盾构 型与发展趋势

蒋 奇 付云升

（北京市水利规划设计研究院 北京 100048）

“盾构”一词在土木工程领域中原义为遮盖物、保护物。把外形与隧道横截面相同，但尺寸比隧道外形稍大的钢筒或框架压入地中构成保护掘削机的外壳，该外壳及壳内各种作业机械、作业空间的组合体称为盾构机，简称盾构。盾构是一种既能支撑地层压力、又能在地层中掘进的施工机具。以盾构为核心的一整套完成的建造隧道的施工方法称为盾构工法。该工法的主要施工过程为：建造竖井或基坑（始发井及接收井）→吊入盾构设备并组装调试→盾构机出始发井并向前掘进（掘削土体、保持平衡、出土、拼装管片、注浆）→盾构机进接收井并拆解吊出。

相比明挖法，盾构工法存在以下优点：对环境影响小；施工不受地表环境和天气条件限制；施工临时占地面积和费用少；挖土、出土量少；抗地震性好；适用地层范围宽，软土、砂卵土、软岩直到岩层均可适用。

因此，盾构工法极为适用于城市隧道的构筑。目前盾构工法已在城市隧道施工技术中确立了稳固的统治地位，有人将其称为城市隧道工法。目前它正朝着全部机械化、自动化、智能化、地下大深度、特殊断面、特殊形态的方向发展。

1 盾构工法的种类及应用情况

盾构机的机型种类很多。根据地层条件和具体施工方法的不同，隧道盾构机可分为硬岩盾构、软岩盾构、软土盾构、复合盾构。而按开挖面的闭合程度，可分为全敞开式、部分敞开式和封闭式。结合盾构工程在国内的应用情况，本次着重讨论软土软岩盾构的分类及应用。

各种分类方法中综合分类法相对而言使用较多，详见图1。

图1 常用 土盾构综合分类法

1.1 全敞开盾构工法24

全敞开式盾构机的特点是掘削面呈敞露状态，故挖掘状态是干挖态，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定性好的地层（如：洪积层压实砂、砂砾、固结粉砂及粘土）。对自稳定性差的地层（如：冲击层中的砂层、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。

全敞开盾构工法具有明挖法和盾构法的优点：对周围地层及构造物的变位、下沉影响小，故适于都市临近构筑物较多，场地狭窄的工况下施工；与明挖法相比，振动、噪声小，对周围居民影响小；盾构机过后可以及时回填，对地表交通影响小；工序简单、安全、工期短；地层变位可以从地表直接观测；挖土可以原地回填，故运土费用少，成本低。

全敞开盾构工法广泛应用于浅层地下管道埋设工程，如日本市川市排水管道工程、熊本共同沟工程、宫城县雨水干线构筑工程。

1.2 分敞开盾构工法

当全敞开盾构在土质条件很差的冲积淤泥土、软粘性土中掘进时，由于土体的流塑性大，故会出现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）可调的土砂排出口，靠该隔板把掘削面封闭起来。这种盾构从正面看上去隔板上设多个小窗。部分小窗封死，部分小窗上装开度可调的闸门成为窗闸。从封闭、敞开的定义出发，因为盾构推进时窗格上的部分窗口是打开的，因此称为部分敞开盾构。

部分敞开盾构工法的优点是盾构机构造简单、造价低。由于盾构是挤入土层的，因此盾构通过时地层隆起，通过后直到被扰动地层恢复稳态期间，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。这是该工法的一个致命弱点，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较少。

1965年，日本东京地铁9号线使用挤压盾构。1965年，上海地铁60工程区间隧道采用网格挤压型盾构掘进机，掘进了2条地铁区间隧道，掘进总长度1200m。1967年，上海打浦路越江公路隧道采用Φ10.2m网格挤压型盾构，掘进总长1324m。1983年，上海建设第2条黄浦江越江公路隧道一延安东路隧道，1476m圆形主隧道采用盾构掘进施工，其中500m穿越黄浦江底，500m穿越市中心区建筑密集群。为提高掘进速度和确保隧道沿线的构筑物安全，上海隧道公司自行设计研制了Φ11.3m网格型水力出土盾构，这是在网格挤压型盾构基础上发展起来的新奇掘进机。

1.3 封 盾构工法

由于全敞开盾构机较适合于掘削面具独立性的地层，对自立性差的冲积层砂层、粉砂层及粘土层而言，必须辅以压气、降水、注浆加固等措施，以确保掘削面稳定。但是选用这些措施也存在一些问题，如：气压大于0.15μPa时，操作人员会患高压病；降水会使周围水井枯竭，建筑物沉降。挤压盾构工法的缺点是易引起地层隆起和沉降大，适用土质范围窄。

