盾構

　　盾構殼體　沿盾構長度方向分為切口環、支承環和盾尾三部分。前面是切口環，設有刃口，施工時切入土層，具有開挖和支撐土體的功能。其長度在手掘式盾構中，應考慮掩護工人開挖地層的安全和方便，一般為1.2～2.5米左右。在機械化盾構中，隻考慮容納開挖機具。中部為支承環，是盾構的主要受力結構，盾殼的外荷載均由其承受。在小盾構中是一個剛度較大的圓環結構，在大中型盾構中則是一個鋼制構架。推動盾構前進的千斤頂均設置在支承環的內周。在大中型盾構中通常把液壓動力設備、配電盤、盾構操縱臺等均安裝在支承環的空間內。支承環的長度決定於盾構千斤頂的長度，它又與襯砌環的寬度有關，一般比最大襯砌環寬度長0.2～0.3米，約為1.8～2.2米。後部為盾尾，是由盾構外殼鋼板延長構成，在盾尾的掩護下拼裝隧道襯砌。盾尾末端設有盾尾密封裝置，以防止泥水和註漿材料從盾尾與襯砌之間的空隙內流入。目前，普遍采用的盾尾密封裝置有鋼絲刷型和橡膠型兩種。盾尾長度應保證盾構千斤頂活塞桿縮回後，能掩護1.5～2.5環襯砌寬度加千斤頂的頂鐵厚度和0.1～0.2米的餘量。切口環、支承環和盾尾長度之和為盾構長度。盾構的內徑應比隧道襯砌外徑略大，其空隙一般為襯砌外徑的0.8％左右。盾構長度與直徑之比(L/D)稱為盾構靈敏度。它與盾構操縱的靈活性有著很大影響，其值越小，盾構操作越靈活，一般小盾構(D＝2～3米)的靈敏度約為1.5左右；中型盾構(D＝3～6米)約為1.0左右；大盾構（D＞6.0米）約為0.75左右。常用的盾構直徑約在3.0～10.0米之間。至80年代初，世界上最大的盾構為直徑12.84米的手掘式盾構。

　　推進設備　由盾構千斤頂和液壓裝置組成。後者又由輸油泵、高壓油泵、控制油泵及一系列管路和操縱閥件構成。簡單的液壓控制設備是用手動高壓操縱閥直接控制千斤頂活塞桿的伸縮，可省去控制油路和電磁閥等裝置，簡單、可靠、易行，但安全性較差。盾構千斤頂是盾構推進和調整方向的主要設備。千斤頂必須具有足夠的頂進能力，以克服盾構推進時所遇到阻力。這些阻力主要有：①盾構外表面與地層間的摩擦力；②盾構內表面與襯砌間的摩擦力；③盾構前面地層的正面阻力。盾構千斤頂一般沿支承環內周均勻分佈，其數量與管片或砌塊的分塊有關，一般至少為管片數目的兩倍或按管片的偶數倍增加，以便在盾構推進時保證管片均勻受壓。盾構千斤頂由缸體、活塞和活塞桿、支承頂鐵等部分組成。盾構推進時，由液壓裝置的高壓油泵通過管路和操縱閥體使高壓油進入千斤頂缸體，而使活塞桿根據需要伸出或縮回。盾構千斤頂使用的油壓一般為30～40兆帕，每隻千斤頂頂力約為1～2兆牛。盾構中除推進用千斤頂外，還可根據需要設置正面支撐千斤頂和工作平臺伸縮千斤頂。盾構中的液壓裝置除瞭對上述三種千斤頂供油之外，同時用作襯砌拼裝機械的油馬達和提升設備的液壓供油。

　　襯砌拼裝機　其形式由盾構直徑的大小、襯砌構件的材料和形式、出土方式等因素決定。拼裝機要具有抓住襯砌構件後能在盾構內作環向轉動、徑向伸縮和縱向前後移動的功能，以便使襯砌構件就位，其動力有液壓、電動和手動。常用的拼裝機有下列幾種：

　　杠桿式拼裝機　由舉重臂和驅動機構組成。舉重臂的一端是鉗住構件的裝置，另一端是平衡重，借以平衡襯砌構件的重量，使舉重臂易於環向轉動。舉重臂的中間是液壓伸縮桿，可作徑向伸縮。拼裝機的旋轉用油馬達直接傳動，也有用液壓千斤頂推動齒條和齒輪使之傳動的。根據盾構直徑的大小，可安裝單臂式或雙臂式的拼裝機。後者主要用於大型盾構。

　　中空軸回轉式拼裝機　舉重臂安裝在盾構中心的空心筒體上，筒體內可安裝刮板運輸機，供開挖面出土之用。回轉部分采用油馬達或變速電機驅動。舉重臂的伸縮由千斤頂來推動。此種拼裝機能在拼裝襯砌的同時進行開挖面的出土工作。

