目录
第一章 盾构施工概况
1.1 盾构法基本概念 ...................................................................................................... 1.2 盾构法的主要优点和存在的不足 .............................................................................
1.2.1 盾构法的主要优点 ............................................................................................ 1.2.2 盾构法存在的不足 ............................................................................................ 1.3 盾构的分类及适用条件 ...........................................................................................
第二章 盾构机地质适应性的确定
2.1 盾构的选型的原则与依据 ......................................................................................
2.1.1 盾构的选型的原则 .......................................................................................... 2.1.2 盾构的选型的依据 .......................................................................................... 2.2 盾构选型的主要方法 .............................................................................................
2.2.1 根据底层的渗透系数进行选型 ........................................................................ 2.2.2 根据地层的颗粒级配进行选型 ........................................................................ 2.2.3 根据地下水压进行选型 ................................................................................... 2.2.3 盾构选型时必须考虑的特殊因素 .................................................................... 2.3 盾构选型的确定 ....................................................................................................
第三章 盾构掘进参数的设定
3.1 盾构掘进土压的确定 ............................................................................................. 3.2 刀盘扭矩计算 .......................................................................................................
第四章 刀具配置与地质的适应性
4.1 刀具的分类 ........................................................................................................... 4.2 不同地质条件下刀具的选择
..................................................................................
1 2 2 3 3
15 15 16 16 16 17 18 19 19
22 22
23 24
4.2.1 切削刀 ......................................................................................................................................................................................................................................... 24 4.2.2 先行刀 ......................................................................................................................................................................................................................................... 25 4.2.3 贝型刀 ......................................................................................................................................................................................................................................... 25 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7
中心刀（鱼尾刀
、双刃或三刃滚刀 、锥形刀 、中心羊角刀） ................................ 26
仿形刀（或超挖刀） ................................................................................................................................................................................... 27 滚刀 ......................................................................................................................................................................................................................................... 28 齿刀 ......................................................................................................................................................................................................................................... 29
4.3 刀具布置与配置 ............................................................................................................................................................................................................................ 29
4.3.1 刀具的布置 ........................................................................................................................................................................................................................... 29 4.3.2 刀具配置方式 .................................................................................................................................................................................................................... 30 4.3.3 刀具配置的其他注意事项 ................................................................................................................................................................................ 31
第五章 盾构机始发与接收
5.1 盾构始发的工艺流程 .............................................................................................................................................................................................................. 33 5.2 盾构始发的施工技术 .............................................................................................................................................................................................................. 33
5.2.1 始发洞门的地层处理和降水 ......................................................................................................................................................................... 33 5.2.2 反力架安装与受力验算 ....................................................................................................................................................................................... 34 5.2.3 始发基座安装与受力验算 ................................................................................................................................................................................ 38 5.2.4 始发洞门凿除 .................................................................................................................................................................................................................... 43 5.2.5 洞口密封止水装置 ..................................................................................................................................................................................................... 43 5.2.6 盾构的始发 ........................................................................................................................................................................................................................... 45 5.3 反力架、负环管片及基座的拆除 .......................................................................................................................................................................... 54
5.3.1 拆除流程 ..................................................................................................................................................................................................................................... 54 5.3.2 拆除方法 ..................................................................................................................................................................................................................................... 55
5.3.3 停机时注意问题 ................................................................................................................................................................................................................ 55 5.4 盾构始发常见问题的预防或处理 .......................................................................................................................................................................... 56
5.4.1 加固效果不好 ....................................................................................................................................................................................................................... 56 5.4.2 开洞门时失稳 ....................................................................................................................................................................................................................... 56 5.4.3 始发后盾构机 “叩头 ” ..................................................................................................................................................................................... 56 5.4.4 密封效果不好 ....................................................................................................................................................................................................................... 56
5.4.5 盾尾失圆 ..................................................................................................................................................................................................................................... 57 5.4.6 支撑系统失稳 ....................................................................................................................................................................................................................... 57 5.4.7 地面沉降较大 ....................................................................................................................................................................................................................... 57 5.5 盾构接收的工艺流程 .............................................................................................................................................................................................................. 58
5.6 盾构接收的施工技术 .............................................................................................................................................................................................................. 58
5.6.1 盾构接收前准备工作 ................................................................................................................................................................................................. 58 5.6.2 接收洞门钢环复测 ..................................................................................................................................................................................................... 59 5.6.3 接收段掘进控制 ............................................................................................................................................................................................................. 60 5.6.4 同步注浆及二次注浆 .............................................................................................................................................................................................. 61 5.6.5 管片拼装及加固 ............................................................................................................................................................................................................. 62 5.6.6 托架安装及洞门凿除 .............................................................................................................................................................................................. 62 5.6.7 洞门防水装置的安装 .............................................................................................................................................................................................. 63 5.7 盾构接收常见问题的预防或处理 .......................................................................................................................................................................... 63
5.7.1 盾构机出洞前无法降压处理 ............................................................................................................................................................................ 63
5.7.2 破洞门过程中出现渗漏处理 ............................................................................................................................................................................ 64 5.7.3 洞门圈漏水涌泥处理 ................................................................................................................................................................................................. 64
第六章 渣土改良
6.1 盾构机具有的渣土改良设备 .................................................................................. 6.2 不同地层渣土改良剂的选择 .................................................................................. 6.3 渣土改良试验 ....................................................................................................... 6.3 施工中遇到的问题及处理措施
65 66 66
..............................................................................68 第七章 同步注浆
70 70 71 72
............................................................................ 72
72 72 73
..............................................................................73
73 74 74 75 75 75 76
第八章 开仓换刀
77
7.1 同步注浆目的及原理 ............................................................................................. 7.2 同步注浆工艺流程 ................................................................................................ 7.3 注浆设备 ............................................................................................................... 7.4 注浆材料和配合比的选择 ......................................................................................
7.4.1 注浆材料应具备的基本性能 7.4.2 注浆材料 ........................................................................................................ 7.4.3 浆液主要物理力学指标 ................................................................................... 7.4.4 浆液配合比 ..................................................................................................... 7.5 同步注浆主要技术参数的确定
7.5.1 注浆量的计算 ................................................................................................. 7.5.2 注浆压力的确定 ............................................................................................. 7.5.3 注浆量和注浆压力的控制 ............................................................................... 7.6 注浆质量控制 .......................................................................................................
7.6.1 浆液搅拌 ........................................................................................................ 7.6.2 浆液运输及注入 ............................................................................................. 7.7 同步注浆质量保证措施 .........................................................................................
8.1 开仓位置选择 .......................................................................................................
