构适于掘削面可以自立的地层中适用。

掘削面缺乏自立性时，可用压气等辅助工法防止掘削面坍落稳定掘削面。

部分开放式盾构，即隔板上开有取出掘削土砂出口的盾构，即网格式盾构也称挤压式盾构。

表4.1盾构分类表
第4章135
封闭式盾构是一种设置封闭隔板的机械式盾构。

掘削土砂是从位于掘削面和隔板之间的土舱内取出的，利用外加泥水压或者泥土压与掘削面上的土压平衡来维持掘削面的稳定，所以封闭式有泥水平衡式和土压平衡式两种。

进而土压平衡式又可分为真正的土压平衡式和加泥平衡式；加泥平衡式又分为加泥和加泥浆两种平衡方式。

表4.2 盾构组合命名分类法
5. 按盾构切削断面形状分类
按盾构切削断面形状，盾构可分为圆形、非圆形两大类。

圆形又可分为单圆形、半圆形、双圆搭接形、三圆搭接形。

非圆形又分为马蹄形、矩形（长方形、正方形、凹、凸矩形）、椭圆形（纵向椭圆形、横向椭圆形）。

6. 按盾构机的尺寸大小分类
按盾构机的尺寸大小，盾构机可分为超小型、小型、中型、大型、特大型、超特大型。

超小型盾构系指D（直径）≤1m的盾构，
小型盾构系指1m＜D≤3.5m的盾构，
中型盾构系指3.5m＜D≤6m的盾构，
大型盾构系指6m＜D≤14m的盾构，
特大型盾构系指14m＜D≤17m的盾构，
超特大型盾构系指D＞17m的盾构
7. 按施工方法分类
按施工方法分类盾构可分为二次衬砌盾构，一次衬砌盾构（ ECL工法）。

二次衬砌盾构工法：即盾构推进后先拼装管片，然后再作内衬（二次衬砌）也就是通常的方法。

一次衬砌盾构工法：即盾构推进的同时现场浇注混凝土衬砌（略去拼装管片的工序）工法也称ECL工法。

8. 按适用土分类
按适用土质，盾构可分为软土盾构、硬岩盾构及复合盾构。

软土盾构：即切削软土的盾构，
硬岩盾构：即掘削硬岩的盾构，
复合盾构：既可切削软土，又能掘削硬岩的盾构，
4.2全敞式盾构机
前面业已指出，全敞式盾构机的特点是掘削面呈敞露状态，故挖掘状态是干状态，所以出土效率高。

这种形式的盾构可据其机械化程度的差异，进而分成人工式、半机械式、机械式三种。

全敞开式盾构机适用于掘削面自稳性好的地层（如洪积层压砂、砂砾、固结粉砂及粘土）。

对自稳性差的冲积地层（如冲积层中的砂层、粉砂层及粘土层）而言，应辅以压气、降水、注浆加固等措施，以便确保掘削面的稳定。

这里就这种盾构的三种形式（人工式、半机械式、机械式）分别作一简单介绍。

4.2.1人工式盾构机
人工掘削盾构机的构造如图4.1所示。

因为手工掘削盾构机的前面是敞开的，所以盾构机的顶部装有防止掘削面顶端坍落的活动前檐和使其伸缩的千斤顶。

掘削面上每隔2～3m设一道工作平台，即分割间隔为2～3m。

另外，在支承环柱上安装有正面支承千斤顶。

掘削从上往下，掘削时按顺序调换正面支承千斤顶，掘削下来的土砂从下部通过皮带传输机输给出土台车。

掘削工具多为鹤嘴锄、风镐、铁锹等。

该盾构机对于途中存在障碍物、断面形状特殊及短距离等情形均较适合。

与封闭式盾构相比，价格便宜20～40%。

图4.2示出是掘进距离70m，有障碍物的人工式盾构工程的施工示意图。

图4.2 手掘式盾构工法实例示意图
4.2.2 半机械式盾构机
图4.1 手掘式盾构机
半机械式盾构是在敞开式人工式盾构机的基础上安装掘土机械和出土装置，以替代人工作业。

掘土装置有铲斗、掘削头及两者兼备等三种形式，详见图4.3。

具体装备形式如下：
（1）铲斗、掘削头等装置设在掘削面的下部。

（2）铲斗装在掘削面的上半部，掘削头装在下半部。

（3）掘削头装在掘削面的中心。

（4）铲斗装在掘削面的中心。

选择哪种形式可据土质状况、掘削面的自立程度、保证操作人员安全等条件选择。

图4.3掘削铲斗装入装置构成形式图
图4.4半机械盾构构造图
图4.4示出的是铲斗式半机械盾构的构造图。

半机械式盾构由铲斗、铲斗千斤顶、臂架、臂千斤顶、主机架等部件组成。

掘土作业由铲斗千斤顶（2只）和机架千斤顶控制，铲斗可作上下、左右及旋转运动。

掘削时操作人员可直接观察掘削状况。

盾构的顶部与人工式盾构相同，装有活动前檐和正面支承千斤顶等部件。

4.2.3 机械式盾构机
机械式盾构的构造如图4.5所示。

盾构机的前端装有旋转刀盘，故掘削能力大增。

掘削下来的土砂由装在掘削刀盘上的旋转铲斗，经过斜槽送到螺旋输送机。

由于掘削和排土连续进行，故工期缩短，作业人员减少。

图4.5机械式盾构的构造
4.3 挤压盾构
1 工作原理
当敞开式盾构在地质条件很差的N < 5的冲积粉砂土、粘土层中掘进时，由于土体的流塑性大的原因，往往发生土体从掘削面流入盾构内舱的现象，即引起掘削面坍塌，导致掘削无法正常进行。

