·198·
第38卷第35期2012年12月
SHANXI
山西
ARCHITECTURE
建筑
Vol．38No．35Dec．2012
0198-02文章编号：1009-6825（2012）35-
谈敞口式盾构前盾设计
杨泽平
（中铁隧道集团有限公司技术中心，河南洛阳471009）
摘
要：根据敞口式盾构在我国的实用情况，论述了敞口式盾构前盾设计的技术特点和具体的实施方式，介绍了敞口式盾构前盾
为敞口式盾构整体设计提供了必要基础。主要部件的结构计算方法和思路，
关键词：敞口式盾构前盾，设计，计算中图分类号：U455．4
1敞口式盾构地质适应性
敞口式盾构
［1，2］
适用于开挖面有一定自稳能力、含水率低或
无水的各种围岩，适用土质以洪积层的砂、砂砾、固结粉砂、粘土和卵砾为主。
2敞口式盾构在国内的应用
中国的城市化进程带来地铁建设的方兴未艾，规模越来越
大，遇到的地质情况越来越复杂，地铁已进入新一轮建设高峰，未来几年内施工强度集中。地铁建设原则［4］
上在无水地层或降水费用不高的地区可采用浅埋暗挖法，但是大量采用有碍城市形象，影响市容和交通，也带来了熟练队伍不足、建设管理难度加大、安全隐患多的问题。而大量集中采用盾构，会造成盾构资源组织困难和集中投入的浪费，更为严重的是盾构过卵砾石层存在技术障碍（刀具磨损和进仓换刀频繁、高成本和安全风险问题），
在国内还没有得到解决。国外盾构技术［5］
经历了手掘式、半机械
式、
全密闭式的发展历程，时至今日，仍在并存使用；而在国内，是从矿山法直接跨越到全密闭式盾构，且依赖国外进口，缺失中间
阶段，
有必要补充和完善，形成有自己特色体系的盾构施工体系。敞开式盾构的研发制造对国外精密及大型进口部件的依赖可降低到最少程度，即使需要进口部件也大多为通用件，特殊进口件对该型盾构研发生产的制约瓶颈不复存在。设备成本因而会进
一步降低。因此研制敞口式盾构既能够带来新的技术手段，丰富既有施工工法，找到新的出路，也能够使盾构设备进一步国产化，
降低设备成本。
3敞口式盾构前盾的设计特点
敞口式盾构适用于开挖面有一定自稳能力的地层，前端没有刀盘，开挖面与内舱之间无封闭隔板，能够直接看到全部开挖面状况。
3．1敞口式盾构前盾的基本结构
敞口式盾构开挖面土体的稳定［7］
是通过其插刀、支撑板及切口斜面构造控制的。盾构机前端设计有8块插刀和8块支撑板，覆盖了拱部140ʎ 范围，插刀和支撑板均由液压系统控制，插刀可在80cm 范围内任意伸缩，支撑板可在110ʎ 范围内张合，插刀可
以承受拱顶土压力，
防止坍塌，支撑板可以支撑开挖面上半断面，从而保证了上半断面的稳定。
盾构机切口下半断面设计为斜面形，盾构上部比底部突出
110cm ，下半断面呈70ʎ 的斜线，这样下半断面土体至少可以保留70ʎ 坡度，保证下半断面土体一定的稳定；在出土口设计有半隔
板，
保证出土口土面有一定的高度，从而使下半断面土体坡度在施工过程中可以达到43ʎ ，达到控制破裂面的角度；另外在盾构机
收稿日期：2012-09-23作者简介：杨泽平（1984-），男，硕士，助理工程师
文献标识码：A
中部设计一个中部支撑平台，
在地质条件差的情况下，可以打开中部平台支撑开挖面下半断面。
3．2敞口式盾构前盾的掘进机理
敞口式盾构前盾采用插刀伸缩防止隧道开挖面拱顶土体坍
落，采用支撑板保证开挖面上半断面土体稳定，采用前盾壳体下部斜面保持开挖面下半断面土体坡度，进而保证开挖面下半断面土体稳定；采用挖掘装置对开挖面土方直接挖掘，采用中部支撑平台对开挖面土方突发情况进行危机处理，操作人员通过观察窗对掌子面情况及时观察处理，螺旋输送机（或皮带输送机）输送渣土到矿车，进而排到洞外。