8.2 地面加固施工措施 ..................................................................................................................................................................................................................... 78
8.2.1 下行线开仓地面加固施工措施 .................................................................................................................................................................. 78 8.2.2 上行线开仓地面加固施工措施 .................................................................................................................................................................. 82 8.3 带压开仓施工流程 ..................................................................................................................................................................................................................... 84
8.3.1 压力设定 ..................................................................................................................................................................................................................................... 84 8.4 作业前的准备工作 ..................................................................................................................................................................................................................... 84
8.4.1 人员的安排 ........................................................................................................................................................................................................................... 84 8.5.2 工期安排 .................................................................................................................................................................................................................................. 85 8.5.3 机电系统准备 .................................................................................................................................................................................................................... 85 8.4.4 土工系统的准备 ............................................................................................................................................................................................................. 86 8.5.5 盾构到达预定换刀位置 ....................................................................................................................................................................................... 87 8.5 带压作业过程 ................................................................................................................................................................................................................................... 87
8.5.1 进仓前压力试验 ................................................................................................................................................................................................................ 87 8.5.2 带压进仓 ..................................................................................................................................................................................................................................... 88 8.5.3 土仓作业 ..................................................................................................................................................................................................................................... 88 8.6 恢复正常掘进 ................................................................................................................................................................................................................................... 89
盾构施工技术总结
第一章 盾构施工概况
1.1 盾构法基本概念
盾构法是在地面下暗挖隧道的一种施工方法。构成盾构法施工的主要内容是：先在隧
道某段的一端建造竖井或基坑， 以供盾构安装就位。 盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，
在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻
力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制隧道衬砌结构，再传到竖井或基坑的后靠
壁上，盾构是这种施工方法中最主要的独特的施工机具。它是一个能支承地层压力而又能
在地层中推进的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状的钢筒结构，在钢筒的前面设置各种类型
的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内面安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有
