盾构机基本原理及分类
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• 1917年，日本引进盾构施工技术，是欧美 国家以外第一个引进盾构法的国家。 • 1963年，土压平衡盾构首先由日本Sato Kogyo公司开发出来。
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1963年Sato Kogyo公司土压平衡盾构
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1865年，英国的布朗首次采用圆形盾构和铸 铁管片，1869年用圆形盾构在泰吾士河下修 建外径2.2m的隧道。在地下水方面没遇到什 么困难。
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• 1874年，工程师格瑞海德发现在强渗水性 的地层中很难用压缩空气支撑隧道工作面 ，因此开发了用液体支撑隧道工作面的盾 构，通过液体流，以泥浆的形式出土。 • 1886年，格瑞海德在伦敦地下施工中将压 缩空气方法与盾构掘进相组合使用，在压 缩空气条件下施工，标志着在承压水地层 中掘进隧道的一个重大进步，20世纪初， 大多数隧道都是采用格瑞海德盾构法修建 的。
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• 1、国外盾构法隧道的起源及发展史 • 1806 年，法国的布鲁诺尔 (M.I.Brune1) 从 蛀虫钻孔得到启示，最早提出了用盾构法 建设隧道的设想，并在英国取得了专利。
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• 此后，布鲁诺尔逐步完善了盾构结 构的机械系统，设计成用全断面螺 旋式开挖的封闭式盾壳，衬彻紧随 其后的方式。
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M.I.Brunel 螺旋盾构，1818
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• 1825 年，他第一次在伦敦泰晤土河下开始 用一个断面高 6.8m 、宽 11.4m，并由 12 个邻 接的框架组成的矩形盾构修建隧道。每一 个框架分成3个舱，每一个舱里有一个工人 ，共有36个工人。
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(2)．盾构掘进不受地形、地貌、江河水域等
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地表环境条件的限制。 (3)．地表占地面积小，故征地费用少。 (4)．适用于大深度、大地下水压施工，相对 而言施工成本低。 (5)．施工不受天气（风、雨、……）条件限 制。 (6)．挖土、出土量少、利于降低成本。 (7)．盾构工发构筑的隧道的抗地震性好。 (8)．适用地质情况范围宽，软土、砂卵土、 软岩、直到岩层均可使用。
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• 1974年第一台土压平衡盾构在东京被采用 。该盾构由日本制造商IHI（石川岛播磨） 设计，其外径3.72m，掘进了1900m的主管 线。 • 在以后的年代里，很多厂商以土压盾构、 压力保持盾构、软泥盾构、土壤压力盾构 、泥压盾构等名称生产了“土压平衡盾构”。 所有这些名称的盾构都应有了同一种工法 国际上称为“土压平衡系统”（EPBS）。
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反铲挖掘盾构
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悬臂掘进盾构
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3、机械式开挖 机械式开挖又称全断面机械开挖。紧贴开挖面的 旋转刀盘进行全断面开挖，即从掘削到出土作业 均由机械完成。 主要优点： （1）开挖的隧道面精准，无超挖。 （2）在掘进过程中，隧道断面轮廓保持不变。 （3）隧道工作面形式可根据其稳定性进行优化，特 别是土层需要支撑的情况下。
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日本东京湾海底隧道泥水式盾构机
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1992年，日本研制成世界上第一台三圆泥水加压式盾构，并成功地用于 大阪市地铁7号线“商务公园站”车站工程施工。
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2、我国盾构机的发展历程
• 纵观我国盾构法隧道的发展历程，大体上 可以分为三个阶段： • 起步阶段(20世纪60年代-80年代初)； • 平稳发展阶段(20世纪80年代中-2000年)； • 快速发展阶段。
盾构构造及应用
绪论
2018年8月9日星期四11 时6分50秒 盾构构造及应用 1
绪论
1、盾构及其基本工作原理 2、盾构法的优缺点 3、盾构施工开挖及支撑方式 4、盾构机的分类 5、盾构的发展简史
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第一节 盾构及其基本工作原理
一、盾构的定义
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• 1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助 解决隧道涌水。 • 1866年，莫尔顿申请“盾构”专利。盾构最初 称为小筒（cell）或圆筒（cylinder），在莫 尔顿专利中第一次使用了“盾构”（shield） 这一术语。
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2008年3月31日发布的《盾构法隧道 施工与验收规范》定义：盾构是盾构 掘进机的简称，是在钢壳体保护下完 成隧道掘进、拼装作业，由主机和后 配套组成的机电一体化设备