基于上述原因，人们迫切希望开发可以克服上述弊病的新的盾构工法。70年代以来，英国和日本分别开发了具有刀盘切削的密闭式的可平衡开挖面水土压力的两种新颖掘进机——泥水加压平衡盾构和土压平衡盾构，使盾构掘进技术发生了一次新的飞跃。1975年，日本隧道业兴起了泥水加压盾构热，1978年起，土压盾构也得到广泛的应用。

（1）泥水盾构工法

泥水盾构就是在机械式盾构刀盘的后方设置一道封闭隔板，隔板与刀盘间的空间定名为泥水舱。把水、粘土及添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水舱，待泥水充满整个泥水舱，如盾构机的推进系统工作进发，则推进力经舱内泥水传递到掘削面的土体上，即泥水对掘削面上的土体作用有一定的压力（与推进力对应），该压力称为泥水压力。

刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱，经搅拌装置搅拌后含掘削土砂的高浓度泥水，经泥浆泵送到地表的泥水分离系统，待土、水分离后，再把滤除掘削土砂的泥水重新压回泥水舱。如此不断循环，完成掘削、排土、推进的过程。因为是泥水压力使掘削面稳定平衡的，故称为泥水加压平衡盾构，简称泥水盾构。

泥水盾构工法的优点主要有：对地层的扰动小、沉降小；适于高地下水压，江底、河底、海底隧道施工；适于大直径化；适于高速化施工；适用土质范围宽；掘进中盾构机体的摆动小。该工法的缺点包括：成本高；排土效率低；地表施工占地面积大；不适于在硬粘土层中掘进；不适于在松散卵石层中掘进。

1994年，日本东京湾道路 18.8公里海底隧道的掘进工程中曾使用过8台直径达到14.14m泥水加压平衡盾构。1994年，上海延安东路隧道南线1300m圆形主隧道施工引进日本制造的Φ11.22m泥水加压平衡盾构。广州地铁1号线工程于1996年引进2台Φ6.14m泥水加压平衡盾构，掘进5852m。1997年上海自行设计制造了1台Φ2.2m泥水加压平衡顶管机，用于上海合流二期过江倒虹管隧道工程，在高水压的砂性地层中顺利掘进1220m。

（2）土压盾构工法

土压盾构与泥水盾构的差异是保持密封土舱内的承压介质不同。泥水盾构对应的介质为泥水；土压盾构对应的介质为泥土。但是稳定掘削面的基本原理是一致的。由于隧道的掘削作业，如果从地层内的应力关系看，相当于卸载。因此，从力学观点讲，要想使掘削面稳定必须施加相当于卸载的土压与水压。

土压盾构推进时其前端刀盘旋转掘削地层、土体，掘削下来的土体涌入土舱。当掘削土体充满土舱时，由于盾构的推进作用，致使掘削土体即对掘削面加压。当该加压压力（掘削土压）与掘削地层的土压+水压相等，随后若能维持螺旋输送机的排土量与刀盘的掘土量相等，把这种稳定的出土状态称为掘削面平衡。要想维持排土量与掘土量相等，掘削土必须具备一定的流塑性和抗渗性。有些地层的掘削土仅靠自身的流塑性和抗渗性，即可满足掘削面稳定的要求。这种利用掘削土稳定掘削面的盾构称为削土盾构。此外，多数地层土体的流塑性、抗渗性无法满足稳定掘削面的要求，为此须混入提高流塑性和抗渗性的添加材料，实现稳定掘削面的目的。通常把注入添加材料的掘削土（称为泥土）盾构称为泥土盾构。削土盾构和泥土盾构统称为土压盾构。

土压盾构工法的优点主要有：成本低；出土效率高；适用地层范围宽；可广泛适用于对冲积粘土、洪积粘土、砂质土、砂、砂砾、卵石等地质的施工，不需分离装置，占地面积少，施工时的覆土层可相对较浅。其缺点为：由于掘削摩阻力大，造成盾构机扭矩大，功耗大；与泥水盾构相比，土压盾构对周围地层扰动大，地层沉降大。