一定空间的壳体，在盾尾内可以拼装一至二环预制的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，
就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向紧靠盾尾后面的开挖坑道周边与衬砌环外周之间
的空隙中压注足够的浆体，以防止隧道及地面下沉。在盾构推进过程中不断从开挖面排出
适量的土方。盾构法施工的概貌如图
1-1 所示。
图 1-1 盾构施工概貌
1 －盾构； 2 －盾构千斤顶； 3 －盾构正面网格； 4－出土转盘； 5 －出土皮带运输机； 6 －管片拼装机；
7 －管片； 8 －压浆泵； 9－压浆孔； 10－出土机； 11 －由管片组成的隧道衬砌结构； 压浆； 13 －后盾管片； 14 －竖井。
12 －在盾尾空隙的
使用盾构法，往往需要根据穿越土层的工程地质水文地质特点辅以其他施工技术措施。
主要有：
1．疏干掘进土层中地下水的措施；
2．稳定地层、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施； 3．隧道衬砌的防水堵漏技术； 4．配合施工的监测技术；
5．气压施工中的劳动防护措施； 6．开挖土方的运输及处理方法等。
盾构法是一种安全而有效的施工法，但不是万能施工法。为此有必要充分掌握盾构施
工法的特点。
1.2 盾构法的主要优点和存在的不足 1.2.1 盾构法的主要优点
1． 除竖井施工外，施工作业均在地下进行，噪音、振动引起的公害小，既不影响地面
交通，又可减少对附近居民的噪音和振动影响。
2． 盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行， 施工易于管理，施工人员也较少，
劳动强度低，生产效率高。
3． 土方量外运较少。
4． 穿越河道时不影响航运。
5． 施工不受风雨等气候条件影响。
6． 隧道的施工费用不受覆土量多少影响， 适宜于建造覆土较深的隧道。 在土质差水位
高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较好的技术经济优越性。
7． 当隧道穿过河底或其他建筑物时，不影响施工。
8． 只要设法使盾构的开挖面稳定，则隧道越深、地基越差、土中影响施工的埋设物
等越多，与明挖法相比，经济上、施工、进度上越有利。
1.2.2 盾构法存在的不足
1． 当隧道曲线半径过小时，施工较为困难。
2． 在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，开挖面稳定甚为困难，甚至不能施工，而在
水下时，如覆土太浅则盾构法施工不够安全，要确保一定厚度的覆土。
3． 竖井中长期有噪声和振动，要有解决的措施。
4． 盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时， 对劳动保护要求较高，施工条件差。
5． 盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止， 特别在饱和含水松软的土层
中，要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内，目前还不能完全防止以盾构
正上方为中心土层的地表沉降。
6． 在饱和含水地层中， 盾构法施工所用的拼装衬砌， 对达到整体结构防水性的技术要
求较高。
7． 用气压施工时，在周围有发生缺氧和枯井的危险，必须采取相应的办法。
1.3 盾构的分类及适用条件
盾构的的形式可以从各个方面进行分类。
按手工和机械划分为：手掘式，半机械式，机械式三大类。
以工作面挡土方式划分：敞开式，密闭式。
以气压和泥水加压方式划分：气压式，泥水加压式，土压平衡式，加水式，高浓度泥
水加压式，加泥式。
1．手掘式盾构。手掘式盾构是盾构的基本形式，世界上仍有工程采用手掘式盾构，如
图 1-2 所示。按不同的地质条件，开挖面可全部敞开人工开挖；也可用全部或部分的正面支撑，根据开挖面土体自立性适当分层开挖，随挖土随支撑。开挖士方量为全部隧道排土量。这种盾构便于观察地层和清除障碍，易于纠偏，简易价廉，但劳动强度大，效率低，如遇正面坍方，易危及人身及工程安全。在含水地层中需辅以降水、气压或土壤加固。
这种盾构由上而下进行开挖， 开挖时按顺序调换正面支撑千斤顶， 开挖出来的土从下
半部用皮带运输机装入出土车，采用这种盾构的基本条件是：开挖面至少要在挖掘阶段无
坍塌现象，因为挖掘地层时盾构前方是敞开的。
手掘式盾构的适用地层：手掘式盾构有各种各样的开挖面支撑方法，从砂性土到粘性
土地层均能适用，因此较适应于复杂的地层，迄今为止施工实例也最多，该形式的盾构在
开挖面出现障碍物时，由于正面是敞开的，所以也较易排除。由于这种盾构造价低廉，发
生故障也少，因此是最为经济的盾构。在开挖面自立性差的地层中施工时，它可与气压、
降水、化学注浆等稳定地层的辅助施工法同时使用。
图 1-2
手掘式盾构
2．挤压式盾构。当敞开式盾构在地质条件很差的粉砂土质地层、粘土层中施工时，土
就会从开挖面流入盾构、引起开挖面坍塌，因而不能继续开挖，这时应在盾构的前面设置
胸板来密闭前方，同时在脚板上开出土用的小孔，这种形式的盾构就叫挤压式盾构
(见图
1-3) 。盾构在挤压推进时，土体就会从出土孔如同膏状物从管口挤出那样，挤入盾构。根
据推进速度来确定开口率。 当开口率过大时， 出土量增加， 会引起周围地层的沉降； 反之，
就会增大盾构的切入阻力，使地面隆起。采用挤压盾构时，对一定的地质条件设置一定的
开口率、控制出土量是非常重要的。
挤压盾构是将手掘式盾构胸板封闭，以挡住正面土体。这种盾构分为全挤压式或局部
挤压式两种， 它适用于软弱粘性土层。 盾构全挤压向前推进时， 封闭全部胸板， 不需出土，
但要引起相当大的地表变形。当采用局部挤压式盾构，要部分打开胸板，将需要排出的土
体从开口处挤入盾构内，然后装车外运，这种盾构施工，地表变形也较大。
挤压式盾构适用地层 :挤压式盾构的适用范围取决于地层的物理力学性能。它是按含砂
率—内聚力、液性指数—内聚力的关系来确定其适用范围。根据施工经验，内聚力即使超
出该范围，在含砂率小的地层中也可能适用。根据迄今为止的施工经验，当土体含砂率在
20% 以下、液性指数在 60% 以上、内聚力在 0.5kg/cm 2 以下时，盾构的开口率一般为 2～
0.8% ，在极软弱的地层中，开口率也有小到的 0.3% 。在挤压式盾构的施工区间内如遇有
为了建筑物或地层加固而进行过化学注浆的地基时，将会影响挤压盾构的推进，因此应预
先考虑到把盾构胸板做成可拆卸的形式。
图 1-3
挤压盾构
3．网格式盾构，在上海软土层中常常被采用。它具有的特点是，进土量接近或等于
全部隧道其出土量， 且往往带有局部挤压性质， 盾构正面装钢板网格， 在推进中可以切土， 而在停止推进时可起稳定开挖面的作用。切入的土体可用转盘、皮带运输机、矿车或水力
机械运出，如图 1-4 所示。这种盾构法如在土质较适当的地层中精心施工，地表沉降可控
制到中等或较小的程度。在含水地层中施工，需要辅以疏干地层的措施。
图 1-4
网格式盾构
1 －盾构千斤顶（推进盾构用） ；2 －开挖面支撑千斤顶； 3－举重臂（拼装装配式钢筋混凝土衬砌用） 4 －堆土平台（盾构下部土块由转盘提升后落入堆土平台） ； 5－刮板运输机，土块由堆土平台进入后输
出； 6－装配式钢筋混凝土衬砌；
7 －盾构钢壳； 8－开挖面钢网格； 9 －转盘； 10 －装土车。
4．半机械式盾构。半机械式盾构是如图 1-5 所示。半机械式盾构是介于手掘式和机械式盾构之间的一种形式，它更接近于手掘式盾构。它是在敞开式盾构的基础上安装机械挖土和出土装置，以代替人工劳动，因而具有省力而高效等特点。
机械挖土装置前后、左右、上下均能活动。它有铲斗式、切削头式和两者兼有等三种形式。它的顶部与手掘式盾构相同，装有活动前檐、正面支撑千斤顶等。
盾构的机械装备有如下形式：
①盾构工作面下半部分装有铲斗、切割头等。
②盾构工作面上半部分装有铲斗、下半部分装有切割头。
③盾构中心装有切割头。
④盾构中心装有铲斗。
形式①：盾构工作面上半部装有正面支撑千斤顶和作业平台，上半部工作面由人工挖
掘，挖掘的土、砂落到下半部分，下半－部分由铲斗和装载机进行挖掘和出土。
形式②：盾构的上半部工作面由铲斗或者装载机挖掘，下半部工作面由切割头或铲斗
；
进行挖掘和出土。
形式③：由切割头进行挖掘和出土。
形式④：由铲斗式挖掘机进行挖掘和出土。
半机械盾构的适用地层： 半机械式盾构比手掘式盾构更适用于良好地层。 形式①适用于
开挖面需作支撑的地层， 形式②～④适用于能自立的地层。 形式②大多适用于亚粘土与砂砾
的夹层。形式③大多适用于固结粘上层、 硬质砂土层。形式④大多适用于粘土和砂砾混合层。
图 1-5
半机械式盾构
5．开胸机械切削盾构。当地层能够自立，或采用辅助措施后能够自立时，在盾构的
切口部分，安装与盾构直径相适应的大刀盘，以进行全断面开胸机械切削开挖，如图 所示。机械式盾构是一种采用紧贴着开挖面的旋转刀盘进行全断面开挖的盾构。它具有可
1-6
连续不断地挖掘土层的功能。能一边出土、一边推进，连续不断地进行作业。
机械式盾构的切削机构采用最多的是大刀盘形式，它有单轴式、双重转动式、多轴式数种，
其中单轴式使用得最为广泛。多根辐条状槽口的切削头绕中心轴转动，由刀头切削下来的土从
槽口进入设在外圈的转盘中，再由转盘提升到漏土斗中，然后由传送带把土送入出土车。