这种场合下可在盾构（机内）靠近掘削面的地方设置一道隔板（该隔板上设有多个大小（面积）可调的土砂排放口）把掘削面封闭起来。

这种封闭后的盾构从正面看上去隔板上存在着许多网格（见照片4.1）,故此得名网格盾构。

照片 4.1 网格式盾构机实物照片
网格盾构的工作原理如下：当盾构的推进千斤顶发力把盾构切口环挤入前方地层时，由于掘削面上的土体受到挤压，故发生塑性流动，由土砂排放口被挤出。

故网格盾构也称挤压盾构。

为便于盾构推进，提高正面支承的效果，在盾构的正面设置土体导向板和控制土砂排放口开度（即开放面积与总面积的比）的闸门，该闸门由千斤顶控制。

在推进速度
一定的条件下，调节闸门的开度，即可维持掘削面的稳定。

土砂排放口的开度大小取决于土质和掘进速度。

开度过大，出土量过多，导致周围地层沉降；相反，开度过小，出土量太少，导致盾构挤入地层的阻力增大，使地层发生隆起。

所以根据土质条件正确地确定开度，控制土量是挤压盾构成功的关键。

2 适用地层
挤压盾构适用于流塑性高N<10、无自立性的软粘土层和粉砂层。

总结以往的施工经验知道，挤压盾构工法适用的土质范围如图4.6所示。

当土体含砂率在20%以下、液化指数在0.8以上、内聚力小于50kPa时，土砂排放口的开度一般为（2～0.8）%。

挤压盾构不适于含砂率高的地层和硬地层。

另外，对液化指数特高的地层或者流动性过大的地层而言，掘削面的稳定性较差。

3 优缺点
挤压盾构工法的优点是盾构机构造简单、造价低。

由于盾构是挤入地层的，故盾构通过时地层隆起，通过后直到被扰乱地层恢复稳态期间，地层呈现沉降。

该工法与土压盾构工法、泥水盾构工法相比，其沉降量、隆起量均大。

这也是该工法的一个致命的弱点。

加之该工法的地层适用范围窄，故近年来该工法的施工实例极少。

图4.6 挤压盾构适用地层状况
4.4 盾构工法的选择
1.盾构与土质的关系
表4.3 盾构机与适用土质、辅助工法的关系
注（1）手掘式盾构、半机械掘削式盾构、机械掘削式盾构、网格式盾构，原则上采用气压工法。

无：不使用辅助工法○：原则上适合条件 A：化学注浆工法
有：使用辅助工法△：使用时须加讨论 B：降水法
×：原则上不适合的条件
-：特殊情况下也可以使用
（2）○主要表示希望选定的工法，但是也包括部分土质不适合的不得不采用的情形。

第4章141
详尽地掌握好各种盾构工法的特征是确定盾构工法的关键。

其中，选择适合土质条件的确保工作面稳定的盾构机种及合理辅助工法最重要，表 4.3示出了盾构机种与适用土质、辅助工法的关系。

此外，盾构的外径、覆盖土厚度、线形（曲线施工时的曲率半径等）、掘进距离、工期、竖井用地、路线附近的重要构造物、障碍物等地域环境条件的考虑也至关重要。

当然还应考虑安全性和成本，通常要求按上述综合考虑选定合适的盾构。

这里对表4.3中示出的各种盾构的适用土质条件简介如下：
（1）手掘式盾构；手掘式盾构由于头部敞开的缘故，对于硬软间杂的开挖面以及砾石、卵石等地基比较适用，一般采用压气施工保持开挖面的稳定性。