1972年，日本开发土压盾构。1975年，日本开发泥土加压盾构。1982年，法国多哈海峡英法海峡隧道采用 Φ8.62m的削土密封式盾构。1990年，日本名古屋地铁采用Φ10.48m土压盾构。2003年，第二条英吉利海峡隧道采用Φ15m土压盾构。1987年，上海在消化吸收国外土压平衡盾构机理和设计制造技术的基础上，研制了国内首台Φ4.3m加泥式土压平衡盾构掘进机。1993年，制造了1台Φ6.34m土压盾构，用于南京市夹江排水隧道工程，穿越粉砂地层，掘进长度1294m。1990年，国务院批准上海地铁1号线开工建设，圆形隧道选用7台Φ6.34m土压平衡盾构推进。2000年，北京地铁5号线工程进行区间隧道盾构掘进试验工程，引进1台土压平衡盾构掘进机。南京地铁1号线区间隧道选用3台土压平衡盾构掘进机。

2 盾构 型

盾构工法应用160多年来，因盾构选型欠妥或者不恰当，致使隧道施工过程出现事故的情况很多。如：选型不恰当，掘削面喷水，掘进被迫停止；掘削面坍塌使周围建筑物基础受损；地层变形、地表沉降致使地下管道设施受损，引起管道破裂，造成喷水、喷气、通讯中断、停电等事故。严重时整条隧道报废的事例也屡见不鲜。由此可见盾构选型工作的重要性。

选择盾构工法时，必须综合考虑以下因素：①满足设计要求；②安全可靠；③造价低；④工期短；⑤对环境影响小。同时必须严守以下原则：①选用与工程地质匹配的盾构机型，确保施工绝对安全；②可以辅以合理的辅助工法；③盾构的性能应能满足工程推进的施工长度和线形的要求；④选定的盾构机的掘进能力可与后续设备、始发基地等施工设备匹配。

以上原则中以能绝对保证掘削面稳定、确保施工安全的机型为最重要。为了选择合适的盾构机型，除应对土质条件、地下水条件进行勘查外，还应对占地环境作充分的勘察。

2.1 根据用 择盾构断 形状

通常隧道按其断面形状可分为：半圆形、圆形、双圆搭接形、三圆搭接形、马蹄形、矩形、椭圆形等多种形状。按其用途可分为：铁路、公路隧道，下水道隧道，供水隧道，电力电缆隧道，通信电缆隧道，供气隧道，共同沟隧道等类型。

（1）圆形断面

圆形断面是使用最多的断面形状。由于圆形断面的拱作用，管环上作用的外压小，管环受损小、寿命长，隧道的耐久性好、安全性好。圆形断面的掘削机理简单，掘削系统易制作、造价低，管片制作简单拼装方便。圆形隧道多用于水利工程隧洞，但对于地铁、公路等隧道利用矩形内空的情形下，圆形隧道存在浪费。

（2）矩形断面

矩形断面隧道的优点是内空利用率高，与圆断面隧道相比构筑时可以减少30%左右的土体掘削和排放，利于成本降低。另外，矩形断面地中占位小，地下空间利用率高。缺点是隧道管环上的作用外压大，不适于大尺寸隧道构筑；管片设计、施工复杂；盾构机制作复杂，价格偏高。对城市地下铁道、共同沟等隧道而言，是较为理想的断面形状。

（3）双圆搭接断面

这种断面形式多用于铁路、公路往返复线的情形。地中占地面积小，空间利用率高。盾构机制作复杂、价格高，管片设计、组装、施工复杂。

（4）三圆搭接断面

三圆搭接断面可以说是为构筑地铁车站而设计的盾构断面形状。优点是空间利用率高，使地铁车站的构筑施工完全转入地下。缺点是盾构机、管片的设计、制作及施工均较复杂。

马蹄形断面、椭圆形断面的优点也是空间利用率高，缺点是盾构机造价高。

2.2 根据土质 择盾构机型

通常一条隧道沿线的土质条件绝对相同是不可能的，一般多选择适应施工标段内大多数地层条件的机型。

（1）冲积粘土

如果冲积粘土的自然含水率接近或超过液限，掘削面不能自稳，则应选择封闭型的盾构机。

当整个掘削面和施工沿线均是N值为0~5的软弱粉砂及粘土地层时，宜采用窗闸式盾构施工法。但该工法在施工过程中要挤压盾构周围的地层，不可避免地会引起一定程度的沉降，且沉降量大。由于其适用土质范围极窄，故应用时必须对土质调查结果进行充分的研究。

就超出挤压盾构工法适用范围的冲积粘土层（含砂量大、有硬软交错层、液限指数过大并含有砾石等）而言，宜采用封闭式的泥水式土压盾构机。如存在超软弱的腐殖质土层，有必要对其范围、层厚和特性等进行充分的调查。掘削腐殖质土层应选择高止水性盾构机，如树脂盾构、纸浆渣盾构、渣溶胶盾构。同时还应采取地层加固措施，防止沉降。