机械式盾构的优点除了能改善作业环境、 省力外，还能显著提高推进速度， 缩短工期。
问题是盾构的造价高，为了提高工作效率而带来的后续设备多，基地面积大等。因此若隧
道长度短时，就不够经济。与手掘式盾构相比，在曲率半径小的情况下施工以及盾构纠偏
都比较困难。
机械式盾构适用地层：机械式盾构可在极易坍塌的地层中施工，因为盾构的大刀盘本
身就有防止开挖面坍塌的作用。但是，在粘性土地层中施工时，切削下来的土易粘附在转
盘内，压密后会造成出土困难。因此机械式盾构大多适用于地质变化少的砂性土地层。
图 1-6
开胸式机械切削式盾构
7． 局部气压盾构。在机械盾构的支承环前边装上隔板，使切口与此隔板之间形成一
个密封舱。在密封舱内充满压缩空气，达到稳定开挖面土体的作用。这样隧道施工人员就 不处在气压内工作。在适当地质条件下，对比全气压盾构，无疑有较大优越性。但这种盾
构在密封舱、盾尾及管片接缝处易产生漏气问题，如图
1-7 所示。
图 1-7
局部气压式盾构
7．泥水加压式盾构。 泥水加压式盾构是在盾构正面与支承环前面装置隔板的密封舱中，
注入适当压力的泥浆来支撑开挖面，并以安装在正面的大刀盘切削土体，进土与泥水混合
后，用排泥泵及管道输送至地面处理（见图
1-8 ）
图 1-8 泥水加压式盾构
(a) 德国式 (b) 日本式
具体地讲，泥水加压盾构就是在机械式盾构大刀盘的后方设置一道隔板，隔板与大刀
盘之间作为泥水室， 在开挖面和泥水室中充满加压的泥水， 通过加压作用和压力保持机构，
保证开挖面土体的稳定。盾构推进时开挖下来的土就进入泥水室。由搅拌装置进行搅拌，
搅拌后的高浓度泥水用流体输送法送出地面，把送出的泥水进行水土分离，然后再把分离
后的泥水送入泥水室，不断地循环泥水加压盾构在其内部不能直接观察到开挖面，因此要
求盾构从推进、排泥到泥水处理全部按系统化作业。通过泥水压力、泥水流量、泥水浓度
等的测定，算出开挖土量，全部作业过程均由中央控制台综合管理。泥水加压盾构是利用
了泥水的特性对开挖面起稳定作用的，泥水同时具有下列三个作用。
（1） 泥水的压力和开挖面水土压力的平衡。
（2） 泥水作用到地层上后，形成一层不透水的泥膜，使泥水产生有效的压力。
（3） 加压泥水可渗透到地层的某一区域，使得该区域内的开挖面稳定。
就泥水的特性而言，浓度和密度越高，开挖面的稳定性越好，而浓度和密度越低泥水
输送时效率越高，因此考虑了以上条件，目前被广泛作为泥水管理标准的数值如下：
（1）容重： 1.05 ～1.25 （g/cm ）粘土、膨润土等。
3
（2）粘度： 20 ～40（ s），漏斗粘度 500/500ml 。
（3）脱水量： Q＜ 200ml ，（APL 过滤试验 3kg ／cm ,30min ）。
2
泥水加压盾构有日本体系及德国体系，如图
8 所示。两者区别是： 德国式的密封舱中
设置了起缓冲作用的气压舱，以便于人工控制正面泥浆压力，构造较简单；而日本式密封
舱中全是泥水， 要有一套自动控制泥水平衡的装置。 一般地说，泥水盾构对地层扰动最小，
地面沉降也最小，但费用最高。
泥水盾构适用地层：泥水加压盾构最初是在冲积粘土和洪积砂土交错出现的特殊地层
中使用，由于泥水对开挖面的作用明显， 因此软弱的淤泥质土层、 松动的砂土层、 砂砾层、
卵石砂砾层、砂砾和坚硬土的互层等均运用。泥水加压盾构对地层的适用范围之广。但是
在松动的卵石层和坚硬土层中采用泥水加压盾构施工，会产生逸水现象，因此在泥水中应
加入一些胶合剂来堵塞漏缝。在非常松散的卵石层中开挖时，也有可能失败。还有在坚硬
的土层中开挖时， 不仅土的微粒会使泥水质量降低， 而且粘土还常会粘附在刀盘和槽口上，
给开挖带来困难，因此应该予以注意。
泥水加压盾构的适用性：
（1）细粒土（粒径 0.074mm 以下）含有率在粒径累积曲线的
10% 以上。
（2）砾石（粒径 2mm 以上）含有率在粒径加积曲线的
60% 以上。
（3）自然含水量 18% 以上。
（4）无 200 ～30Omm 的粗砾石。
（5）渗透系数 K<10 -2 cm/s 。
8．土压平衡式盾构。土压盾构又称削土密闭式或泥土加压式盾构。它的前端有一个
全断面切削刀盘，切削刀盘的后面有一个贮留切削土体的密封舱，在密封舱中心线下部装
置长筒形螺旋输送机，输送机一头设有出入口，如图
1-9 所示。所谓土压平衡就是密封舱
中切削下来的土体和泥水充满密封舱，并可具有适当压力与开挖面土压平衡，以减少对土
体的扰动，控制地表沉降。这种盾构可节省泥水盾构中所必须的泥水平衡及泥水处理装置
的大量费用，主要适用于粘性土或有一定粘性的粉砂土。现已有加水或加泥水的新型土压
平衡盾构，可适用于多种土层。
图 1-9
土压平衡式盾构
土压平衡式盾构的基本原理，由刀盘切削土层，切削后的泥土进入土腔（工作室），
土腔内的泥土与开挖面压力取得平衡的同时由土腔内的螺旋输送机出土，装于排土口的排
土装置在出土量与推进量取得平衡的状态下，进行连续出土。土压平衡式盾构的产品名称
是各不相同的，即使是相类似的盾构，其名称也因开挖面稳定的方法和各公司对排土机构
开发过程的不同而各异。在使开挖面稳定条件不同的盾构中，把这种从土腔内用螺旋输送
机出土的盾构与泥水加压盾构相区别。土压平衡式盾构又分为：削土加压式，土压平衡加
水式，高浓度泥水加压式，加泥式等
4 类。
开挖工作面稳定机构： 土压平衡式盾构的开挖面稳定机构， 按地质条件可以分成二种型式，
一种是适用于内摩擦角小且易流动的淤泥、粘土等等的粘质土层；另一种是适用于土的内
摩擦角大、不易流动、透水性大的砂、砂砾等等的砂质士层。
（1）粘性土层中的开挖面稳定机构
在粉质粘土、粉砂、粉细砂等的粘性土层中，开挖面稳定机构的排土方式是：由刀
盘切削后的泥土先进入土腔内，在土腔内的土压与开挖面的土压（在粘性土中，开挖面土
压与水压的混合、压力作用）达到平衡的同时，由螺旋输送机把开挖的泥土送往后部，再
从出土闸门口出土。这种机构首先是由挖掘的泥土充满土腔，在软弱的粘性土地层中，由
刀盘切削后的泥土强度一般都比原状土的强度低，因而易流动。即使是在内聚力很高的土
层中，也由于刀盘的搅拌作用和螺旋输送机的搬运作用搅乱了土体，使土的流动性增大，
因此充满在土腔内和螺旋输运机内泥土的土压、可与开挖面的土压达到相等。当然这种充
满在土腔和输送机内泥土的土压必须在与开挖面土压相等的情况下由螺旋输送机排土，挖
掘量与排土量要保持平衡。但是，当地层的含砂量超过某一限度时，由刀盘切削的土流动
性变差，而且当土腔内泥土过于充满并固给时，泥土就会压密，难以挖掘和排土，迫使推
进停止。在这种情况下，一般采用的方法是：向土腔内添加膨润土、粘土等进行搅拌，或
者喷入水和空气，用以增加土腔内土的流动性。
（2）砂质土层中开挖面的稳定机构
在砂、砂砾的砂质土地层中，土的摩擦阻力大，地下水丰富，透水系数也高，因此，
依靠挖掘土的土压和排土机构与开挖面的压力（地下水压和土压）达到平衡就很困难。而
且由刀盘切削的土体流动性也不能保证，对于这样的土层仅采用排土机构的机械控制使开
挖面稳定是很困难的。因此要用水、膨润土、粘土、高浓度泥水、泥浆材料等等的混合料
向开挖面加压灌注，并不断地进行搅拌，改变挖掘土的成分比例，以此保证土的流动性和
止水性，使开挖面稳定。
开挖面的稳定机构可分为以下几种方式：
①切削土加压搅拌方式：在土腔内喷入水、空气、或者添加混合材料，来保证土腔内
的土砂流动性。在螺旋输送机的排土口装有可止水的旋转式送料器（转动阀或旋转式漏
斗），送料器的隔离作用能使开挖面稳定。
②加水方式：向开挖面加入压力水，保证挖掘土的流动性，同时让压力水与地下水压
相平衡。开挖面的土压由土腔内的混合土体的压力与其平衡，为了能确保压力水的作用，
在螺旋输送机的后部装有排土调整槽，控制调整槽的开度使开挖面稳定。
③高浓度泥水加压方式：向开挖面加入高浓度泥水，通过泥水和挖掘土的搅拌，以保
证挖掘土体的流动性，开挖面土压和水压由高浓度泥水的压力来平衡。在螺旋输送机的排
土口装有旋转式送料器，送料器的隔离作用使开挖面稳定。
④加泥式：向开挖面注入粘土类材料和泥浆，由辐条形的刀盘和搅拌机构混合搅拌挖
掘的土，使挖掘的土具有止水性和流动性。由这种改性土的土压与开挖面的土压、水压达
到平衡，使开挖工作面得到稳定。
土压平衡盾构较适应于在软弱的冲积土层中推进， 但在砾石层中或砂土层推进时， 加
进适当的泥土后，也能发挥土压平衡盾构的特点。因此
1983 年后，一般认为土压平衡盾
30mm 以内。但其要求施
构的适应性是强的， 土压平衡盾构施工后的地表沉降量可控制在
工人员具有相当丰富的施工经验，能根据地层和施工条件的变化采用一系列的施工管理方
法。
土压平衡盾构（含加泥式盾构）适用性：
（1） 细粒（粒径 0．074mm 以下）含有率在粒径加积曲线的 7% 以上。
（2） 砾石（粒径 2mm 以上）含有率在粒径加积曲线的 70% 以下。
（3） 粘性土（粘土、粉砂土含有率
4% 以上）的 N 值在 15 以下。
（4） 自然含水量，砂： 18% 以上，粘性土： 25% 以上。
（5） 渗透系数 K ＜ 5×10-2 cm/s 。
泥水加压盾构和土压平衡盾构是当前最先进的盾构形式，它们有自己的特点，但是，
它们不能完全取代其它类型的盾构形式，其理由之一就是它们的造价一般都高于其它类型
的盾构。
当某施工范围内的土层为软土， 并且地质情况变化不大， 地表控制沉降的要求不高时，
可采用挤压盾构。当施工沿线有可能出现障碍物时，也有采用开胸手掘式盾构的（手掘、
机械兼用等）。
第二章 盾构机地质适应性的确定
2.1 盾构的选型的原则与依据 2.1.1 盾构的选型的原则
盾构选型是盾构法隧道能否安全、环保、优质、经济、快速建成的关键工作之一，盾
