盾构掘进机的施工原理
随着社会经济的飞速发展，越来越多的开发地下空间，各种隧道工程的需求对施工技术提出了更高的要求，促进了隧道施工技术的发展。隧道的施工方法从传统的明挖法、盖挖法、矿山法发展到管段沉放法、盾构法、全断面隧道岩石掘进机工法等。
从Brunet于1843年首次用盾构工法建造横穿英国泰晤士河河底隧道成功，至今已有172年。盾构法是以盾构掘进机(简称盾构，Shield Machine)为核心的一整套完整的建造隧道的施工方法。如图1-1所示，现代盾构掘进机是一种地面下暗挖隧道的自动化机械，它具有能够旋转的刀盘和可以移动的钢结构外壳。现代盾构机不仅能够实现暗挖，而且安全、掘进速度快、自动化程度高，已经能够应用在各类土质和软岩地层的隧道挖掘。盾构机的设计制造涉及到土木工程学、力学、机械学、控制科学、信息科学等多学科，是非常复杂的机电装备，属于技术密集型产品。
盾构法施工时，通过盾构机可以进行开挖、支护、衬砌、等多种作业的一体化施工，实现了隧道施工的工厂化作业。盾构工法存在如下一些优点：
(1)在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工。
(2)盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度快，施工劳动强度较低。
(3)地面人文自然景观受到良好的保护，周围环境不受施工干扰；在松软地层中，开挖埋置深度较大的长距离、大直径隧道，具有经济、技术、安全、军事等方面的优越性。
盾构法施工的隧道直径可以小到0.2m，大到18 m，适用于地铁隧道、铁路隧道、公路隧道、引水隧道、矿山巷道、城市市政隧道等各种隧道工程。
盾构工法的缺点有:
(1)盾构机械造价较昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂；在饱和含水的松软地层中施工，地表沉陷风险较大。
(2)需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及堵漏、施工测量、场地布置、盾构转移等施工技术配合，系统工程协调复杂。
(3)建造短于750m的隧道经济性差；对隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工难度较大。
图1-2所示为一种泥土加压平衡式盾构施工设备简图。刀盘实现挖掘功能并承受正面的水土压力，盾壳承受周围土层的水土压力并将水土挡在外面，盾壳内装有排碴、管片拼装、推进和同步注浆与密封等机械装置，此外，盾构掘进机还有各种配套装备。盾构掘进机能够进行土体开挖、碴土排运、衬砌拼装和盾体推进等系列操作，使隧道结构施工一次完成。
盾构施工时，需先在隧洞某段的一端开挖竖井或基坑，将盾构机吊入安装，盾构机从竖井或基坑的墙壁开孔处开始掘进并沿着设计的隧洞轴线推进，直至到达隧洞轴线中的另一竖井或隧洞的某个交汇点。根据施工条件的不同，将一段连续的掘进过程分为始发、初期掘进、正式掘进及到达掘进四个阶段。盾构机正式掘进时处于稳定的工作周期，即盾构机掘进—管片拼装(盾构机停)—盾构机掘进……，出碴列车的运行周期与盾构机的工作周期相吻合，即：列车进入隧道运送管片时间+列车开出隧道运送碴土时间=盾构机1个掘进周期。
盾构法施工主要有由稳定开挖面、挖掘(包括排土)、衬砌(包括壁后灌浆)三大要素组成。其工作原理也体现在这几个方面。
开挖面的稳定根据土质以及地下水等情况的不同有不同的方法。主要有开挖面的自然稳定即敞口放坡，机械式支撑稳定，压缩空气支撑稳定，泥水式支撑稳定以及土压式式支撑稳定等。现代盾构机大多采用后面两种方法。
土体的开挖有很多种，其中手工挖掘方法是最简单的一种方法，只有在特别的土质以及隧洞很短的极少数情况下才用，比较普遍的是机械开挖。机械开挖有部分断面开挖和全断面开挖两种情况。部分断面开挖通常由装有特别刀齿和刀头的挖掘头或由挖掘铲对开挖断面进行某个部位的挖掘，并通过移动挖掘头或挖掘铲来完成对整个断面的开挖，其挖掘过程可由手工进行操作控制或自动化控制。全断面开挖包括:旋转刀盘挖掘，即由在不同半径位置依次排列的刀具切削土体来完成全断面的一次性开挖；高速射流进行的水力挖掘；挤压式的挖掘，即通过顶推力使具有良好塑性的土壤被挤入盾构前的开口中。目前，盾构掘进机大多采用回转刀盘进行全断面挖掘。
开挖出来的物料运输，由土质情况、挖掘方式及开挖面支撑方式等决定，开挖物料在隧道内的输送一般由输运管线(泥水)或皮带运输机装运卡车、装运出碴列车等方式。
现代的衬砌技术一般有预制管片、模板浇注、喷混凝土等几种方式，盾构法施工大多采用预制管片。预制管片有铸铁、铸钢、预制钢、钢筋混凝土、钢纤维加强混凝土等类型。对于预制管片外壁面与开挖隧洞内壁面之间存在间隙，通过同步注浆方法进行填实，以减少地面的沉降。
注：著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处，作者：广州市新欧机械有限公司黄志坚教授，020-82333916