在软土和软岩地层中修建隧道
时，用盾构法
进行开挖和衬砌拼装的专用机械设备(图1), 其外壳通常为圆筒形的装配式或焊接式金属结构，也有配合隧道使用要求而做成矩形、马蹄形或半圆形等外形的。盾构的种类较多，但其基本构造均由壳体、推进设备、衬砌拼装机等组成。 盾构壳体 沿盾构长度方向分为切口环、支承环和盾尾三部分。前面是切口环，设有刃口，
施工时切入土层，具有开挖和支撑土体的功能。其长度在手掘式盾构中，应考虑掩护工人开挖地层的安全和方便,冷风门
一般为1.2～2.5米左右。 在机械化盾构中，只考虑容纳开挖机具。中部为支承环,是盾构的主要受力结构,盾壳的外荷载均由其承受。在小盾构中是一个刚度较大的圆环结构，在大中型盾构中则是一个钢制构架。推动盾构前进的千斤顶均设置在支承环的内周。在大中型盾构中通常把液压动力设备、配电盘、盾构操纵台等均安装在支承环的空间内。支承环的长度决定于盾构千斤顶的长度，它又与衬砌环的宽度有关，一般比最大衬砌环宽度长0.2～0.3米，约为1.8～2.2米。后部为盾尾，是由盾构外壳钢板延长构成，在盾尾的掩护下拼装隧道衬砌。盾尾末端设有盾尾密封装置，以防止泥水和注浆材料从盾尾与衬砌之间的空隙内流入。目前，普遍采用的盾尾密封装置有钢丝刷型和橡胶型两种。盾尾长度应保证盾构千斤顶活塞杆缩回后，能掩护1.5～2.5环衬砌宽度加千斤顶的顶铁厚度和0.1～0.2米的余量。切口环、支承环和盾尾长度之和为盾构长度。盾构的内径应比隧道衬砌外径略大，其空隙一般为衬砌外径的0.8％左右。 盾构长度与直径之比(L/D)称为盾构灵敏度。 它与盾构操纵的灵活性有着很大影响，其值越小，盾构操作越灵活，一般小盾构(D＝2～3米)的灵敏度约为1.5左右；中型盾构(D＝3～6米方形气囊)约为 1.0左右；大盾构（D＞6.0米）约为 0.75左右。常用的盾构直径约在3.0～10.0米之间。至80年代初,世界上最大的 盾构为直径12.84米的手掘式盾构。
推进设备160; 由盾构千斤顶和液压装置组成。后者又由输油泵、高压油泵、控制油泵及一系列管路和操纵阀件构成。简单的液压控制设备是用手动高压操纵阀直接控制千斤顶活塞杆的伸缩，可省去控制油路和电磁阀等装置,丰胸乳液简单、可靠、易行,但安全性较差。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，以克服盾构推进时所遇到阻力。这些阻力主要有:①盾构外表面与地层间的摩擦力;②盾构内表面与衬砌间的摩擦力；③盾构前面地层的正面阻力。盾构千斤顶一般沿支承环内周均匀分布，其数量与管片或砌块的分块有关，一般至少为管片数目的两倍或按管片的偶数倍增加，以便在盾构推进时保证管片均匀受压。盾构千斤顶由缸体、活塞和活塞杆、支承顶铁等部分组成。盾构推进时，由液压装置的高压油泵通过管路和操纵阀体使高压油进入千斤顶缸体，而使活塞杆根据需要伸出或缩回。盾构千斤顶使用的油压一般为30～40兆帕，每只千斤顶顶力约为1～2兆牛。盾构中除推进用千斤顶外，还可根据需要设置正面支撑千斤顶和工作平台伸缩千斤顶。盾构中的液压装置除了对上述三种千斤顶供油之外，同时用作衬砌拼装机械的油马达和提升设备的液压供油。
衬砌拼装机 其形式由盾构直径的大小、衬砌构件的材料和形式、出土方式等因素决定。
拼装机要具有抓住衬砌构件后能在盾构内作环向转动、径向伸缩和纵向前后移动的功能，以便使衬砌构件就位，其动力有液压、电动和手动。常用的拼装机有下列几种：
杠杆式拼装机160; 由举重臂和驱动机构组成。举重臂的一端是钳住构件的装置，另一端是平衡重，借以平衡衬砌构件的重量，使举重臂易于环向转动。举重臂的中间是液压伸缩杆，可作径向伸缩。拼装机的旋转用油马达直接传动，也有用液压千斤顶推动齿条和齿轮使之传动的。根据盾构直径的大小，可安装单臂式或双臂式的拼装机。后者主要用于大型盾构。