构选型应从安全适应性、技术先进性、经济性等方面综合考虑，所选择的盾构形式要能尽
量减少辅助施工法并确保开挖面稳定和适应围岩条件，同时还要综合考虑一下因素：
1）可以合理使用的辅助施工法，如降水法、气压法、冻结法和注浆法等； 2）满足本工程隧道施工长度和线形的要求；
3）后配套设备、始发设施等能与盾构的开挖能力配套； 4）盾构的工作环境。
盾构选型时主要遵循一下原则：
1）应对工程地质、水文地质有较强的适应性，首先要满足施工安全的要求；
2）安全适应性、技术先进性与经济性相统一，在安全可靠的情况下，考虑技术先进
性与经济合理性；
3）满足隧道外径、长度、埋深、施工场地、周围环境等条件； 4）满足安全、质量、工期、造价及环保要求；
5）后配套设备的能力与主机配套，满足生产能力与主机掘进速度相匹配，同时具有
施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养的特点；
6）盾构制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。
盾构选型时，应根据以上原则，对盾构的形式和主要技术参数进行研究分析，以确保
盾构法施工的安全和可靠，选择最佳的盾构施工方法和最适宜的盾构。盾构选型是盾构法
施工的关键环节，直接影响盾构隧道的施工安全、施工质量、施工工艺及施工成本，为保
证工程的顺利完成，对盾构的选型工作应非常慎重。
2.1.2 盾构的选型的依据
一般地讲，采用盾构施工的地层大都是复杂多变的，
目前还没有一种万能的盾构适合
于各种地质条件。实际上，在选定盾构时，不仅要考虑到地质条件，还要考虑到盾构的外
径、隧道的长度、工程的施工程序、劳动力情况等，而且还要综合研究工程的施工环境、
基地面积、施工引起对环境的影响程度等。 选择盾构的种类一般要求掌握不同盾构的特征，
同时还要逐个研究如下几个项目：
1）工程地质、水文地质条件：颗粒分析及粒度分布，单轴抗压强度，含水率，砾石
直径，液限和塑限， N 值，粘聚力 c，内摩擦角 φ，土粒子相对密度，孔隙率和孔隙比，
地层反力系数，压密特性，弹性波速度，孔隙水压，渗透系数，地下水位（最高、最低、
平均），地下水的流速、流向，河床变迁情况等；
2）隧道长度、隧道平纵断面及横断面形状和尺寸等设计参数；
3）周围环境条件：地上及地下建构筑物分布，地下管线埋深及分布，沿线河流、湖
泊、海洋的分布，沿线交通情况、施工场地条件，气候条件，水电供应情况等；
4）隧道施工工程筹划及节点工期要求； 5）宜用的辅助工法； 6）技术经济比较。
盾构的选型一定要综合考虑各种因素， 不仅是技术方面的， 而且还有经济和社会方面
的因素，才能最后确定采用何种盾构施工。
2.2 盾构选型的主要方法
2.2.1 根据底层的渗透系数进行选型
地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的因素。通常当地层的渗透系数小于
10 m/s 时，可以选用土压平衡盾构； 当地层的渗透系数在 10 -7～ 10-4m/s 之间时，即可以
-7
选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的渗水系数大于
10-4 m/s 时，宜选用泥
水盾构。根据地层渗透系数与盾构类型的关系，若地层以各种级配富水的沙层、沙砾层为
主时，宜选用泥水盾构；其他地层宜选用土压平衡盾构，如图
2-1 所示。
图 2-1 地下透水性对盾构机选型的影响
2.2.2 根据地层的颗粒级配进行选型
土压平衡盾构主要是用于粉土、粉质粘土、淤泥质粉土、粉砂层等粘稠土壤的施工，
在粘性土层中掘进时，由刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋机输出，在螺旋机内形成
压力梯降，保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定。一般来说，细颗粒含量多，渣土
易形成不透水的流塑体，容易充满土仓的每个部位，在土仓中可以建立压力来平衡开挖面
的土体。
一般来说，当岩土中的粉粒和黏粒的总量达到
40 ％以上时，通常宜选用土压平衡盾
构，相反的情况选择泥水盾构比较合适。粉粒的绝对大小通常以
0.075mm 为准。
盾构类型与颗粒级配的关系详见图 2-2 ：
图 2-2 盾构类型与颗粒级配的关系
图中右边蓝色区域为粘土、淤泥质土区，为土压平衡盾构适用的颗粒级配范围
; 左边
的黄色区域为砾石粗砂区， 为泥水盾构适用的颗粒级配范围 ; 中间的绿色区域为细砂区域，
两类盾构都能适用。图 11 说明细颗粒含量多则碴土能形成不透水的塑流体。粗颗粒含量
高的碴土不能形成具备这种功能的碴土，因而不能实现土压平衡机理，除非对碴土进行改
良。
2.2.3 根据地下水压进行选型
当水压大于 0.3MPa 时，适宜采用泥水盾构。如果采用土压平衡盾构，螺旋输送机难
以形成有效的土塞效应，在螺旋输送机排土闸门处易发生渣土喷涌现象引起土仓中土压力
下降，导致开挖面坍塌。
当水压大于 0.3MPa 时，如因地质原因需采用土压平衡盾构，则需增大螺旋输送机的
长度或采用二级螺旋输送机，或采用保压泵。
2.2.3 盾构选型时必须考虑的特殊因素
在实际实施盾构选型时，还需解决理论的合理性与实际的可能性之间的矛盾。必须考
虑环保、地质和安全因素。
1）环保因素
对泥水盾构而言，虽然经过过筛、旋流、沉淀等程序，可以将弃土浆液中的一些粗颗
粒分离出来，并通过汽车等工具运输弃渣，但泥浆中的悬浮或半悬浮状态的细土颗粒仍不
能完全分离出来，而这些物质又不能随意处理，就形成了使用泥水盾构的一大困难。
要将弃土泥浆处理成可以作为固体物料运输的程度也是可以实现的，但是做到这点会
出现以下问题：
处理设备贵，增加工程投资；
用来安装这些处理设备需要的场地较大；
处理时间较长。
2）工程地质因素
盾构施工段工程地质的复杂性主要反映在基础地质和工程地质特性的多变方面，在一
个盾构施工段中，会出现某部分的施工环境适合选用土压平衡盾构，某些又适合选用泥水
盾构。盾构选型时要综合考虑并对不同选择进行风险分析后择其优者。
3）安全因素
从保持工作面的稳定、控制地面沉降的角度来看，当隧道断面较大时，使用泥水盾构
要比使用土压平衡盾构的效果好一些，特别是在河湖等水体下、在密集的建筑物与构筑物
下及上软下硬的地层中施工时。
2.3 盾构选型的确定
盾构机的选型一定要根据不同的工程、 不同的地质特点进行“量体裁衣”式设计和选型，
才能使盾构机更好的适应工程施工要求。
根据盾构施工法的特点，盾构机选型主要取决于盾构经过的地层的地质情况，同时，
所选盾构机必须具有与工期相适应的掘进速度，而且能够满足隧道施工的要求，根据本区
间地质特点，制造盾构机时有如下要求：
1、盾构机必须具备较强的稳定开挖面、防止开挖面坍塌的能力。 2、具有能够适应不同地层的刀盘。
3、在地质复杂区段中，有必要的手段能够对前方地层进行超前探测，以便及
时采取相应的施工技术措施。
4、能够防止突发地下水和开挖面坍塌的袭击，应设置紧急关闭土仓的装置。 5、盾构机有良好的密封性能。 6、导向系统精度高，导向准确。
7、为能及时更换刀具，人员必须进入土仓，应提供可靠的安全装置保护人员
安全。
根据南昌地区条件，结合本标段工程的隧道掘进技术要求，用于本区段施工的盾构掘
进机，必须具有稳定开挖面、平衡水土压力、最大限度减少地表沉陷的功能，必须具有较
强的纠偏抗扭与弯道施工的能力，必须具有较好的经济性和较长的使用寿命，必须确保各
项作业的安全性和可靠性。结合目前南昌地质资料，选用辐条式刀盘的复合式土压平衡式
盾构掘进机，是进行隧道掘进施工的一种较好机型，可以较好的控制地表的变形。
综上所述，我们对海瑞克、拉瓦特、川崎、日立等几种盾构机进行了全面的考查，经
过分析比较，并结合国内使用的经验，本标段选用海瑞克φ
6250mm 复合式土压平衡盾构
机，其特点如下：
1）就此项隧道工程的地质条件而言，复合式刀盘具有以下特征：
可在气压下在土舱内安全工作，有利于土压平衡。刀盘开口率（
40.5% ），可使软泥顺
利地从切削面流向土舱。直接将土压传至土压传感器，可以随时监测地质情况变化。易于
进入切削面（除去障碍物） 。易于钻探（土壤处理） 。
2）出土方式：螺旋输送机→皮带输送机→出碴车由轨道电瓶车运输。
3）注浆方式：盾构推进与管片背后注浆同步进行。
4）具有可升降气压的人控气压仓，用于土压平衡工况进入泥土密封仓排除故障或更
换刀具。
5）具有泡沫、膨润土聚合物注入系统 6）具有隧道掘进自动导向系统。
第三章 盾构掘进参数的设定
盾构掘进过程中，各项施工参数因地质状况和盾构隧道的埋深不同而产生变化。以下
是根据南昌红谷滩地区地质条件，结合本标段工程的隧道掘进技术要求对各项掘进参数进
行的分析和计算，当盾构因坡度变化、埋深发生变化时，盾构的各项参数结合工程实际情
况重新调整。
南昌红谷滩地区的地质情况，以砂土、粉土和粉质粘土为主。盾构推进参数确定时，
以不利因素考虑， 而后根据掘进过程中的实际情况再做调整。 现以盾构直径为 6250mm 的
海瑞克复合式土压平衡盾构在南昌红谷滩地区施工为依据，进行分析总结。
3.1 盾构掘进土压的确定
盾构推进时，开挖面土体的稳定性主要取决于推进土压的合理性。盾构推进参数的确
定时，以不利因素考虑，而后根据掘进过程中的实际情况再作调整。盾构的正面阻力由作
用于开挖面的土压和泥水压组成。在盾构施工中，确定合理的土压值是重要的环节之一，
也是地面隆起或沉降的重要决定因素，一般先通过理论计算，算出土压值，再在盾构掘进
过程中，不断调整，确定合理的土压值。
根据经验盾构掘进土压一般介于主动土压与被动土压之间。越接近主动土压时，盾构