3．3敞口式盾构前盾的实施方式
起初，插刀、支撑板处于收回状态，固定在回转支承座上的挖
掘装置挖掘上半面近开挖面中部土方，中部插刀在插刀油缸的作用下配合伸出，两侧紧随伸出，沿开挖面掘落先前开挖欠挖的部
分，
依次伸出插刀，最后全部伸出。其次，挖掘装置挖掘上半面近开挖面中部土方，中部支撑板在支护油缸的作用下打开，支撑挖掘部分的正面，切削下来的渣土通过前盾壳体上和螺旋机座子连接的螺旋输送机及时排出。然后依次开挖上半面其他部分土方，打开相应的支撑板，支撑挖掘部分的正面，切削下来的渣土通过前盾壳体上和螺旋机座子连接的螺旋输送机及时排出。上部开
挖完成后支撑板全部打开［3］
（如图1所示）。上部土方开挖完成后，挖掘装置挖掘下半面土方，挖掘装置始终保持欠挖状态，并适
时通过插刀油缸缩回插刀装置，
盾构主机在推进油缸的作用下向前掘进，同时利用前盾壳体周边切刀沿开挖面掘落剩余土方，切削下来的渣土通过前盾壳体上和螺旋机座子连接的螺旋输送机及时排出。全断面开挖完成后，
盾构机向前掘进一个行程，这时已经收回整个支撑板，开始下一个掘进循环。在掘进过程中，当
操作人员需要进入掌子面前方时，可在密封隔板油缸的作用下推开密封隔板（如图2所示），
进入掌子面，操作人员的视线可通过观察窗油缸的作用推开观察窗，
控制挖掘装置挖掘作业，当掌子面发生坍塌或是突发喷涌可以在隔板油缸和观察窗油缸的作用
下，
分别关闭密封隔板和观察窗，使操作人员始终在一个安全的环境中作业。
4主要结构部件计算4．1插刀受力计算
插刀由40mm 厚钢板焊接成箱形结构。钢板弹性模量E =
206ˑ 103N /mm2，允许剪应力为：120N /mm2
，允许拉应力为：205N /mm2。
计算为简化计算。
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第38卷第35期2012年12月
SHANXI
山西
ARCHITECTURE
建筑
Vol．38No．35Dec．2012
0198-02文章编号：1009-6825（2012）35-
谈敞口式盾构前盾设计
杨泽平
（中铁隧道集团有限公司技术中心，河南洛阳471009）
摘
要：根据敞口式盾构在我国的实用情况，论述了敞口式盾构前盾设计的技术特点和具体的实施方式，介绍了敞口式盾构前盾
为敞口式盾构整体设计提供了必要基础。主要部件的结构计算方法和思路，
关键词：敞口式盾构前盾，设计，计算中图分类号：U455．4
1敞口式盾构地质适应性
敞口式盾构
［1，2］
适用于开挖面有一定自稳能力、含水率低或
无水的各种围岩，适用土质以洪积层的砂、砂砾、固结粉砂、粘土和卵砾为主。
2敞口式盾构在国内的应用
中国的城市化进程带来地铁建设的方兴未艾，规模越来越
大，遇到的地质情况越来越复杂，地铁已进入新一轮建设高峰，未来几年内施工强度集中。地铁建设原则［4］
上在无水地层或降水费用不高的地区可采用浅埋暗挖法，但是大量采用有碍城市形象，影响市容和交通，也带来了熟练队伍不足、建设管理难度加大、安全隐患多的问题。而大量集中采用盾构，会造成盾构资源组织困难和集中投入的浪费，更为严重的是盾构过卵砾石层存在技术障碍（刀具磨损和进仓换刀频繁、高成本和安全风险问题），
在国内还没有得到解决。国外盾构技术［5］
经历了手掘式、半机械
式、
全密闭式的发展历程，时至今日，仍在并存使用；而在国内，是从矿山法直接跨越到全密闭式盾构，且依赖国外进口，缺失中间
阶段，
有必要补充和完善，形成有自己特色体系的盾构施工体系。敞开式盾构的研发制造对国外精密及大型进口部件的依赖可降低到最少程度，即使需要进口部件也大多为通用件，特殊进口件对该型盾构研发生产的制约瓶颈不复存在。设备成本因而会进
