4．3．1 盾构施工段工程地质的复杂性主要反映在基础地质(主要是围岩岩性)和工程地质特性的多变方面。盾构选型时应综合考虑，并对不同选择进行风险分析后择其优者。从保持工作面的稳定、控制地面沉降的角度来看，使用泥水平衡盾构要比使用土压平衡盾构的效果好一些，特别是在江河湖等水域、存在密集的建(构)筑物，以及上软下硬的地层中施工时。采用泥水平衡盾构还可以降低地质变化差异大造成的施工风险。在特殊施工环境中，施工安全是盾构选型时的一项极其重要的因素。盾构选型的主要方法包括地层渗透系数法、地层颗粒级配法等。
    地层渗透系数法：当地层的渗透系数小于10^-7m／s时，可选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数为1．0×10^-7m／s～1．0×10^-4m／s时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水平衡盾构；当地层渗透系数大于1．0×10^-4m／s时，宜选用泥水平衡盾构。对于渗水系数较大的地层，如果采用土压平衡式盾构施工，螺旋输送机“土塞效应”难以形成，螺旋输送机出渣会发生大量“喷涌”现象，这样对施工非常不利；同时土仓压力波动大，地面沉降很难控制。对于渗透系数较小的隧道，如果采用泥水平衡式盾构施工，主要制约因素是隧道渣土排放需要较长的管道，及需要昂贵的泥水处理设备，在环境要求高的场合还应采用渣土压滤设备，同时耗费大量的膨润土，工程造价较高。
    地层颗粒级配法：土压平衡盾构主要适用于粉土、粉质黏土、淤泥质粉土、粉砂层等地层的施工；砾石粗砂地层宜选用泥水平衡盾构施工；粗砂、细砂地层既可选用泥水平衡盾构，也可在土质改良后选用土压平衡盾构；含漂石、砂卵石地层宜选用土压平衡盾构。当岩土中的粉粒和黏粒的总量达到40％以上时，通常会选用土压平衡盾构，相反的情况则选择泥水平衡盾构比较合适。

4．3．2 盾构选型主要依据工程地质及水文条件、隧道线路和结构设计要求，周边环境条件，采用的辅助施工方法，以及施工安全、环保和工期要求，并结合以往施工经验等方面因素综合判断。
    1 工程地质及水文地质条件包括：地层岩性及分布状况、地层软硬程度、地下水位、地层渗透性等，同时要特别注意大粒径卵砾石地层、漂石、高灵敏度软土、松散沙层、软硬混合地层、地中障碍物、可燃及有害气体等。
    2 隧道线路及结构设计条件包括：线路平纵断面(最小曲线半径、最大坡度)、建筑限界、隧道埋深、连续掘进长度、衬砌结构形式及分度参数等。
    4 环境条件包括：工程周边的建(构)筑物状况、地下管线情况、道路交通状况、控制沉降要求。盾构施工过程中应注重对环境的保护，防止施工过程中产生的废弃物、噪声等对环境产生污染。对泥水平衡盾构而言，泥浆处理不彻底，泥浆中的悬浮或半悬浮状态的细土颗粒不能完全分离出来，弃浆量大，会对周围环境造成影响。

4．3．4 刀盘是盾构的关键部件，其质量和性能直接影响土体开挖效率，以及施工质量和安全。刀盘的结构和刀具等应满足地质条件和工程要求等。
    2 砂土、粉土和黏性土地层宜采用辐条式结构或开口率较大的面板式结构，复合地层宜采用面板式结构。泥水平衡盾构一般采用面板式刀盘，土压平衡盾构根据工程地质可选用面板式或辐条式刀盘。
    采用面板式刀盘时，由于渣土经刀盘面板的开口进入开挖仓，开挖仓内的土压力与开挖面的土压力之间产生压力降，其大小受面板开口的影响不易确定，从而使得开挖面的土压力不易控制。由于受面板开口率的影响，渣土进入开挖仓不顺畅、易粘结和易堵塞。面板式刀盘的优点是通过刀盘的开口可以限制进入开挖仓的卵石粒径，在风化岩及软硬不均地层或上软下硬地层掘进时，应采用面板式刀盘。
    辐条式刀盘渣土流动顺畅，不易粘结和堵塞。由于没有面板的阻挡，渣土从开挖面进入开挖仓时没有土压力的衰减，开挖面土压等于测量土压，因而能对土压进行有效的管理，能有效地控制地面沉降。因此，辐条式刀盘对单一软土地层的适应性比面板式刀盘好。
    面板式刀盘与辐条式刀盘的特点对比见表1。

表1 面板式刀盘与辐条式刀盘特点对比

    3 刀具配置是盾构刀具设计中非常重要的内容，其配置是否适合应用工程的地质条件，直接影响刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工效率等。
    切刀和刮刀等切削类刀具一般适用于砂、卵石、黏土等松散地层。岩石强度较大时应配置滚刀。