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第一节 盾构及其基本工作原理
二、盾构法施工的基本原理 盾构机的基本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 隧洞段起着临时文撑的作用，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。
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第五节 盾构的发展简史
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布鲁诺尔构想的盾构机机械内部结构由不同 的单元格组成，每一个单元格可容纳一个 工人独立工作并对工人起到保护作用。采 用的方法是将所有的单元格牢靠地装在盾 壳上。
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1989年，日本最引人注目的泥水盾 构隧道工程开工。东京湾海底隧道 长10km，是世界最长公路专用海底 隧道，用八台直径14.14m泥水加压
式盾构施工。
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日本东京湾海底隧道盾构机示意图
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第一条隧道施工的盾构机
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• 泰晤士河下的隧道工程施工期间遇 到了许多困难，在经历了五次以上 的特大洪水后，直到1843年，经过 18年施工，完成了全长458m的第一 条盾构法隧道。
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1828年1月12日泰晤土河水涌入盾构机
适用于地层：由于不适于抵御水压，因此只 适用于干的或排干的地层
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2、机械工作面支撑 （1）板条支撑 （2）活动工作面支撑 （3）封闭切削轮支撑
手动掘削 机械部分断面开挖 全断面开挖
以上支撑方式只适用于抵御土压等低渗透性地层 掘进
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• 布鲁诺尔发明盾构法之后的另一个技术进 步是用机械开挖代替人工开挖。第一个机 械化盾构专利是1876年英国人约翰· 荻克英 森· 布伦敦和姬奥基· 布伦敦申请的。 • 这台盾构有一个由几块板构成的半球形的 旋转刀盘，开挖的土料落入径向装在刀盘 上的料斗中，料斗将渣料转运至胶带输送 机上，再将它转运到后面从盾构中运出， 这一构想后来被用于修建地铁隧道工程。
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第二节 盾构法的优缺点
一。盾构法的优点 (1)．对环境影响小 ①出土量少，周围地层沉降小，对周围构造 物的影响小； ②不影响地表交通及商店营业，无需切断、 搬迁地下管线等各种地下设施； ③对周围居民生活、出行影响小； ④无空气、噪音、振动污染问题。
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二、盾构施工的支撑方式
1、自然工作面支撑 即隧道工作面的稳定性是借助掘进暂时停 顿期间它固有的稳定性或借助桁架上的土 层行程的斜坡而稳定的。
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2 、按盾构机横截面大小分类 （1）超小型盾构 Φ ＜1m （2）小型盾构 1m≤Φ ＜3.5m （3）中性盾构 3.5m≤Φ ＜6m （4）大型盾构 6m≤Φ ＜14m （5）超大型盾构 14m≤Φ ＜18m （6）特大型盾构 18m≤Φ
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第三节 盾构开挖与支撑方式
一、盾构施工的开挖方式
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• 此系统按照以下模式工作： • 首先，借助螺杆将鞍型框架压入前方 的土中。从上部撤除隧道工作面上的 木料并掘土6英寸，然后，隧道工作面 重新用木料覆盖并用螺杆支撑，紧接 着盾构后部砌砖，把它作为整个机架 的支座。
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5、土压平衡支撑 在黏土质地层中，土料自身作为支撑介质。 在土料中添加介质（水、泡沫、膨润土或 黏土），开挖料就转化成土浆，它能够起 到稳定隧道工作面的作用。
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第四节 盾构机的分类
1、按地层种类分 （1）硬岩盾构 （TBM） （2）软岩盾构 （3）软土盾构 （4）硬软岩土盾 构（复合盾构）
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3、压缩空气支撑 原理：空气压力与地下水的静压力保持平衡， 土压由自 然或机械的支撑承受。 要保证压力平衡 ，否则顶部过剩的压力 “喷发”的危险 已被泥水盾构取代。
适用于黏土，黏砂土，多水松软地层
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4、泥浆工作面支撑 采用泥浆方法，隧道工作面借助有压力的 液体得以很好的支撑，用泥浆就地抵御土 压及水压。
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3、按盾构机横截面形状分类 （1）半圆形 （2）圆形 （3）椭圆形 （4）马蹄形 （5）双圆搭接形：竖双圆形、横双圆形 （6）三圆搭接形 （7）四圆搭接形 （8）矩形：矩形、凸字形、凹字形