（2）洪积粘土

洪积粘土一般N值大，含水率低、掘削面能够自立。此外，因抗剪力大，变形小，故可无需挡土隔板。如果全线均为洪积粘土，可采用全敞开式盾构机。

一般全线掘削面都是洪积粘土的情况非常少，很多的情况是夹层中夹有含水砂层，这时选用封闭式盾构机。使用加泥盾构机时，由于含水低的固结粘土吸水后粘附力增加，所以对周边支撑式或中间式刀盘来说，易产生刀盘、土舱四周粘附压实固结粘土现象。因此多采用中心轴支撑方式、轮辐刀盘掘削且搅拌效果好的加泥盾构机或气泡盾构机。

（3）砂质土

就砂质土而言，一般情况下泥水盾构和土压盾构均可选用。

泥水盾构机通过排泥将掘削土砂从泥水舱内输送到地面，安全性好，适于高水压下掘进。且对周围地层变形影响小。但当含水砂层渗透系数大于10-2cm/s、74μm以下的微细颗粒含量低于10%、匀粒系数UC小于10，采用泥水盾构时，掘削面易坍塌，很难确保掘削面稳定。这种情况下不宜再选用泥水盾构。

泥土盾构机在粘土含量少的砂质地层中掘进时，因向土舱内投入泥材，然后通过机械强制搅拌，使掘削土砂泥浆化，即增加其塑性流动性和不透水性。由于千斤顶推力对这些泥浆加压，抵抗掘削面的坍塌力，使掘削面稳定。因此，即使在坍塌性砂层，掘削面也是稳定的。此外，由于可以调节添加材的浓度和数量来适应砂土和粘土交错层掘削的土质变化，所以，泥土盾构机是最适用的。

（4）砂砾及巨砾层

因这种地层的渗水系数大，故必须选择封闭式盾构。掘削这种地层与前面介绍过的几种地层不同，因其砾石粒径大，若不预先采取粉碎措施直接通过排土（或排泥）设备派出易发生排土系统堵塞和磨耗过大的两个新问题。

采用泥水盾构，注入普通泥水的盾构工法对砾石层是失效的。注入泥水必须改用PAA泥水才能彻底防止逸泥和喷水，才能确保掘削面稳定，使盾构顺利掘进。泥水盾构机连续输送的砾石的长径应小于排泥管直径的 1/3。通常排泥管直径为100~200mm，所以被排的砾石的直径极限为50~70mm。在泥水舱内不能排出的砾石要采用下列方法处理：用旋转式分级器分级；用水下破碎机破碎。配备这些装置的盾构机直径受到限制，且粘土粘附引起的堵塞会使处理砾石的能力降低。

采用泥土盾构，当砂砾层中含水率大、地下水压高的情况下，当地层中的粒径大于 2mm的砾石含有率大于50%、小于70%时，加泥盾构工法中的加泥材中应添加砂粒成分，注入泥浆相对密度应提高到1.5左右。若地层中粒径大于2mm的砾石含油率大于70%时，由于出现砾石与泥水分离，砾石无流动性，无法出土，随即发生泥水喷出现象，加泥盾构失效。此时可采用树脂盾构、注浆栓盾构、硅溶胶盾构等工法。砾石排出可选择无轴带式螺旋机或有轴螺纹螺旋机。

（5）泥岩

泥岩是指洪积堆积的粉砂、粘土，经压实、脱水固结而成的土层。根据粒径的差异可分为粉砂岩、粘土岩两种。

泥岩的无侧限抗压强度在 0.5~1MPa以上，N值为 50以上，掘削面自稳。如果掘削面是不担心涌水的地层，选用开放式盾构工法较为经济。

在有承压地下水的泥岩层，或在含水砂层、砂砾层的交错层中掘削时，由于存在含水砂层的喷水问题，所以选择封闭泥水和泥土盾构工法。在泥水盾构机中，泥水处理设备的能力在很大程度上控制着施工进度，要有足够的设备。

3 盾构 水况洞的特点

3.1 双层衬砌结构

输水隧洞一般具有距离长、埋深大、内水压力高的特点，因此对于输水隧洞通常采用洞身双层衬砌结构，外衬承担外部水土压力，内衬承担内水压力或双层衬砌联合受力。这也是输水隧洞与交通隧洞工法的主要区别。

盾构输水隧洞外衬为拼装式管片，与采用盾构法施工的交通隧洞类同，在盾构掘进过程完成。内衬可采用多种型式，如钢筋混凝土内衬、钢板钢筋混凝土内衬、明钢管内衬、预应力钢筋混凝土内衬等。