中空轴回转式拼装机 举重臂安装在盾构中心的空心筒体上，筒体内可安装刮板运输机，供开挖面出土之用。回转部分采用油马达或变速电机驱动。举重臂的伸缩由千斤顶来推动。此种拼装机能在拼装衬砌的同时进行开挖面的出土工作。
环向回转式拼装机 在支承环的环梁上或盾构千斤顶顶铁附近的盾尾壳体上装设支承托辊，在托辊上装设环形大转盘，转盘上设举重臂。拼装衬砌时，环形转盘用油马达使之回转，举重臂的径向伸缩和纵向前后移动由千斤顶来推动。这种拼装机工作面宽敞，中间可安装出土设备，衬砌拼装和出土可同时进行。
盾构类型 按其构造和开挖地层的方法可分为：
手掘式盾构 施工时用人工开挖土体，没有复杂的开挖和出土的机械设备。开挖面可根据地层条件，采用敞胸开挖，或采用正面支撑开挖，以防止土层坍塌。在松散的砂土层中掘进时，还可按砂土休止角将开挖面分成几层，构成棚式盾构。手掘式盾构具有构造简单、配套设备较少，造价低等优点。
挤压式盾构 在盾构的前端用胸板封闭以挡住土体，使不致发生地层坍塌和水土涌入盾构内部的危险。盾构向前推进时，胸板挤压土层，土体从胸板上的局部开口处挤入盾构内，因此可不必开挖，使掘进效率提高，劳动条件改善。这种盾构称为半挤压式盾构，或局部挤压式盾构（图2）。在特殊条件下,可将胸板全部封闭而不开口放土，构成全挤压式盾构。在挤压式盾构的基础上加以改进，可形成一种胸板为网格的网格式盾构（图3）, 其构造是在盾构切口环的前端设置网格梁，与隔板组成许多小格子的胸板；借土的凝聚力，用网格胸板对开挖面土体起支撑作用。当盾构推进时，土体克服网格阻力从网格内挤入，把土体切成许多条状土块，在网格的后面设有提土转盘，将土块提升到盾构中心的刮板运输机上并运出盾构，然后装箱外运。挤压式盾构和网格式盾构仅适用于软塑地层。
管形母线
半机械式盾构 在手掘式盾构的前端，装上反铲挖土机或螺旋切削机以代替人工开挖。如土质坚硬可装上软岩切削头来开挖土层。
机械式盾构 在盾构前面的刃口处，装上和盾构直径相应的切削刀盘，以实现全断面的切削开挖。如地层能够自立，或采取辅助措施后能自立时，可用开胸的机械式盾构；如地层较差,又不采取辅助措施时,则需采用闭胸的机械式盾构。这类盾构在实际使用中主要有：①局部气压盾构。在盾构的切口环和支承环间设密封隔墙，使形成密封舱，在舱内通入压缩空气，用气压稳定开挖面土体。局部气压盾构的优点是操作人员可在常压下工作。但由于出土装置、盾尾密封装置和衬砌接缝间的漏气等技术上的难题不易解决，故使用不多。②泥水加压盾构。是在局部气压盾构基础上发展而成（图4）。由于局部气压盾构存在连续出土和漏气问题，并在同样压力差和空隙条件下，漏气量比漏水量大80倍之多，因此在局部气压盾构的密封舱内通入泥水以代替压缩空气，利用泥水压力来稳定开挖面土体，同时避免盾尾和衬砌接缝等处产生漏气。盾构掘进时，转动开挖面大刀盘以切削土层，切削下来的土可利用泥水通过管道送往地面处理，从而解决了密封舱内的连续出土问题。由于泥水盾构既能抵抗地下水压，又无压缩空气的泄漏和喷发问题，故对隧道埋深的适应性较大；弃土可采用管道输送，安全可靠，效率较高。缺点是配套设备较多，施工费用和设备
投资较高。③土压平衡式盾构。也称泥土加压式盾构，在盾构切口环和支承环间装有密封隔板，使盾构开挖面构成一密封舱，其前端是一个全断面切削的大刀盘，用以开挖地层。密封隔板的中间装有一台长筒形螺旋运输机，进土口设在密封舱内的中心或下部,出土口在密封舱外(图5)。土压平衡的作用，是用刀盘切削下来的土充填整个密封舱，并保持一定的压力去平衡开挖面土压力。螺旋运输机的出土量要密切配合刀盘切削速度，使密封舱内始终充满泥土而不致挤得过密或过松；同时配合千斤顶顶进速度，以达到平衡开挖面地层侧压力的效果。土压平衡式盾构，既避免了局部气压盾构的缺点，又省略了泥水加压盾构的泥水输送和处理设备，乃是一种很有发展前途的新颖盾构。（见彩图）
盾构机-盾构机
全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。
