盾构是一种用于岩土隧道的暗挖施工装备，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌等功能。采用盾构法施工具有掘进速度快、对周围环境影响小、施工安全度高等优点，被广泛用于交通、水利和市政等隧道工程中。

施工工法的选定，一方面受沿线工程地质和水文地质条件、环境条件（地面建筑物和地下构筑物的现状、道路宽度、交通状况）的影响；另一方面也与工程场地条件、结构埋深、结构型式等多种因素有关，同时也会对工程的难易程度、工期、造价、运营效果等产生直接的影响。深隧通常建在城市人口密集地区，对施工环境控制要求很高，盾构法能够很好地适应这种环境的建设条件。国内外已建的深隧工程项目大部分都是采用盾构法施工，如表5-12所示。

表5-12　国内外已建深隧工程施工条件

（续表）

5.2.4.1　盾构机形式

盾构机按切削地层的不同主要可分为硬岩盾构（TBM）、软土盾构和复合盾构等。复合盾构既适用于软土，又适用于硬岩，在刀盘上装有用于切削软土的切刀和用于切削硬岩的滚刀。例如马来西亚吉隆坡SMART隧道采用了土岩混合式泥水平衡盾构。按开挖面平衡方式的不同主要分为泥水平衡式、土压平衡式和复合平衡式。

（1）泥水平衡盾构

泥水盾构就是在盾构机前部设置搁板、刀盘、输送泥浆的送排泥管和推进盾构的推进油缸等，同时在地面上配有泥水处理设备，如图5-49所示。

图5-49　泥水平衡盾构

泥水盾构利用循环泥浆的体积对泥浆压力进行调节和控制，泥浆主要由膨润土等材料拌和而成。开挖面的稳定是通过将泥浆送入泥水室内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，利用该泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整后再输送到开挖面。

图5-50　马来西亚SMART隧道盾构机

马来西亚SMART隧道，用于泄洪及公路交通，盾构隧道全长5400m，盾构直径13.21m，隧道主要穿越强度较高的石灰岩、大理石和砂等，采用泥水平衡盾构机，复合刀盘，如图5-50所示。(www.daowen.com)

（2）土压平衡盾构

土压平衡盾构就是在盾构的前部设置搁板，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠推进油缸的推力给土仓里的渣土施加压力，使土压作用于开挖面，以使开挖面处于平衡状态。土压平衡的支护材料就是被切削土壤本身，通常会根据地质条件，土仓内添加流塑化改性材料，改善盾构土仓内切削土体的流塑性。这样既能平衡开挖面的水土压力，又能改善土体对外输送的顺畅性，如图5-51所示。

图5-51　土压平衡盾构

由于土压平衡盾构机不需要像泥水平衡盾构机施工需要一个占地很大的泥浆处理系统和泥浆脱水系统，特别适合在城市密集地区进行施工。目前，大直径土压平衡盾构机技术发展也很快，比如，西班牙马德里M30公路隧道采用直径15.4m 土压平衡盾构机，上海市迎宾三路隧道工程采用直径14.27m 土压平衡盾构机（图5-52）。

（3）复合平衡盾构

复合平衡盾构就是同时具备土压平衡和泥水平衡功能，可以根据盾构进入的不同地质条件进行切换。也有三模式复合盾构，可以在泥水平衡、土压平衡和敞开式盾构切换。如拉斯维加斯输水隧道，约40%的地段采用的是敞开模式，约60%地段采用封闭的泥水平衡模式，引水隧道穿过的地层包括硬岩与砾石交替地层，以及含次生矿物和米德湖水的断裂带，如图5-53所示。

图5-52　迎宾三路隧道盾构隧道贯通

5.2.4.2　盾构机的选型

盾构机选型以安全、环保、优质、经济为原则，以工程地质和水文地质为依据，根据深隧主隧道断面尺寸、长度、埋深和曲率半径要求，结合沿线环境条件和地面沉降控制要求等综合考虑。选用土压平衡盾构还是泥水平衡盾构，主要依据地层的渗透系数、地层的颗粒级配和地下水压。当地层的渗透系数小于10-7 m／s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10-7～10-4 m／s时，既可选用土压平衡盾构，也可选用泥水平衡盾构；当地层的渗透系数大于10-4 m／s时，宜选用泥水平衡盾构。粉土、粉质黏土、淤泥质粉土、粉砂层等黏稠土层，适用于土压平衡盾构。当水压大于0.3MPa时，宜选用泥水平衡盾构。由于土压平衡盾构施工不需要在地面设置大面积泥浆处理设备，渣土外运处置更环保和方便。随着盾构机制造技术的不断提高，土压平衡盾构的适用范围也在不断扩大，在城市密集地区建造深隧，应优先选用土压平衡盾构。

5.2.4.3　盾构在深隧工程的适用性

自英国工程师布鲁诺尔（M.I.Bruneil）在1803年发明盾构机械施工以来，经过200多年的应用和技术发展，当今盾构技术已达到了很高的应用水平，在各种复杂的地层和要求极高的环境条件下都有成果工程案例。盾构机直径也在不断被突破，由海瑞克公司制造，在我国香港屯门赤蜡角海底公路隧道应用的盾构机直径已达17.6m。目前世界上直径超过14m 的盾构机已有30多台。

图5-53　复合平衡盾构

采用盾构法施工的深隧主隧道与目前国内应用最为广泛的交通盾构隧道的本质是一样的，碰到的技术问题也类同，可能比较突出的不同点在于深隧通常埋置都很深，盾构施工需要考虑承受高水压密闭问题。从国内外盾构施工案例来看，目前盾构机制造技术可以满足深隧的耐高水压要求，比如，2013年竣工的瑞典哥德堡和马尔默之间的哈兰扎森铁路隧道，盾构需承受的外水压力达到11bar。2014年建成的拉斯维加斯输水隧道，采用直径7.2m 的海瑞克隧道掘进机，从180m 深的竖井始发，承受了高达15bar的湖水压力。