钢筋混凝土内衬具有技术成熟、施工方便的特点，无论采用暗挖工法还是盾构工法的输水隧洞均可使用。明钢管内衬由于施工条件困难、工程投资大、工期较长、不易检修等原因，应用较少。另外，对于内水压力、外水土压力较大的输水隧洞，钢板钢筋混凝土内衬和预应力钢筋混凝土内衬都是钢筋混凝土内衬的加强形式，可根据结构设计、施工难度、投资情况具体选择。钢板钢筋混凝土由于不易设置变形缝，结构整体刚度较大，因此对于地层变形的适应性较差。

2009年，南水北调中线工程穿黄隧洞采用直径9m的泥水盾构，下穿黄河段长 3450m，采用双层衬砌结构，内衬采用预应力钢筋混凝土衬砌。2012年，北京市南水北调配套工程东干渠输水隧洞采用直径6m的土压盾构，穿越北京市东五环地区，全长44.7km，采用双层衬砌结构，内衬采用钢筋混凝土衬砌。

3.2 水设计

输水隧洞防水设计的主要目的是防止内水外渗，以防造成水量损失及对隧洞持力层及交叉建筑物等产生不良影响。防水设计选择以混凝土自防水体系为主，辅以防水板及止水带等多种防水措施作为隧洞的防水结构。

盾构管片和钢筋混凝土内衬应根据工程特性选用适当的强度等级和抗渗等级。盾构管片间拼装缝设置三元乙丙弹性密封垫等材料防水。钢筋混凝土内衬变形缝止水采用紫铜片止水带等主要材料，辅以高压低发泡聚乙烯闭孔板嵌缝，变形缝迎水面双组分聚硫密封胶封口等措施。另外在一衬和二衬之间采用铺设连续封闭的防水板，为保证一、二衬结构联合受力效果，防水板选择弹性模量较大的材料。同时对防水板与二衬之间进行灌浆处理，以保证管片及二衬紧密结合，并提高防渗效果。

3.3 壁后注浆

采用盾构施工时，结构上方（在管片和地层之间）产生10～20cm的间隙或松散土体，将导致严重的地表沉降，也将影响盾构机的姿态控制，并对管片拼装、隧洞止水产生不利影响，盾构掘进时必须对管片外间隙及松散土体注浆。壁后注浆的质量是关系到隧洞防水效果的重要因素。

由于输水隧洞工程的性质，隧洞具有内水压力，铺设位置常常在城市附近，或穿越城市街道、桥梁、铁路、地铁、房屋等建筑物。控制沉降要求比其他交通盾构工程更加严格，壁后注浆质量要求高于交通盾构工程。

4 盾构技术的发展趋势

（1）盾构工法的发展

盾构工法掘削面稳定技术从压气工法的“气”进化到泥水式的“水”随后又发展到土压式的“土”。现在，“掘削面稳定”和“盾构掘削”的技术似乎已达到完善的地步，就盾构而言，就是指封闭式的泥水和土压盾构。

由于近年来土压盾构技术的飞跃发展，涌现了各种不同特点、适用各种土质的泥土盾构机。这就使土压盾构施工占地面积小、适用土质范围宽、排出泥土处理容易、出土效率高、工期短、成本低等优点得以充分发挥。

目前，土压盾构除大断面不易都市市区使用以外，大有取代泥水盾构之势。料想不久的将来，土压盾构将全面取代泥水盾构。

（2）盾构设备的发展

随着盾构技术的日趋完善,盾构设备的发展逐渐趋向于微型化和超大型化、形式多样化、高度自动化和高适应性。主要体现在断面形状多样化、刀盘刀具及其他材料强度和耐久性提高、盾构机姿态控制自动化程度提高、推进速度提高、管片制造和拼装技术提高等几方面。

（3）盾构输水隧洞的发展

由于盾构输水隧洞距离长、内水压力大、埋深大及城市供水工程的重要特性，使得盾构工法在结构设计上有更严格的要求。目前采用的设计理论基本都是对双层复合衬砌的受力情况进行分析，通过计算选择断面结构形式。如何使盾构管片、内衬结构体量更小，防水措施更简便有效是亟待解决的重点问题。如果能减少复合衬砌结构的体量，将更充分地利用盾构隧洞开挖断面，从而增加单延米盾构施工的经济性。目前，国内部分机构正在着手研究采用预应力钢筋混凝土管片直接防内外水土压力，用以代替传统的双层复合衬砌结构。如该研究成功，盾构输水隧洞的发展将进入一个全新的时代。