盾构机-优点
用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。
盾构机-工作原理
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。
据了解，采用盾构法施工的掘进量占京城地铁施工总量的45%，目前共有17台盾构机为地铁建设效力。虽然盾构机成本高昂，但可将地铁暗挖功效提高8到10倍，而且在施工过程中，地面上不用大面积拆迁，不阻断交通，施工无噪音，地面不沉降，不影响居民的正常生活。不过，大型盾构机技术附加值高、制造工艺复杂，国际上只有欧美和日本的几家企业能够研制生产。
盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构（局部气压、全局气压），机械式盾构（开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构）。
泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。土压平衡式盾构机是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。
根据盾构机不同的分类，盾构开挖方法可分为：敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体开挖与运输。
a.敞开式开挖
手掘式及半机械式盾构均为半敞开式开挖，这种方法适于地地质条件较好，开挖面在掘进中能维持稳定或在有辅助措施是能维持稳定的情况，其开挖一般是从顶部开始逐层向下挖掘。若土层较差，还可借用千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑。采用敞开式开挖，处理孤立障碍物、纠偏、超挖均为其它方式容易。为尽量减少对地层的扰动，要适当控制超挖量与暴露时间。
b.机械切削式开挖
指与盾构直径相仿的全断面旋转切削刀盘开挖方式。根据地质条件的好坏，大刀盘可分为刀架间无封板及有封板两种。刀架间无封板适用于土质较好的条件。大刀盘开挖方式，在弯道施工或纠偏是不如敞开式开挖便于超挖。此外，清除障碍物也不如敞开式开挖。使用大刀盘的盾构，机械构造复杂，消耗动力较大。目前国内外较先进的泥水加压盾构、土压平衡盾构，均采用这种开挖方式。
c.网格式开挖
采用网格式开挖，开挖面由网格梁与格板分成许多格子。开挖面的支撑作用是由土的粘聚力和网格厚度范围内的阻力而产生的。当盾构推进是，土体就从格子里挤出来。根据土的性质，调节网格的开孔面积。采用网格式开挖时，在所有千斤顶缩回后，会产生较大的盾构后退现象，导致地表沉降，因此，在施工务必采取有效措施，防止盾构后退。
d.挤压式开挖
全挤压式和局部挤压式开挖，由于不出土或只部分出土，对地层有较大的扰动，在施工轴线时，应尽量避开地面建筑物。局部挤压时施工时，要精心控制出土量，以减少和控制地表变形。全挤压式施工时，盾构把四周一定范围内的土体挤密实。
盾构机问世至今已有近180年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。近30年来，通过
对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换，对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究解决，使盾构机有了很快的发展。盾构机尤其是土压平衡式和泥水式盾构机在日本由于经济的快速发展及实际工程的需要发展很快。德国的盾构机技术也有独到之处，尤其是在地下施工过程中，保证密封的前提以及高达0.3MPa气压的情况下更换刀盘上的刀具，从而提高盾构机的一次掘进长度。德国还开发了在密封条件下，从大直径刀盘内侧常压空间内更换被磨损的刀具。