　　環向回轉式拼裝機　在支承環的環梁上或盾構千斤頂頂鐵附近的盾尾殼體上裝設支承托輥，在托輥上裝設環形大轉盤，轉盤上設舉重臂。拼裝襯砌時，環形轉盤用油馬達使之回轉，舉重臂的徑向伸縮和縱向前後移動由千斤頂來推動。這種拼裝機工作面寬敞，中間可安裝出土設備，襯砌拼裝和出土可同時進行。

　　盾構類型　按其構造和開挖地層的方法可分為：

　　手掘式盾構　施工時用人工開挖土體，沒有復雜的開挖和出土的機械設備。開挖面可根據地層條件，采用敞胸開挖，或采用正面支撐開挖，以防止土層坍塌。在松散的砂土層中掘進時，還可按砂土休止角將開挖面分成幾層，構成棚式盾構。手掘式盾構具有構造簡單、配套設備較少，造價低等優點。

　　擠壓式盾構　在盾構的前端用胸板封閉以擋住土體，使不致發生地層坍塌和水土湧入盾構內部的危險。盾構向前推進時，胸板擠壓土層，土體從胸板上的局部開口處擠入盾構內，因此可不必開挖，使掘進效率提高，勞動條件改善。這種盾構稱為半擠壓式盾構，或局部擠壓式盾構（圖2）。在特殊條件下，可將胸板全部封閉而不開口放土，構成全擠壓式盾構。在擠壓式盾構的基礎上加以改進，可形成一種胸板為網格的網格式盾構（圖3），其構造是在盾構切口環的前端設置網格梁，與隔板組成許多小格子的胸板；借土的凝聚力，用網格胸板對開挖面土體起支撐作用。當盾構推進時，土體克服網格阻力從網格內擠入，把土體切成許多條狀土塊，在網格的後面設有提土轉盤，將土塊提升到盾構中心的刮板運輸機上並運出盾構，然後裝箱外運。擠壓式盾構和網格式盾構僅適用於軟塑地層。

　　半機械式盾構　在手掘式盾構的前端，裝上反鏟挖土機或螺旋切削機以代替人工開挖。如土質堅硬可裝上軟巖切削頭來開挖土層。

　　機械式盾構　在盾構前面的刃口處，裝上和盾構直徑相應的切削刀盤，以實現全斷面的切削開挖。如地層能夠自立，或采取輔助措施後能自立時，可用開胸的機械式盾構；如地層較差，又不采取輔助措施時，則需采用閉胸的機械式盾構。這類盾構在實際使用中主要有：①局部氣壓盾構。在盾構的切口環和支承環間設密封隔墻，使形成密封艙，在艙內通入壓縮空氣，用氣壓穩定開挖面土體。局部氣壓盾構的優點是操作人員可在常壓下工作。但由於出土裝置、盾尾密封裝置和襯砌接縫間的漏氣等技術上的難題不易解決，故使用不多。②泥水加壓盾構。是在局部氣壓盾構基礎上發展而成（圖4）。由於局部氣壓盾構存在連續出土和漏氣問題，並在同樣壓力差和空隙條件下，漏氣量比漏水量大80倍之多，因此在局部氣壓盾構的密封艙內通入泥水以代替壓縮空氣，利用泥水壓力來穩定開挖面土體，同時避免盾尾和襯砌接縫等處產生漏氣。盾構掘進時，轉動開挖面大刀盤以切削土層，切削下來的土可利用泥水通過管道送往地面處理，從而解決瞭密封艙內的連續出土問題。由於泥水盾構既能抵抗地下水壓，又無壓縮空氣的泄漏和噴發問題，故對隧道埋深的適應性較大；棄土可采用管道輸送，安全可靠，效率較高。缺點是配套設備較多，施工費用和設備投資較高。③土壓平衡式盾構。也稱泥土加壓式盾構，在盾構切口環和支承環間裝有密封隔板，使盾構開挖面構成一密封艙，其前端是一個全斷面切削的大刀盤，用以開挖地層。密封隔板的中間裝有一臺長筒形螺旋運輸機，進土口設在密封艙內的中心或下部，出土口在密封艙外(圖5)。土壓平衡的作用，是用刀盤切削下來的土充填整個密封艙，並保持一定的壓力去平衡開挖面土壓力。螺旋運輸機的出土量要密切配合刀盤切削速度，使密封艙內始終充滿泥土而不致擠得過密或過松；同時配合千斤頂頂進速度，以達到平衡開挖面地層側壓力的效果。土壓平衡式盾構，既避免瞭局部氣壓盾構的缺點，又省略瞭泥水加壓盾構的泥水輸送和處理設備，乃是一種很有發展前途的新穎盾構。（見彩圖）