但是这一盾构型式是以开挖面能够长时间自立稳定为基本条件。

在开挖面不够稳定时需通过化学注浆进行地基加固，在地下水位较高会由涌水而影响开挖面稳定性时需采取降水等辅助措施。

一般来说，洪积形成的砂砾、砂、固结粉砂、粘土层易于自立稳定，最适于这种型式的使用。

冲积形成的松散砂、粉砂、粘土层由于开挖面不能够自立稳定，所以需要采用辅助措施。

这种型式的盾构是盾构的原型，虽然直到70年代末期一直得到广泛的使用，但最近由于不依靠辅助施工的闭胸式盾构的增加使其使用例已变得极少。

（2）半机械式盾构；一般来说半机械式盾构适用于开挖面可以自立稳定的围岩条件。

适合的土质主要是洪积形成的砂砾、砂、固结粉土及粘土，对于软弱的冲积层是不适用的。

在使用压气施工、地下水降低施工、化学加固等辅助施工方面与手掘式盾构相同。

（3）机械式盾构：机械式盾构在头部安装有可连续开挖土砂的旋转刀盘。

刀盘可分为面板型和轮辐型。

面板型是通过面板来维持开挖面稳定、并通过开口率解决块石、卵石的排出问题；轮辐型一般用于开挖面易于稳定的小断面盾构，针对块石、卵石而使用。

机械式盾构与手掘式盾构、半机械式盾构相同，主要用于开挖面可以自立稳定的洪积地层中。

对于开挖面不易自立稳定的冲积地层应结合压气施工、地下水降低施工、化学加固施工等辅助措施而使用。

（4）挤压式盾构：挤压式盾构最适合于冲积形成的粉质砂土层。

由于是从开口部取出土砂，所以不能用于硬质地层。

另外，砂粒含量如太大的话会出现土砂的压缩而造成堵塞；相反如果地基的液性指数太高的话则很难控制土砂的流入，会出现过量取土的现象。

为了获取合适的推进力，必须通过研究土质条件、开挖面开口比来决定。

由于能够适用的地基非常有限，加之所引起的地基变形比较大，所以近几年已没有应用的实例。

（5）泥水加压式盾构：一般比较适合于在河底、海底等高水压力条件下隧道的施工。

泥水加压式盾构适用于冲积形成砂砾、砂、粉砂、粘土层、弱固结的互层地基以及含水率高开挖面不稳定的地层；洪积形成的砂砾、砂、粉砂、粘土层以及含水很高固结松散易于发生涌水破坏的地层，是一种适用于多种土质条件的盾构型式。

但是对于难以维持开挖面稳定性的高透水性地基、砾石地基，有时也要考虑采用辅助施工方法。

（6）土压平衡式盾构：土压平衡式盾构适用于含水量和粒度组成比较适中的粉土、粘土、砂质粉土、砂质粘土、夹砂粉粘土等土砂可以直接从掘削面流入土舱及螺旋排土器的土质。

但对含砂粒量过多的不具备流动性的土质，不宜选用。

（7）泥土压式盾构：是一种适应含砂量过高而不具备流动性，通过添加水、泥水及添加料使泥土压力可以较好地作用到掘削面上，且可使掘削土砂的流动性增加，通过排土器顺利排出的盾构。

泥土压式盾构适用于冲积砂砾、砂、粉土、粘土等固结度比较低的软弱地基；洪积地基以及软硬相间的互层等地基，在土质方面的适用性是最广泛的。

但是，在高水压地基中，仅用螺旋排土器难以保持开挖面的稳定性，还需采用安装保持压力的过滤器、连接压送泵、改良切削土等方法。

2.盾构工法的选定程序
侧重于土质条件的选择盾构工法的程序如图4.7所示。

3.实例
这里给出一些被实际工程证实过的成功的选择盾构工法的实例。

这些实例对类似的工程设计均有一定借鉴价值。

有的实例设计中甚至可以直接套用。

（1）掘削地层是工作面自立性好的粘土层，或者间隙水压0.1MPa以下的砂、砂砾层，上部覆盖层是不透气的粘土层，且厚度一般不低于10m的情形下，可选用开放式压气盾构，为了提高工作效率宜选用半机械掘削盾构机。

（2）掘削地层具自立性，上部存在连续的粘土层，地下水位较低，这种情形可选用压气的手掘式盾构。

若地层中存在直径较大的漂砾（最大直径800mm）时，可不装反铲设备。

（3）某供水隧道工程的掘进地层是高水压的砂砾层（砾径300mm以下）和洪积粘土层的互交层，工区内存在铁路、河流及邻近构造物，但有可确保泥水处理设备的场地，故选用泥水式盾构工法。

（4）某供水隧道工程的掘进地层以粘土为主，间隙水压较高，地层中存在甲烷气体，工区内存在铁道、高速公路、施工中选用泥土式盾构工法。

掘削地层是间隙水压高的砂砾和洪积粘土的互交层时，也可选用泥土式盾构工法，但对这种情形应选用合适的泥材，并对工作面进行认真的监测管理。

（5）掘削地层是含大漂砾的含水的粉砂层、洪积粘土层的互交层，且间隙水压高，施工路线须横穿铁道、河流、道路，这种情形应考虑采用泥土式盾构工法。

作为应付含大漂砾的砂砾层的措施，可在面板前安装盘形滚刀破碎漂砾，用旋转排土装置防止地下水剧涨造成的螺旋输送机内的掘削土的喷射，以此确保工作面的稳定。

另外，途中设立中间竖井对切削刀头和面板进行检修。

（6）掘削地层是砂砾层、砂层、洪积粒土层的互交层，间隙水压高、盾构机须横穿铁道、河流，故选用泥土式盾构工法。

对漂栎的处理措施同前。

图 4.7盾构工法选定程序图第4章144。