盾构机的选型原则是因地制宜，尽量提高机械化程度，减少对环境的影响。
盾构法-一种关注盾构法
盾构法-正文
采用盾构为施工机具，在地层中修建隧道和大型管道的一种暗挖式施工方法。施工时在盾构前端切口环的掩护下开挖土体，在盾尾的掩护下拼装衬砌（管片或砌块）。在挖去盾构前面土体后，用盾构千斤顶顶住拼装好衬砌，将盾构推进到挖去土体空间内，在盾构推进距离达到一环衬砌宽度后，缩回盾构千斤顶活塞杆，然后进行衬砌拼装，再将开挖面挖至新的进程。如此循环交替，逐步延伸而建成隧道（图1）。
历史和发展 用盾构法修建隧道已有 150余年的历史。最早进行研究的是法国工程师M.I.布律内尔，他由观察船蛆在船的木头中钻洞，并从体内排出一种粘液加固洞穴的现象得到
启发，在1818年开始研究盾构法施工，并于1825年在英国伦敦泰晤士河下，用一个矩形盾构建造世界上第一条水底隧道(宽11.4米、高6.8米)。 在修建过程中遇到很大的困难，两次被河水淹没，直至1835年，使用了改良后的盾构，才于1843年完工。其后P.W.巴洛于1865年在泰晤士河底,用一个直径2.2米的圆形盾构建造隧道。1847年在英国伦敦地下铁道城南线施工中，英国人J.H.格雷特黑德第一次在粘土层和含水砂层中采用气压盾构法施工，并第一次在衬砌背后压浆来填补盾尾和衬砌之间的空隙，创造了比较完整的气压盾构法施工工艺，为现代化盾构法施工奠定了基础，促进了盾构法施工的发展。20世纪30～40年代，仅美国纽约就采用气压盾构法成功地建造了19条水底的道路隧道、地下铁道隧道、煤气管道和给水排水管道等。从1897～1980年，在世界范围内用盾构法修建的水底道路隧道已有21条。德、日、法、苏等国把盾构法广泛使用于地下铁道和各种大型地下管道的施工。1969灌浆剂年起，在英、日和西欧各国开始发展一种微型盾构施工法，盾构直径最小的只有1米左右,适用于城市给水排水管道、煤气管道、电力和通信电缆等管道的施工。
中国于第一个五年计划期间，首先在辽宁阜新煤矿，用直径 2.6米的手掘式盾构进行了疏水巷道的施工。中国自行设计、制造的盾构，直径最大为11.26米,最小为3.0米。正在修建的第二条黄浦江水底道路隧道,水下段和部分岸边深埋段也采用盾构法施工，盾构的千斤顶
总推力为108兆牛,采用水力机械开挖掘进。在上海地区用盾构法修建的隧道，除水底道路隧道外，还有地铁区间隧道、通向河海的排水隧洞和取水管道、街坊的地下通道等。
盾构法的优越性 盾构法施工得到广泛使用，因其具有明显的优越性：①在盾构的掩护下进行开挖和衬砌作业，有足够的施工安全性；②地下施工不影响地面交通,在河底下施工不影响河道通航;③施工操作不受气候条件的影响;④产生的振动、噪声等环境危害较小;⑤对地面建筑物及地下管线的影响较小。
盾构法施工准备工作 采用盾构法施工时，首先要在隧道的始端和终端开挖基坑或建造竖井，用作盾构及其设备的拼装井（室）和拆卸井（室），特别长的隧道，还应设置中间检修工作井（室）。拼装和拆卸用的工作井，其建筑尺寸应根据盾构装拆的施工要求来确定。拼装井的井壁上设有盾构出洞口，井内设有盾构基座和盾构推进的后座。井的宽度一般应比盾构直径大1.6～2.0米，以满足铆、焊等操作的要求。当采用整体吊装的小盾构时，则井宽可酌量减小。井的长度，除了满足盾构内安装设备的要求外，还要考虑盾构推进出洞时，拆除洞门封板和在盾构后面设置后座，以及垂直运输所需的空间。中、小型盾构的拼装井长度，还要照顾设备车架转换的方便。盾构在拼装井内拼装就绪，经运转调试后，就可拆除出洞口封板，盾构推出工作井后即开始隧道掘进施工（图2）。盾构拆卸井设有盾构进口，井的大小要便于盾构的起吊和拆卸。
盾构法施工工序 主要有土层开挖、盾构推进操纵与纠偏、衬砌拼装、衬砌背后压注等。这些工序均应及时而迅速地进行，决不能长时间停顿，以免增加地层的扰动和对地面、地下构筑物的影响。
