盾构(shield)

在软土和软岩地层中使用盾构法开挖和衬砌拼装隧道用的机械设备。盾构外形通常为圆筒形，为配合隧道使用和承力要求也有做成矩形、马蹄形或半圆形等。

盾构构成   盾构由壳体、推进设备和衬砌拼装机等组成。

盾构壳体   盾构沿长度方向分为切口环、支承环和盾尾三部分(图1)。前端是切口环，设有刃口，具有开挖和支撑土体的功能。中部为支承环，是盾构的主要受力结构，盾构体的外荷载均由其承受。推动盾构前进的千斤顶设置在支承环内。后部为盾尾，由盾构外壳钢板延长构成，在盾尾掩护下拼装隧道衬砌。

推进设备   由盾构千斤顶和液压装置组成。液压装置由输油泵、高压油泵、控制油泵以及管路和操纵阀构成。盾构千斤顶是盾构推进和调整方向的主要设备。千斤顶必须具有足够的顶进能力，以克服盾构推进时遇到的阻力。盾构千斤顶沿支承环内周均匀布置，并充分考虑各管片能均匀承力。

衬砌拼装机   为使衬砌构件就位，拼装机具有能在盾构内作环向转动，径向伸缩和纵向前后移动的功能。拼装机的动力有液压、电动和手动。常用的拼装机有：(1)杠杆式拼装机，由举重臂和驱动机构组成；(2)中空轴回转式拼装机，举重臂安装在盾构中心的空心简体上，简体内安装供开挖面出土用的刮板运输机，回转部分采用油马达或变速电机驱动，举重臂伸缩用千斤顶推动；(3)环向回转式拼装机，在支承环的环梁上或盾尾(千斤顶顶铁附近)，壳体上装设支承托辊，在托辊上装设环形大转盘，举重臂安设在转盘上。拼装衬砌时，环形转盘用油马达使其回转，举重臂的径向伸缩和纵向前后移动用千斤顶推动。

盾构类型   按其构造和土层开挖方法可分为手掘式盾构、挤压式盾构、半机械化盾构和机械化盾构。

手掘式盾构   用人工开挖土体。根据地层条件可采用敞开开挖或正面支撑开挖，以防止土体坍塌。手掘式盾构具有构造简单、配套设备较少、造价低等优点，适用于开挖地质条件较好的小型隧道。

挤压式盾构   在软弱可塑的粘土层中用钢板将盾构开挖面封闭起来，盾构向前推进时，胸板挤入土层向前顶进而不出土，这种盾构称为全挤压式盾构。胸板局部开口，盾构向前推进时，土体从胸板上的开口处挤入盾构内，然后挖运走，这种盾构称为半挤压式盾构或局部挤压式盾构。用网格胸板封闭前端的盾构称为网格式盾构(图2)。挤压式盾构和网格式盾构均只适用于软塑土层。

半机械化盾构   在手掘式盾构的前端，装上反铲挖土机或螺旋切削机代替人工开挖。

机械化盾构   在盾构前面的刃口处，装上直径和盾构直径相应的切削刀盘，实现全断面切削开挖。如果地层能够自立或采用辅助措施后能够自立时，可采用开胸的机械化盾构；如果地层较差又不采用辅助措施时，则需采用闭胸的机械化盾构。在实际使用中这类盾构主要有：(1)局部气压盾构。在盾构的切口环和支承环之间设置密封隔墙，形成密封舱，向舱内通入压缩空气，用气压稳定开挖面土体。由于出土装置、盾尾密封装置和衬砌接缝问的漏气等技术难题不易解决，故这种盾构一般只在粘土中使用。(2)泥水加压盾构。向局部气压盾构的密封舱内通入泥水代替压缩空气，用泥水压力稳定开挖面土体。这种盾构的缺点是配套设备较多，施工费用和设备投资较高，优点是对隧道埋深的适应性较大，可用管道输送弃土，安全可靠，效益较高。(3)土压平衡式盾构，也称泥土加压式盾构。土压平衡是用刀盘切削下来的土充填整个密封舱，并且保持一定的压力去平衡开挖面土压力。土压平衡式盾构既无局部气压盾构的缺点，又不需泥水加压盾构的泥水输送设备，是有发展前途的盾构类型。