掘进时对周围地层的扰动范围越小，一般在粘性土中采用下式进行计算上部土压力
P：
P=K ×r×H
其中， K 为土体侧压力系数（ K=0.45 ～0.8 ）； r 为土体平均容重； H 为地面至土仓上部覆
土厚度。
3.2 刀盘扭矩计算
变频调速电机驱动刀盘工作示意图见图
3-1 。
第四章 刀具配置与地质的适应性
盾构机刀具的配置是盾构机刀具设计中是非常重要的内容，其配置是否适合应用工程
的地质条件，直接影响盾构机的刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工
效率，而且选择的差异对盾构机造价也有着很大的影响
, 刀盘选型可以影响到总造价的
4％～ 8％。 4.1 刀具的分类
盾构机刀具可根据运动方式、布置位置和方式及形状等进行分类。按切削原理划分，
盾构机的刀具一般分为切削刀和滚刀两种，其余形式的刀具为辅助刀具。切削刀又分为齿
固定式
刀具
旋转式
刀、刮刀和先行刀等。
图 4-1 按运动方式分类
图 4-2 按安装方式分类
盾构机刀具按照安装位置可以分为修边刀、外沿保护刀、超前刀、掘削刀、加泥口保
护刀、导向钻具、中心刀等，如图 4-3 所示。
图 4-3 刀具按安装位置分类
4.2 不同地质条件下刀具的选择
对于不同地层的开挖，盾构的刀具通常采用不同型式：开挖地层为硬岩时，采用盘形
滚刀；地层为较软岩石时，采用齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采用切刀
(或刮刀 )。
4.2.1 切削刀
切刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构机向前推进的同时，
切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线
方向）切削力，在刀盘的转动下，刀刃和刀头部分插入到地层内部，不断将开挖面前方土
体切削下来。切削刀一般适用于粒径小于
400mm 的砂、卵石、粘土等松散体地层。
图 4-4 切削刀示意图
切削刀为盾构机开挖非岩质地层的基本刀具， 其形状、布局将对开挖效果有重要影响。
切削刀切削土体的示意见图
4-5。对于软土地层或经滚刀破碎后的碴土将通过切刀和刮刀
进行开挖。碴土随切刀、刮刀正面进入碴槽，因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有装
载的功能。
图 4-5 切削刀切削土体示意图
4.2.2 先行刀
先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置。先行刀在设计中主要考虑与其它刀具
组合协同工作。先行刀在切刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创造
良好的切削条件。先行刀的切削宽度一般比切刀窄，切削效率较高。采用先行刀，可显著
增加切削土体的流动性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。
在松散体地层，尤其是砂卵石地层先行刀的使用效果十分明显。
图 4-6 先行刀刀具形状及与切削刀协同切削土体的示意图
4.2.3 贝型刀
盘圈贝型刀实质上是超前刀，盾构机穿越砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层时，
若采用滚刀型刀具，因土体属松散体，在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，大大降低滚刀
的切削效果， 有时甚至丧失切削破碎能力。 采用盘圈贝型刀， 将其布置在刀盘盘圈前端面，
专用于切削砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体
(砂卵石 )的难题。
图 4-7 贝型刀刀具
4.2.4 中心刀（鱼尾刀 、双刃或三刃滚刀 、锥形刀 、中心羊角刀）
在软土地层掘进时，因刀盘中心部位不能布置切刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀（羊角刀）
，一般鱼尾刀超前 600 mm左右。鱼尾刀的设计和配置方式如下：其一让盾构分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中
心部位小圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其它切刀不在一个
平面上，即鱼尾刀超前切刀布置，保证鱼尾刀最先切削土体；其二是将鱼尾刀根部设计成
锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项
翻转运动，这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性和搅拌效果，
又大大提高盾构整体掘进效果。
在纯硬岩地层掘进时，刀盘中心位置布置双刃或三刃滚刀。
图 4-8 中心刀刀具
图 4-9 中心刀切削土体示意图
4.2.5 仿形刀（或超挖刀）
盾构机一般设计两把仿形刀 (一把备用 )，布置在刀盘的边缘上。施工时可以根据超挖
多少和超挖范围的要求，从边缘径向伸出和缩回仿形刀。仿形刀伸出最大值一般在
70～
150mm 之间。盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削土体创造所需空
间，保证盾构机在超挖少、 对周边土体干扰小的条件下， 实现曲线推进和顺利转弯及纠偏。
图 4-10 仿形刀示意图
4.2.6 滚刀
在纯硬岩地层掘进时，采用滚刀破岩。滚刀破岩的原理是依靠刀具滚动产生冲击压碎
和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。滚刀的类型、数量、布置方式、位置、超前量根
据岩层的强度和整体性、掘进距离、含砂量等特点确定。穿越松散地层但有大粒径的砾石
(粒径大于 400mm) 、并且含量达到一定比例时，也可采用滚刀型刀具。在隧道地质条件复 杂多变、岩石 (强度不算太高 )与一般土体 (或粘土或砂土 )交错频繁出现的情况， 也有可能采 用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。
滚刀分为齿形（球齿、楔齿）滚刀和盘形滚刀。
图 4-11 滚刀刀刀具示意图
安装在刀盘上的盘形滚刀在千斤顶的作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘形滚
刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。滚刀在刀盘的推力、扭矩作用下，在
掌子面上切出一系列的同心圆沟槽。当推力超过岩石的强度时，盘形滚刀刀尖下的岩石直
接破碎，刀尖贯入岩石， 形成压碎区和放射状裂纹 ;进一步加压， 当滚刀间距 S 满足一定条
件时，相邻滚刀间岩石内裂纹延伸并相互贯通，形成岩石碎片而崩落，盘形滚刀完成一次
破岩过程。目前，破岩滚刀中使用较多的是盘形滚刀。
图 4-12 滚刀破岩机理图
4.2.7 齿刀
在岩石较软的情况下掘进时，由于盘形滚刀与岩石掌子面之间不能产生一定的附着
力，将导致滚刀不能滚动而产生弦磨，滚刀不能滚动将失去有效的破岩功能。因此，在较
软的岩层中应将部分盘形滚刀更换成齿刀，利用齿刀进行破岩。由于齿刀上装有
2 个切削
刃，因此刀盘正反转时齿刀都能进行破岩。
图 4-12
齿刀和齿刀破岩机理图
4.3 刀具布置与配置 4.3.1 刀具的布置
刀具布置有两种方式：
第一种为刀具整体连续排列方式， 因其切削阻力较大， 盾构机密封舱内土体流动性差，
现已很少使用，仅偶尔在切削阻力小的淤泥质地层中采用；
第二种为刀具牙型交错连续排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封舱内土体
流动性好和易搅拌而被广泛使用。目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。
盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。根据不同地质情况选用不同类型的
刀具及刀具组合，实现刀具配置的灵便性，提高刀盘的开挖效率。目前盾构机上常用的主
要刀具有切刀、刮刀、齿刀、双刃滚刀、单刃滚刀、扩孔刀等。
4.3.2 刀具配置方式
刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况， 进行针对性设计， 不同的工程地质特点，
采用不同的刀具配置方案，以获得良好的切削效果和掘进速度。根据地质条件特点，可以
大致分为四种地层：软弱土地层；砂层、砂卵石地层；风化岩及软硬不均地层；单纯的纯
硬岩地层。
1、软弱土地层
其地质条件主要以淤泥、粘土和粉质粘土为主，
在软弱土地层一般只需配置切削型
刀具，如：切刀、周边刮刀、中心刀、先行刀和超挖刀。在软弱土地层刀盘可以采用面板
式结构，装有 1 把鱼尾形中心刀， 120 把切刀， 16 把周边刮刀及 1 把仿形刀。切刀安装在
开口槽的两侧， 覆盖了整个进碴口的长度。 刮刀安装在刀盘边缘。 由于刀盘需要正反旋转，
因此切刀的布置也在正反方向布置， 为了提高切刀的可靠性， 在每个轨迹上至少布置 2 把。
在周边工作量相对较大，磨损后对盾构切口环尺寸影响较大，在正反方向各布置了
8 把刮
