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异型盾构隧道新技术

1．自由断面盾构法

（1） 原理概要

所谓自由断面盾构法就是在一个普通圆形盾构主刀盘的外侧设置数个规模比主刀盘小的行星刀盘。随主刀盘的旋转行星刀盘在外围作自转的同时绕主刀盘公转，行星刀盘公转的轨道由行星刀盘扇动臂的扇动角度确定。通过对行星刀盘扇动臂的调节可开挖各种非圆形断面的隧道。也就是说，通过对行星刀盘公转轨道的设计可选择如矩形断面，椭圆形断面，马蹄形断面，卵形断面等非圆形断面。此盾构法尤其适用于地下空间受限制的如穿梭于既成管线和水道之间的中小型隧道工程。

图-3.1 自由断面盾构构造图

图-3.2 可开挖的非圆形断面

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人孔伸缩装置尾部止水板管片管片拼装机扇动臂行星刀盘主刀盘人孔钢外壳盾尾同步注浆装置精品文档

（2） 特点

与一般盾构法相比，自由盾构法的特点如下：

1) 可开挖多种非圆形断面的隧道，选择细长型断面对宽度或深度受限制的地下

空间更有效的得到利用。

2) 可根据不同的使用目的合理选择不同断面，比如共同沟和电力管线等选择矩

形断面，公路和铁路隧道则选择马蹄形断面等。

3) 隧道断面的最大纵横尺寸之比为椭圆形1.5：1.0，矩形1.2：1.0，马蹄形1.35：

1.0。假定各隧道断面的横向宽度等于圆形断面的直径（3.16m），假定圆形断面的面积为1.0，则椭圆形为1.7，矩形为1.5，马蹄形则为1.6。

4) 行星刀盘上的刀具以梅花状布置，扇动臂采用计算机自动控制。

进刃角超硬刃角导向臂扇动千斤顶导向臂行星刀盘

出刃角

扇动臂扇动千斤顶（a）行星刀盘 （b）扇动臂的控制

图-3.2 行星刀盘及扇动臂的控制

（3） 工程实例

迄今自由断面盾构法已在下水道工程中运用。下列照片为1例试验性施工和1例实际工程的施工例。试验施工中使用的盾构机宽3.16m，高4.66m的土压式平衡单点铰接盾构。试验施工直线段长度36m，曲线段半径R=60m长度16m。实际工程段盾构机宽3.16m，高4.66m的土压式平衡2点铰接盾构，累积开挖长度565m，曲线段最小曲率半径R=20。

（a） 纵向椭圆形盾构机 （b）试验施工隧道（直线段）（c）实际工程隧道（曲线）

照片-3.1 施工实例

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2．偏心多轴盾构法

（1） 原理概要

偏心多轴盾构采用多根主轴，垂直于主轴方向固定一组曲柄轴，在曲柄轴上再安装刀架。运转主轴刀架将在同一平面内作圆弧运动，被开挖的断面接近于刀架的形状。因此，可根据隧道断面形状要求设计刀架是矩形，圆形，圆环形，椭圆形或马蹄形。下图为开挖圆形断面和矩形断面的偏心多轴盾构原理示意图。

（a）圆形断面 （b）矩形断面

图-1.1 偏心盾构的原理示意图

（2） 特点

固定轴驱动轴刀片旋转式传送带旋转式传送带固定轴曲柄轴刀架刀片曲柄轴转动中心刀架驱动轴与一般盾构相比偏心多轴盾构具有以下特点：

1) 可根据需要选择刀架形状开挖任意断面的隧道。

2) 刀架转动半径小，可选择较小的驱动扭矩。因采用多个转动轴同时驱动刀架，

所以盾构机显得紧凑玲珑，易装，易拆，易运等特点，适用于大断面隧道开挖。

3) 刀架转动半径小，刀具的行走距离也小。从刀片的磨损角度上来说，比一般

盾构至少可多开挖3倍以上的距离，适合于长距离隧道的开挖。

4) 刀架驱动装置小，盾构机内施工操作空间大，可根据需要在盾构机内配置土

体改良设备，向整个隧道断面的任何位置进行土体改良，适合于曲率半径小，隧道间隔小，土质差等施工条件差的施工（见图-1.2）。

5) 采用十字形交叉式刀片，此刀片的前后刀刃的角度相等，所以可进行全方位

开挖。可破碎大直径碎石和开挖高强度纤维加强混凝土墙（80MPa）（见图-1.3）。

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