一步降低。因此研制敞口式盾构既能够带来新的技术手段，丰富既有施工工法，找到新的出路，也能够使盾构设备进一步国产化，
降低设备成本。
3敞口式盾构前盾的设计特点
敞口式盾构适用于开挖面有一定自稳能力的地层，前端没有刀盘，开挖面与内舱之间无封闭隔板，能够直接看到全部开挖面状况。
3．1敞口式盾构前盾的基本结构
敞口式盾构开挖面土体的稳定［7］
是通过其插刀、支撑板及切口斜面构造控制的。盾构机前端设计有8块插刀和8块支撑板，覆盖了拱部140ʎ 范围，插刀和支撑板均由液压系统控制，插刀可在80cm 范围内任意伸缩，支撑板可在110ʎ 范围内张合，插刀可
以承受拱顶土压力，
防止坍塌，支撑板可以支撑开挖面上半断面，从而保证了上半断面的稳定。
盾构机切口下半断面设计为斜面形，盾构上部比底部突出
110cm ，下半断面呈70ʎ 的斜线，这样下半断面土体至少可以保留70ʎ 坡度，保证下半断面土体一定的稳定；在出土口设计有半隔
板，
保证出土口土面有一定的高度，从而使下半断面土体坡度在施工过程中可以达到43ʎ ，达到控制破裂面的角度；另外在盾构机
收稿日期：2012-09-23作者简介：杨泽平（1984-），男，硕士，助理工程师
文献标识码：A
中部设计一个中部支撑平台，
在地质条件差的情况下，可以打开中部平台支撑开挖面下半断面。
3．2敞口式盾构前盾的掘进机理
敞口式盾构前盾采用插刀伸缩防止隧道开挖面拱顶土体坍
落，采用支撑板保证开挖面上半断面土体稳定，采用前盾壳体下部斜面保持开挖面下半断面土体坡度，进而保证开挖面下半断面土体稳定；采用挖掘装置对开挖面土方直接挖掘，采用中部支撑平台对开挖面土方突发情况进行危机处理，操作人员通过观察窗对掌子面情况及时观察处理，螺旋输送机（或皮带输送机）输送渣土到矿车，进而排到洞外。
3．3敞口式盾构前盾的实施方式
起初，插刀、支撑板处于收回状态，固定在回转支承座上的挖
掘装置挖掘上半面近开挖面中部土方，中部插刀在插刀油缸的作用下配合伸出，两侧紧随伸出，沿开挖面掘落先前开挖欠挖的部
分，
依次伸出插刀，最后全部伸出。其次，挖掘装置挖掘上半面近开挖面中部土方，中部支撑板在支护油缸的作用下打开，支撑挖掘部分的正面，切削下来的渣土通过前盾壳体上和螺旋机座子连接的螺旋输送机及时排出。然后依次开挖上半面其他部分土方，打开相应的支撑板，支撑挖掘部分的正面，切削下来的渣土通过前盾壳体上和螺旋机座子连接的螺旋输送机及时排出。上部开
挖完成后支撑板全部打开［3］
（如图1所示）。上部土方开挖完成后，挖掘装置挖掘下半面土方，挖掘装置始终保持欠挖状态，并适
时通过插刀油缸缩回插刀装置，
盾构主机在推进油缸的作用下向前掘进，同时利用前盾壳体周边切刀沿开挖面掘落剩余土方，切削下来的渣土通过前盾壳体上和螺旋机座子连接的螺旋输送机及时排出。全断面开挖完成后，
盾构机向前掘进一个行程，这时已经收回整个支撑板，开始下一个掘进循环。在掘进过程中，当
操作人员需要进入掌子面前方时，可在密封隔板油缸的作用下推开密封隔板（如图2所示），
进入掌子面，操作人员的视线可通过观察窗油缸的作用推开观察窗，
控制挖掘装置挖掘作业，当掌子面发生坍塌或是突发喷涌可以在隔板油缸和观察窗油缸的作用
下，
分别关闭密封隔板和观察窗，使操作人员始终在一个安全的环境中作业。
4主要结构部件计算4．1插刀受力计算
插刀由40mm 厚钢板焊接成箱形结构。钢板弹性模量E =
206ˑ 103N /mm2，允许剪应力为：120N /mm2
，允许拉应力为：205N /mm2。
计算为简化计算。