刀。考虑到刀盘的受力均匀性， 刀具布置具有对称性。 刀具安装采用螺栓固定， 便于更换。
在切刀或刮刀的刃口和刃口背面镶嵌有合金和耐磨材料，以延长刀具的使用寿命，切刀的
破岩能力为 20MPa ，可以顺利地通过进出洞端头的加固地层。
2、砂层、砂卵石地层
其地质条件主要以砂，卵石地层为主，如遇到粒径较大的砾石或漂石，应配置滚刀进
行破碎。在砂层、砂卵石地层施工时，需设置（宽幅）切刀、周边刮刀、先行刀（重型撕
裂刀）、中心刀、仿形刀等刀具。切刀是主刀具，用于开挖面大部分断面的开挖；周边刮
刀也称保径刀，用于切削外周的土体，保证开挖断面的直径；先行刀在开挖面沿径向分层
切削，预先疏松土体，降低切刀的冲击荷载，减少切削力矩，同时重型撕裂刀用于破碎强
度较低和粒径较小的卵石和砾石；中心刀用于开挖面中心断面的开挖，起到定心和疏松部
分土体的作用；仿形刀用于曲线开挖和纠偏。滚刀用于破碎粒径较大的砾石或漂石。
3、风化岩及软硬不均地层
上软下硬、地质不均的复合地层，且局部岩石的单轴抗压强度较高
（ 150-200Mpa ）， 除配置切削型刀具外包括宽幅切刀、先行刀，还需配置滚刀，因而刀盘结构相对复杂。 对于岩层首先通过滚刀进行破岩， 且滚刀的超前量应大于切刀的超前量，在滚刀磨损后仍能避免切刀进行破岩， 确保切刀的使用寿命。 在曲线半径小的隧道掘进时，为了保证盾构的调向和避免盾壳被卡死，需要有较大的开挖直径，因此刀盘上需配置滚刀
型的仿形刀（或超挖刀） 。
4、单纯的纯硬岩地层
隧道断面范围内以混合片麻岩和混合花岗岩两种岩石为主，刀具全部选用滚刀，无任
何齿刀。有时，在刀盘面板周边开口处配备刮碴刮刀板。
4.3.3 刀具配置的其他注意事项
1、当岩石抗压强度较低，盘形滚刀破岩效果不理想时，则利用滚刀刀座安装齿刀进
行破岩，齿刀轨迹完全与滚刀相同，齿刀刀刃是对称的，因此刀盘正反转时都可以很好地
破碎软岩。
2、刀盘直径应考虑刀具磨损后开挖直径仍能大于盾构切口环的直径，以保证盾构姿
态的调整。边滚刀的允许磨损量为
15mm ，因此开挖洞径的允许变化量为 3Omm 。当边刀
不采用滚刀时，盾构开挖洞径的允许变化量为
20mm 。
3、在曲线半径小的隧道掘进时，为了利于盾构的调向，需要有较大的开挖直径，因
此根据地质情况的差异，可在刀盘上选择配置扩孔刀或滚刀型、齿刀型的仿形刀。
4、刀具布置的防泥饼措施
盾构机通过粘性土层时容易在刀盘中心区和土舱中心区形成泥饼。刀盘中心区的泥饼
会造成刀盘能够转动，但是盾构机却不能掘进的现象。土舱中心区的泥饼，则会造成刀盘
转动负荷加大，甚至停止转动，同时导致舱体内温度急剧升高，影响主轴承密封的寿命，
甚至毁坏轴承密封。
为了提高碴土的流动性，防止上述现象的发生，刀具布置采取了针对性较强的防泥饼
措施，即确保刀具凸出刀盘的较大间距。所有正面滚刀都高出刀盘面
175mm ，为开挖面
破除下来的碴土留出了足够的出碴空间；齿刀高出刀盘面
16Omm ，刮刀高出刀盘面
140mm 。
这样盾构在复合地层中掘进时，能使刀盘前方切削下来的碴土有较大的流动空间，有
利于刀盘前方碴土的流动。 同时，由于滚刀高出刮刀 35mm ，齿刀高出刮刀 20mm ，因此，
在硬岩地段掘进时刮刀受到滚刀和齿刀的保护，正面滚刀的最大磨损量为可达
50mm ，切
刀的最大磨损量则为 20mm 。
第五章 盾构机始发与接收
5.1 盾构始发的工艺流程
盾构始发是盾构施工的关键环节之一，其主要内容包括：端头地层加固、安装盾构机
始发基座、盾构机组装就位和调试、安装洞门密封圈、安装反力架、安装洞门密封帘布橡
胶板、拼装负环管片（含钢环、钢支撑） 、拆除洞门围护结构、盾构机贯入作业面加压和
掘进等。根据南昌地铁 1 号线长～蛟区间长江路站盾构始发，始发流程见图
5-1 盾构始发
流程图。
端头加固
端头洞门凿除
安装始发基座
盾构机组装、空载调试
安装反力架
盾构负载调试
盾构机推进
安装负环
No
盾尾通过洞口密封
注浆回填
盾构掘进和管片安装
图 5-1
盾构始发流程图
5.2 盾构始发的施工技术
5.2.1 始发洞门的地层处理和降水
在盾构始发之前，一般要根据洞口地层的稳定情况评价地层，并采取有针对性的处理
措施。本工程盾构在长江路站北端头设盾构工作井，为明挖结构，始发端头隧道穿越的地
层为粉砂土，粉性土的透水性较好，易引起流砂、管涌等不良地质现象，因此需要进行端
头加固。加固后土体强度需要达到以下指标：无侧限抗压强度 Qu=1.0 ～ 1.2Mpa ，渗透系
数 K≤1×10-7 米/秒。
盾构始发加固范围为：加固长度为
11m ，加固宽度为盾构外径两侧和底部各 3m 。
5-2 为
始发前对端头进行持续降水，直到水位到达盾构机底部以下并达到稳定。下图
端头井加固范围和降水井位置图。
长江路站北端头盾构始发加固范围和降水井平面布置图
地连墙
1# 2# 3#
加固区域
盾构掘进 上行线
长江路站北端头
5#
4#
盾构掘进
下行线
6#
注:
降水井
7# 8#
图 5-2
端头井加固范围和降水井位置图
5.2.2 反力架安装与受力验算
1、反力架的结构
在盾构主体与后配套连接之前，先进行反力架的安装。由于反力架为盾构始发时提供
反推力，在安装反力架时，反力架端面应与始发台轴线垂直，以便盾构轴线与隧道设计轴
线保持平行。安装时反力架与车站结构连接部位的间隙要垫实，以保证反力架脚板有足够
的抗压强度，其结构见图 5-3 反力架结构示意图。
图 5-3 反力架结构示意图
2、反力架安装位置 1）高程位置计算
长江路站隧道中心线标高 5.871m ，反力架底端距中心 4m ，反力架总高度 8m，因此
反力架底端高程控制标高为 1.871m ，顶端控制标高为 9.871m 。
2）负环排列：
按照设计要求，正 1 环的末端距离车站结构内壁距离在 40-60cm 为宜，在此取 50cm 。
盾构机长度为 9.17m ，盾构机刀盘前端面应与洞门留有
1.5-2.5m 的距离，以方便洞门破除
以 及 安 装洞 门 密 封 ， 在 此 取 2m 。 负 环 距离 L=0.5+9.17+2=11.67m
， 负 环数 量
N=11.67/1.2=9.725 ，因此选定负环数量为 10 环。编号为 -9 环、 -8 环、 、 -1 环、0 环。
3）水平位置计算：
反力架水平位置由负环排列确定，根据负环排列要求，反力架前端面距
0 环前端面的长
度应该为 12m，而 0 环的前端面深入洞门 50cm ，因此反力架前端面距离洞门，也就是该区
间起点里程
11.5m 。长江路站起点里程为 CK4+466.094 ，反力架前端面控制里程为
CK4+477.594 。
反力架在水平左右方向正常应使反力架中心和隧道中心重合，但是长江路站盾构机始
发位置比隧道中心位置向左偏移
20mm ，因此反力架安装时也应向左偏移 20mm 。
3、反力架安装要求
1）保证反力架的加工尺寸精度为± 5mm 。 2）前期预埋钢板标高调整精度为± 3mm 。
3）反力架安装轴线精度水平偏差：± 5mm ，高度偏差：± 5mm 。
4）要保证反力架框架靠近隧道一侧的面平整度控制在± 5mm ，且与盾构始发方向垂直，
误差控制在±5mm 。
5）焊缝高度必须保证在 10mm 以上，焊缝必须饱满，不得有虚焊，夹渣等缺陷出现。 6）固定焊接必须采用自然冷却，严禁用水冷却。 4、反力架受力验算
1）盾构进洞推进时最大推力计算
最大静止水土压力计算公式： P=K ×（γ×H+qn ）
P:最大静止水土压力； K:静止侧压力系数，取 0.7
蛟桥站 ~长江路站区间
天然重度
岩土名称
地层代号
埋深
γ(KN/m3)
① 2 ② 3-1 ② 3-2 ② 4 ② 5 ② 6-1 ② 7
素填土
含粘性土粉砂 细沙 中砂 粗砂 砾砂
圆砾夹砾砂
17.8 18.9 18.9 19.8 19.7
5 6.2 11.3 13 15 16.4 20.2
γ:上覆土层的平均容重； qn: 地面超载，取 20KPa ；H: 洞口下缘埋深
根据进洞段的水文地质资料及洞口埋土深度，盾构机前水土压力为
0.283MPa ，盾构
机推进最小推力为： Fmin=0.283 ×3.14 ×3.1552 ×106/103=8846kN 盾构机进洞最大推力控
制在 T=2Fmin=2 ×8846=17692kN
2）反力架荷载计算
负环管片周度 L=3.14 ×6.0=18.84m
作用于反力架的均布荷载为： q=T/L=17692/18.84m=939kN/m
反力架主梁受力图及弯矩图如下：
q=939KN/m
A C B
Mmax=2935KNm
A C B
3）488H 钢强度计算
由上图可知弯矩最大处为 C 点， Mmax=1/8*ql2=1/8 ×939 ×5×5=2935kN.m ，
作用在一片 488H 钢上的最大弯矩， Mmax=2935kN.m/2=1468kN.m
488H 钢的抗弯截面模数 W 为 1340*104mm 3
σ=M/W=1468kN ·m/1340*104=1468 ×106/1340 ×104=109.6MPa ≤[σ]=210MPa
所以反力架强度满足要求。
4）ф500mm 钢管支撑验算 1○强度验算
根据计算 B 点反作用力最大，为
17692/7=2527kN ；A=3.14 ×0.5 ×0.01=0.0157m 2
钢管支撑所受推力 N=2527kN/cos30 °=2918kN
σ=N/A=2918000N/0.0157m 2=185.9MPa ＜[σ]=210MPa
所以双榀 H 钢支撑满足设计要求。
2○稳定性验算 λ=μL/i
λ：杆件长细比；λ≥λp属细长杆； λp > λ> λs 属中长杆；λ≤λs属短粗杆。
L：杆件长度； i：截面惯性半径， i= ==0.461