盾构法施工   主要有土层开挖，盾构推进操纵与纠偏，衬砌拼装，衬砌背后，充填压注等工序。

土层开挖   一般先将盾构前面的切口贯入土层，然后在切口环内进行土体开挖。开挖方法有：(1)敞开式开挖。适用于地质条件较好、掘进时能保持开挖面稳定的土层。由顶部开始逐层向下开挖，可按每环衬砌的宽度分数次挖完；也可按土的休止角分几层，构成棚式盾构开挖。(2)机械切削式开挖。用装有全断面切削大刀盘的机械化盾构开挖。在土质较好条件下使用刀架间无封板的大刀盘机械化盾构，在土质较差条件下使用刀架间有封板的大刀盘机械化盾构。在含水不稳定的地层中，可使用泥水加压盾构和土压平衡式盾构开挖。(3)挤压式开挖。全挤压开挖使用全挤压式盾构，由于掘进时不出土或部分出土，对地层扰动较大，使地表发生隆起变形，不适用于城市内地下工程施工，只适用于河底或空旷地区地下工程施工。局部挤压开挖使用局部挤压式盾构，施工时要严格控制出土量，使地层的扰动和地表的隆起变形减少到最低限度。(4)网格式开挖，即盾构前端开挖面由网格梁与隔板分成许多格子，对开挖面土体有支撑作用，适用于开挖饱和软塑土层。

推进操纵与纠偏   推进过程中，主要采用编组调整千斤顶的推力、调整开挖面压力和控制盾构推进的纵坡等方法，来操纵盾构位置和顶进方向。一般按照偏离设计轴线的高程和平面位置测量值，确定下一次推进时需要开动的千斤顶数量和推力大小，用以纠正方向。此外，调整方法也随盾构开挖方式有所不同，例如敞开式开挖时可用超挖或欠挖来调整；机械切削式开挖时可用超挖刀进行局部超挖来纠正；挤压式开挖时可用改变进土孑L位置和开孔率来调整。

衬砌拼装   常用液压传动的拼装机进行衬砌(管片或砌块)拼装。根据结构受力要求，拼装方法可分为通缝拼装和错缝拼装。通缝拼装是使管片的纵缝环对齐。错缝拼装是使相邻衬砌圆环的纵缝错开管片长度的1/2～1/3。按拼装顺序，衬砌拼装方法又可分为先环后纵法和先纵后环法。先环后纵法是将管片(或砌块)拼成圆环，然后用盾构千斤顶将衬砌圆环纵向顶紧。先纵后环法是先将管片逐块与上一环管片拼接好，最后封顶成环。由于先环后纵法在拼装时须使千斤顶活塞杆全部缩回，易产生盾构后退，故不宜采用。

衬砌背后充填   为防止地表沉降，盾尾和衬砌之间的空隙必须及时充填。填充方法有：一次压力注浆法、二次压力注浆法和在土质较好的情况下直接填充法。一次压力注浆法是随着盾构推进，当盾尾和衬砌之间出现空隙时，立即通过预留孔压注水泥砂浆，并保持一定的压力，使水泥砂浆充满空隙。二次压力注浆法是在盾构推进一环后，立即用风动压注机通过衬砌上的预留孔向衬砌背后的空隙内充填豆粒砂，以防止地层坍塌；在盾构继续推进数环后，再用压浆泵将水泥浆压入砂间空隙，使之凝固。由于二次压力注浆法难以充填密实，故很少采用。

发展简史   法国工程师M.I.布律内尔最早于1818年开始研究盾构法施工，并于1825年用一个矩形盾构在英国伦敦泰晤士河下建造了世界上第一条水底隧道，在修建过程中两次被河水淹没，直至1835年使用改良的盾构后，才于1843年完工。1865年P.W.巴洛在泰晤士河底用一个直径2.2m圆形盾构建造了水底隧道。1874年英国人J.H.格雷特黑德在伦敦地下铁道城南线施工中第一次在粘土层和含水砂层中采用气压盾构法工艺，促进了盾构法施工的发展。从1897年至1980年在世界范围内用盾构法修建的水底道路隧道已有21条。20世纪30～40年代美国纽约使用气压盾构法建成19条水底的道路隧道、地下铁道隧道、煤气管道和给排水管道。从1969年起英、日和西欧很多国家开始发展微型盾构施工法，盾构直径仅为1m左右，适用于城市给排水管道、煤气管道、电力和通信电缆管道的施工。中国在第一个五年计划期间，在辽宁阜新煤矿使用直径2.6m手掘式盾构进行了疏水巷道施工。从1957年起北京市在修建下水道工程中开始使用盾构法。上海市从1960年起用盾构法修建水底的道路隧道、地铁区间隧道、通向河海的排水隧洞和取水管道、过街地下通道。中国自行设计、制造的盾构最大直径为11.26m，1988年施工完成了上海延安东路过江隧道。到20世纪80年代初，世界上的最大盾构是直径为12.84m的手掘式盾构。