4．3．5 刀盘主驱动是刀盘的动力系统，应根据地质条件、环境和施工要求等确定主驱动形式、刀盘转速和驱动主轴密封。
    1 刀盘主驱动形式主要分为两种：变频电机驱动和液压驱动。变频电机驱动设备费用高，但是具有较高的传动效率，较低的能源消耗；液压驱动具有良好的抗冲击能力和过载保护性能，维修保养相对简单，可靠性高。因此两种驱动方式在盾构上都得到广泛的使用。变频电机驱动适用于较为单一地质，扭矩突变情况较少的地层；液压驱动能够适应所有地质，但配置较大驱动功率时，系统复杂，可靠性有所下降。
    刀盘主驱动方式特点对比见表2。

表2 刀盘主驱动方式特点对比

    刀盘最大设计扭矩指刀盘机构所能提供的最大扭矩，主要考虑切削土体阻力及附加阻力。刀盘扭矩计算可按下式计算：

    式中：T——刀盘装备总扭矩(kN·m)；
          D——刀盘外径(m)；
          α——扭矩系数，α＝α₁×α₂×α₀，土压平衡盾构不宜小于16；
          α₁——支承系数；
          α₂——土质系数；
          α₀——稳定掘削扭矩系数。
    2 在复合地层施工时，刀盘应具有较大的转速范围，刀盘转速宜达到2．5r／min以上。但刀盘转速较高时对软弱围岩的扰动较大，有可能造成围岩失稳而坍塌。因此，在软弱围岩的地质情况下，刀盘转速主要选用低速。如地层有全断面硬岩，刀盘最大设计转速应达到1．5r／min以上。

4．3．6 盾构推进阻力的总和应按下式计算：

    式中：F_z——推进阻力的总和(kN)；
          F₁——盾体的摩擦阻力(kN)；
          F₂——盾尾与管片间的摩擦阻力(kN)；
          F₃——开挖面的支撑压力(kN)；
          F₄——后配套拖车的拖拉力(kN)；
          F₅——刀盘上刀具的推力(kN)。
    系统配备的最小推力应按下式计算：

    式中：τ——安全系数。
    盾构总推力可按下列经验计算公式复核：

    式中：F——盾构装备总推力(kN)；
          F′——单位推力(开挖面单位面积的推力，单位kN／m²)，软土地层不宜低于1050kN／m²，硬岩地层不宜低于1250kN／m²；
          A——开挖断面面积(m²)。

4．3．7 管片拼装机应具有锁紧、升降、平移、回转、仰俯、横摇和偏转七种动作能力，除锁紧动作外的其余六种动作与管片的六个自由度相对应。管片的拼装精度主要依靠拼装机的调整性能，拼装机必须把管片精确定位，并形成足以压紧管片的接触压力，因此管片拼装机各动作需准确可靠，操作安全方便。

4．3．8 按照螺旋轴的形式不同可以分为轴式螺旋输送机和带式螺旋输送机。当地质为一般性土砂、卵石时，可采用轴式螺旋输送机；当地质为较大颗粒砂砾和块石，且含水量很少时，可采用带式螺旋式输送机。

4．3．9 泥水循环系统有直接控制和间接控制两种类型。
    直接控制型泥水循环系统结构简单，渣土在泥水仓内直接进入排浆口，少有堵塞问题。但必须对盾构区间地质勘探得非常清楚，确保区间地层不含大于排浆口直径的卵砾石。
    间接控制型(气垫式)泥水循环系统的特征是设有气垫仓，其破碎机设在气垫仓内，开挖的渣土进入盾构机上第一个排浆泵之前预先经过破碎机，确保大块的卵砾石预先经过破碎才进入排浆口。因此在区间地层中含有大块卵砾石时，间接控制型(气垫式)泥水盾构仍可适用。

4．3．10 为确保小半径曲线隧道顺利施工，盾构一般配置有铰接装置。铰接形式主要有被动铰接和主动铰接两种。被动铰接的铰接油缸只承受尾盾的摩擦阻力，所以铰接力小，盾构姿态靠推进液压缸控制。主动铰接可使刀盘回退，方便换刀。主动铰接与推进液压缸配合使用，有利于小半径曲线隧道掘进过程中纠偏及掘进姿态控制。

4．3．13 盾构掘进管理系统除具备实时显示与存储盾构各种参数外，还应具备环号计算、每环注浆量等基本统计分析功能。为方便相关单位对盾构进行远程管理，通常需要开放盾构主控系统中PLC(可编程逻辑控制器)控制器的各变量地址或开放掘进管理系统中变量的数据结构表等实现与导向系统数据交互。