土层开挖 在盾构开挖土层的过程中，为了安全并减少对地层的扰动，一般先将盾构前面的切口贯入土体，然后在切口内进行土层开挖，开挖方式有：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地层。由顶部开始逐层向下开挖，可按每环衬砌的宽度分数次完成。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土层。大刀盘可分为刀架间无封板的和有封板的两种，分别在土质较好的和较差的条件下使
用。在含水不稳定的地层中，可采用泥水加压盾构和土压平衡式盾构进行开挖。③挤压式开挖。使用挤压式盾构的开挖方式，又有全挤压和局部挤压之分。前者由于掘进时不出土或部分出土,对地层有较大的扰动,使地表隆起变形，因此隧道位置应尽量避开地下管线和地面建筑物。此种盾构不适用于城市道路和街坊下的施工，仅能用于江河、湖底或郊外空旷地区。用局部挤压方式施工时,要根据地表变形情况,严格控制出土量，务使地层的扰动和地表的变形减少到最低限度。④网格式开挖。使用网格式盾构开挖时，要掌握网格的开孔面积。格子过大会丧失支撑作用，过小会产生对地层的挤压扰动等不利影响。在饱和含水的软塑土层中，这种掘进方式具有出土效率高、劳动强度低、安全性好等优点。
推进操纵与纠偏 推进过程中，主要采取编组调整千斤顶的推力、调整开挖面压力以及控制盾构推进的纵坡等方法，来操纵盾构位置和顶进方向。一般按照测量结果提供的偏离设计轴线的高程和平面位置值，确定下一次推进时须有若干千斤顶开动及推力的大小，用以纠正方向。此外，调整的方法也随盾构开挖方式有所不同：如敞开式盾构，可用超挖或欠挖来调整；机械切削开挖，可用超挖刀进行局部超挖来纠正；挤压式开挖，可用改变进土孔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。拼装方法根据结构受
力要求，可分为通缝拼装和错缝拼装。通缝拼装是使管片的纵缝环环对齐，拼装较为方便，容易定位,衬砌圆环的施工应力较小,但其缺点是环面不平整的误差容易积累。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。错缝拼装的衬砌整体性好，但当环面不平整时，容易引起较大的施工应力。衬砌拼装方法按拼装顺序，又可分为先环后纵和先纵后环两种。先环后纵法是先将管片（或砌块）拼成圆环，然后用盾构千斤顶将衬砌圆环纵向顶紧。先纵后环法是将管片逐块先与上一环管片拼接好，最后封顶成环。这种拼装顺序，可轮流缩回和伸出千斤顶活塞杆以防止盾构后退，减少开挖面土体的走动。而先环后纵的拼装顺序,在拼装时须使千斤顶活塞杆全部缩回,极易产生盾构后退，故不宜采用。
衬砌背后压注 为了防止地表沉降，必须将盾尾和衬砌之间的空隙及时压注充填。压注后还可改善衬砌受力状态，并增进衬砌的防水效果。压注的方法有二次压注和一次压注。二次压注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压入豆粒砂，以防止地层坍塌；在继续推进数环后，再用压浆泵将水泥类浆体压入砂间空隙，使之凝固。因压注豆粒砂不易密实，压浆也难充满砂间空隙，不能防止地表沉降，已趋于淘汰。一次压注是随着盾构推进，当盾尾和衬砌之间出现空隙时，立即通过预留孔压注水泥类砂浆，并保持一定的压力，使之充满空隙。压浆时要对称进行，并尽量避
免单点超压注浆，以减少对衬砌的不均匀施工荷载；一旦压浆出现故障，应立即暂停盾构的推进。
盾构法施工时，还须配合进行垂直运输和水平运输，以及配备通风、供电、给水和排水等辅助设施，以保证工程质量和施工进度，同时还须准备安全设施与相应的设备。
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