λ=μL/i =0.7 × 8.7/0.461=13.21 ≤λs=61.4 （长度系数μ取 0.7）
所以，此ф 500 钢管支撑属短粗杆，杆件稳定性满足要求。
5）反力架底座型钢焊缝强度验算
取角焊缝的有效高度 8mm ，焊缝长度 1m 时，其抗剪力为 =160N /m2=1280kN 。而实际图
中反力架底座的钢板长度为 1.2m ，ф500 钢管斜剖面长度为 3.2m。因此焊接ф500 钢管四边焊
缝长度为 3.2m 其最大可受力 4096kN 。ф600 钢管与预埋钢板焊接点最大水平推力为 2527kN ，
安全系数达到 4096kN/2527kN=1.62 。所以后靠底座支撑满底座最大受力为 2527kN 足要求。
由以上分析可知，本盾构机反力架结构设计满足使用要求，盾构机反力架结构的设计
具有一定的实用性，对今后同类地铁盾构的施工具有较大的指导作用。
5.2.3 始发基座安装与受力验算
1、始发基座安装
盾构机组装前，依据隧道设计轴线与洞口定出盾构出洞姿态的空间位置，然后反推出
始发基座的空间位置。始发基座的安装注意始发、到达段所处的线路平、纵面条件。由于
始发基座在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及约束盾构旋转的扭矩，所以在盾构始
发前，必须对始发基座两侧与盾构井预埋件及钢支撑进行连接固定，加固的方式见图
5-4
盾构始发基座加固示意图。考虑到盾构机可能叩头的影响，始发基座的安装高程可根据端
头地质情况进行适当抬高 10 ～ 20mm 。盾构始发基座具有足够的刚度和强度，导轨必须顺
直。
图 5-4 盾构始发基座加固示意图
2、负环管片安装
负环管片包括负环钢管片和负环砼管片。 负环钢管片为 350mm 厚，内径为 5640mm 6340mm 的钢制圆环，负环钢管片起到连接负环砼管片和反力架的作用。
在拼装第一环负环管片时， 在盾尾管片拼装区 180 °范围内用木条填垫盾尾内侧与管片负环管片
管片定位垫块
盾尾壳体
5-5 负环管片定位示意图。
图 5-5 负环管片定位示意图
，
外径为
间的间隙，见图
在盾构机内拼装好整环后利用盾构机推进千斤顶将管片缓慢推出盾尾，此时利用门吊
将拼装好的整环钢管片吊至盾尾，并将钢管片同推出盾尾的负环管片用螺栓连接。为了避
免负环管片全部推出盾尾后下沉，在始发基座导轨上点焊圆钢，以填充始发支座轨道与管
片外侧的空隙，使圆钢将负环管片托起。第二环负环以后管片将按照正常的安装方式进行
安装。
随着负环管片的拼装负环钢管片将靠在反力架上，负环钢管片同反力架采用焊接的形
式连接牢固。随着负环的进一步拼装，盾构机快速地通过洞门进行始发掘进施工。
始发基座、导轨和管片
安装后的示意图见图 5-6 。
图 5-6 始发基座、导轨和管片安装后示意图
3、始发基座的安装要点
1）始发基座为整体式，自重 12T ，由于吊装距离较远，达到 11 米，为安全起见，采
用 80T 吊车吊入井内。
2）保证基座的加工尺寸精度，特别是轨面与地面的高度和轨面之间的距离。保证精
度为±5mm ，两条轨道之间的平行度精度为± 3mm 。
3）前期预埋钢板标高调整精度为± 5mm 。
4）基座安装轴线精度水平偏差：± 5mm ，高度偏差： 0mm-10mm 。 5）基座固定焊接必须采用自然冷却，严禁用水冷却。 4、始发基座受力验算
本工程所用盾构机主体总重约为 286T ，根据各个部位的重量，将盾构机分为三段，第
一段为刀盘和前盾，第二段为中盾和螺旋机，第三段为尾盾和拼装机。各段在基座上接触
面的长度和重量分别为：
第一段： Lh≈3.4m ，Gn ≈1420kN ；第二段： Lm≈2.2m ，Gm≈1020kN ；
第三段： Le≈3.5mm ，Ge ≈420kN
简图 5-7 如下：
图 5-7
始发架受力简图
Ph=1420/3.4=417.6 kN/m Pm=1020/2.2=463.6 kN/m Pe=420/3.5=120 kN/m 基座简化为多跨等跨连续梁
P h cos30 °=361.6 kN/m
Pm cos30 °=401.5 kN/m
P e cos30 °=103.9 kN/m
按照配对最不利的情况考虑，受力图简化如
5-8 。
q=401.5 kN/m
图 5-8 始发架受力简化图
最大弯矩： MBmax=1/8ql 2=45.3kN ·m
最大剪力： QBmax=0.625ql=238.4kN
最大支反力： Fmax=2 ·QBmax=476.8kN
横梁采用 20mm 厚钢板组合，简化为 H型钢计算，承受剪应力和拉压应力，钢轨焊接
在横梁上，如下图所示 5-9
拉弯 Wx=1704cm 3
截面 S=158cm 2
腰厚 : d=2cm
[σ]=205MPa
[τ]=120Mpa
1
○ 剪应力：
τ=Q/S=238.4/158=1.5kN/cm2=15MPa<[ τ]
拉压应力：
σ=MBmax/Wx=45300/1704=26.6MPa<[ σ]
所以：横梁的抗弯和抗剪强度满足要求
2
○ 腹板的抗压校核
σ=F/S 腰=476.8/ （2x29 ）=8.22kN/cm2=82.2MPa<[ 所以：腹板的抗压强度满足要求
○3 支撑梁（底梁）的强度校核
支撑架选用 300 H 型钢
截面面积： S=120.4cm 2
抗弯模量： W=451cm 3
基座底部工字钢梁的最大拉应力：
σ=F/S=238.4/120.4=19.8MPA<[
σ]
图 5-9 H 型钢受力简图
σ]
最大压应力
σ=F/S=476.8/120.4=39.6MPa<[
σ]
符合强度要求
5.2.4 始发洞门凿除
盾构始发前先打探孔检查洞口处加固体稳定情况，确认稳定时开始进行洞门端头围护
结构凿除。为了避免洞门凿除对车站结构产生扰动，洞门凿除时分九块进行，洞门钢筋混
凝土凿除分块见图 5-10 洞门凿除示意图。露出内外钢筋，割除内排钢筋，保留外排钢筋，
在每块混凝土中间开凿一个吊装孔，清理干净洞门圈底部的混凝土块后按先下后上顺序逐
块割除外排钢筋（外排钢筋割除时要注意将侵入开挖轮廓线的钢筋割除干净）
，吊出所有
的混凝土块。
1
端头地层加固体
9 7 8 6
4
5
3 1 2 1-1 剖面洞门圈图
需凿除的钢筋混凝土封门
1
图 5-10
洞门凿除示意图
5.2.5 洞口密封止水装置
洞口密封是为盾构在始发时防止壁后注浆砂浆外泄所用。盾构在始发过程中，洞口钢
环与盾构壳体可形成环形的建筑空隙。由于洞口钢环直径为
6500mm ，而盾构盾体直径为
6260mm ，管片外径为 6000mm ，因此，在盾构盾体在洞门内时，洞门内侧与盾构机盾体 之间的间隙为（ 6500-6260 ） /2=120mm ，在盾构主机完全进入土体以后，管片外壁与洞
门内壁之间的间隙将更大，为（ 6500-6000 ）/2=250mm 。为防止盾构始发时泥水及注浆
浆液通过此建筑空隙大量串入车站井内，影响开挖面土体压力的建立、开挖面土体的稳定
及工作井和盾构内的施工，必须设置性能良好的密封止水装置，确保初始土压平衡的正确
建立、注浆压力的建立和施工安全。
本工程密封止水装置是在出洞洞口预埋的圆环板上安装的，圆环板采用
Q235A 钢板
制成，在车站内衬施工时进行安装。圆环板上预留固定螺孔，作为密封止水装置的帘布橡
胶板是利用圆环板固定到洞口钢环上。
洞口密封防水帘布的施工分两步进行施工，第一步是在车站结构的施工工程中，做好
始发洞门钢环的埋设工作，要特别注意的是在埋设过程中预埋件必须与车站结构钢筋连接
在一起；第二步在盾构正式始发之前，应先清理完洞口的碴土，再完成洞口密封的安装。
在盾构始发过程中，机头要尽量保持与洞门同心，同时盾构外壳表面不得有突出物，
以免撕裂帘布橡胶板， 机头外壳表面宜涂黄油， 以利顶入。盾构穿越防水帘布顺序如图 5-11
所示。
内衬
内衬
内衬
9
0
固定环板B
°
16
90
固定环板B
°
90
固定环板B
16
° 16
固定螺栓
0
2
固定螺栓
4
2
固定螺栓
预埋钢环板A
M
折叶压板
预埋钢环板A
M
预埋钢环板A
0
2
折叶压板
注浆浆液
M
折叶压板
帘布橡胶密封板
盾构
盾构进洞时状态
管片
管片
管片拼装后的状态
图 5-11
盾构穿越防水帘布顺序图
5.2.6 盾构的始发
1、始发推进前的技术准备与安全措施
1）盾构始发前，需检查核实各电缆、电线及管路的连接是否留有足够的供盾构机前
进需要的电量；人员组织及机具设备配备是否到位等。检查基座、反力架、洞口密封是否
满足设计要求。
2）盾构推进前，为了减小盾构机的推进阻力，在盾构的基座轨道上涂抹黄油，为避
免刀盘上刀具进洞门时损坏洞门密封装置，在刀盘和刀具上涂抹黄油。
3）防止盾构机旋转的措施
A、在盾构机的两侧焊两对防转块（焊点距铰接密封距离不小于
500mm ），防转块应
能承受盾构机的扭矩并能将扭矩传递给盾构基座。当盾构机推进至防转块距洞门密封
500mm 左右时，必须割除防转块，并将割除面打磨光滑。
B、减少刀盘的设定扭矩，使其值不超过最大扭矩的 2、盾构始发姿态测量
始发前的负环管片拼装好并定位后，始发推进前必须经精确量测盾构及拼好的负
环管片的各项位置参数并输入自动导向测量系统及监测系统后方可开时始发推进。
40% 。
3、空载推进至掌子面
盾构在空载向前推进时，主要控制盾构的推进油缸行程和限制盾构每一环的推进量。
要在盾构向前推进的同时，检查盾构是否与始发台、始发洞发生干涉或是否有其他异常情
况或事故的发生，确保盾构安全的向前推进。
4、盾构始发掘进参数设置
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