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二。盾构施工法缺点 （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）施工过程变化断面尺寸困难；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，盾构的拼装、 转移等较复杂，建造短于750m的隧道经济性差。
• 1917年，日本引进盾构施工技术，是欧美 国家以外第一个引进盾构法的国家。 • 1963年，土压平衡盾构首先由日本Sato Kogyo公司开发出来。
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1963年Sato Kogyo公司土压平衡盾构
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1865年，英国的布朗首次采用圆形盾构和铸 铁管片，1869年用圆形盾构在泰吾士河下修 建外径2.2m的隧道。在地下水方面没遇到什 么困难。
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• 1874年，工程师格瑞海德发现在强渗水性 的地层中很难用压缩空气支撑隧道工作面 ，因此开发了用液体支撑隧道工作面的盾 构，通过液体流，以泥浆的形式出土。 • 1886年，格瑞海德在伦敦地下施工中将压 缩空气方法与盾构掘进相组合使用，在压 缩空气条件下施工，标志着在承压水地层 中掘进隧道的一个重大进步，20世纪初， 大多数隧道都是采用格瑞海德盾构法修建 的。
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• 1、国外盾构法隧道的起源及发展史 • 1806 年，法国的布鲁诺尔 (M.I.Brune1) 从 蛀虫钻孔得到启示，最早提出了用盾构法 建设隧道的设想，并在英国取得了专利。
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• 此后，布鲁诺尔逐步完善了盾构结 构的机械系统，设计成用全断面螺 旋式开挖的封闭式盾壳，衬彻紧随 其后的方式。
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• 1825 年，他第一次在伦敦泰晤土河下开始 用一个断面高 6.8m 、宽 11.4m，并由 12 个邻 接的框架组成的矩形盾构修建隧道。每一 个框架分成3个舱，每一个舱里有一个工人 ，共有36个工人。
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(2)．盾构掘进不受地形、地貌、江河水域等
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地表环境条件的限制。 (3)．地表占地面积小，故征地费用少。 (4)．适用于大深度、大地下水压施工，相对 而言施工成本低。 (5)．施工不受天气（风、雨、……）条件限 制。 (6)．挖土、出土量少、利于降低成本。 (7)．盾构工发构筑的隧道的抗地震性好。 (8)．适用地质情况范围宽，软土、砂卵土、 软岩、直到岩层均可使用。
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• 1974年第一台土压平衡盾构在东京被采用 。该盾构由日本制造商IHI（石川岛播磨） 设计，其外径3.72m，掘进了1900m的主管 线。 • 在以后的年代里，很多厂商以土压盾构、 压力保持盾构、软泥盾构、土壤压力盾构 、泥压盾构等名称生产了“土压平衡盾构”。 所有这些名称的盾构都应有了同一种工法 国际上称为“土压平衡系统”（EPBS）。
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反铲挖掘盾构
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悬臂掘进盾构
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3、机械式开挖 机械式开挖又称全断面机械开挖。紧贴开挖面的 旋转刀盘进行全断面开挖，即从掘削到出土作业 均由机械完成。 主要优点： （1）开挖的隧道面精准，无超挖。 （2）在掘进过程中，隧道断面轮廓保持不变。 （3）隧道工作面形式可根据其稳定性进行优化，特 别是土层需要支撑的情况下。
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日本东京湾海底隧道泥水式盾构机
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2、我国盾构机的发展历程
• 纵观我国盾构法隧道的发展历程，大体上 可以分为三个阶段： • 起步阶段(20世纪60年代-80年代初)； • 平稳发展阶段(20世纪80年代中-2000年)； • 快速发展阶段。
盾构构造及应用
绪论
2018年8月9日星期四11 时6分50秒 盾构构造及应用 1
绪论
1、盾构及其基本工作原理 2、盾构法的优缺点 3、盾构施工开挖及支撑方式 4、盾构机的分类 5、盾构的发展简史
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第一节 盾构及其基本工作原理
一、盾构的定义
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• 1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助 解决隧道涌水。 • 1866年，莫尔顿申请“盾构”专利。盾构最初 称为小筒（cell）或圆筒（cylinder），在莫 尔顿专利中第一次使用了“盾构”（shield） 这一术语。
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2008年3月31日发布的《盾构法隧道 施工与验收规范》定义：盾构是盾构 掘进机的简称，是在钢壳体保护下完 成隧道掘进、拼装作业，由主机和后 配套组成的机电一体化设备
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第一节 盾构及其基本工作原理
二、盾构法施工的基本原理 盾构机的基本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 隧洞段起着临时文撑的作用，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。
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布鲁诺尔构想的盾构机机械内部结构由不同 的单元格组成，每一个单元格可容纳一个 工人独立工作并对工人起到保护作用。采 用的方法是将所有的单元格牢靠地装在盾 壳上。
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1989年，日本最引人注目的泥水盾 构隧道工程开工。东京湾海底隧道 长10km，是世界最长公路专用海底 隧道，用八台直径14.14m泥水加压
式盾构施工。
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第一条隧道施工的盾构机
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• 泰晤士河下的隧道工程施工期间遇 到了许多困难，在经历了五次以上 的特大洪水后，直到1843年，经过 18年施工，完成了全长458m的第一 条盾构法隧道。
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1828年1月12日泰晤土河水涌入盾构机
适用于地层：由于不适于抵御水压，因此只 适用于干的或排干的地层
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2、机械工作面支撑 （1）板条支撑 （2）活动工作面支撑 （3）封闭切削轮支撑
手动掘削 机械部分断面开挖 全断面开挖
以上支撑方式只适用于抵御土压等低渗透性地层 掘进
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• 布鲁诺尔发明盾构法之后的另一个技术进 步是用机械开挖代替人工开挖。第一个机 械化盾构专利是1876年英国人约翰· 荻克英 森· 布伦敦和姬奥基· 布伦敦申请的。 • 这台盾构有一个由几块板构成的半球形的 旋转刀盘，开挖的土料落入径向装在刀盘 上的料斗中，料斗将渣料转运至胶带输送 机上，再将它转运到后面从盾构中运出， 这一构想后来被用于修建地铁隧道工程。
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第二节 盾构法的优缺点
一。盾构法的优点 (1)．对环境影响小 ①出土量少，周围地层沉降小，对周围构造 物的影响小； ②不影响地表交通及商店营业，无需切断、 搬迁地下管线等各种地下设施； ③对周围居民生活、出行影响小； ④无空气、噪音、振动污染问题。
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二、盾构施工的支撑方式
1、自然工作面支撑 即隧道工作面的稳定性是借助掘进暂时停 顿期间它固有的稳定性或借助桁架上的土 层行程的斜坡而稳定的。
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2 、按盾构机横截面大小分类 （1）超小型盾构 Φ ＜1m （2）小型盾构 1m≤Φ ＜3.5m （3）中性盾构 3.5m≤Φ ＜6m （4）大型盾构 6m≤Φ ＜14m （5）超大型盾构 14m≤Φ ＜18m （6）特大型盾构 18m≤Φ
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第三节 盾构开挖与支撑方式
一、盾构施工的开挖方式
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• 此系统按照以下模式工作： • 首先，借助螺杆将鞍型框架压入前方 的土中。从上部撤除隧道工作面上的 木料并掘土6英寸，然后，隧道工作面 重新用木料覆盖并用螺杆支撑，紧接 着盾构后部砌砖，把它作为整个机架 的支座。
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5、土压平衡支撑 在黏土质地层中，土料自身作为支撑介质。 在土料中添加介质（水、泡沫、膨润土或 黏土），开挖料就转化成土浆，它能够起 到稳定隧道工作面的作用。
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第四节 盾构机的分类
1、按地层种类分 （1）硬岩盾构 （TBM） （2）软岩盾构 （3）软土盾构 （4）硬软岩土盾 构（复合盾构）
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3、压缩空气支撑 原理：空气压力与地下水的静压力保持平衡， 土压由自 然或机械的支撑承受。 要保证压力平衡 ，否则顶部过剩的压力 “喷发”的危险 已被泥水盾构取代。
适用于黏土，黏砂土，多水松软地层
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4、泥浆工作面支撑 采用泥浆方法，隧道工作面借助有压力的 液体得以很好的支撑，用泥浆就地抵御土 压及水压。
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3、按盾构机横截面形状分类 （1）半圆形 （2）圆形 （3）椭圆形 （4）马蹄形 （5）双圆搭接形：竖双圆形、横双圆形 （6）三圆搭接形 （7）四圆搭接形 （8）矩形：矩形、凸字形、凹字形
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二。盾构施工法缺点 （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）施工过程变化断面尺寸困难；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，盾构的拼装、 转移等较复杂，建造短于750m的隧道经济性差。