掘進機按頭部形狀分類，核心依據(jù)是其頭部執(zhí)行挖掘作業(yè)的結(jié)構(gòu)形態(tài)，不同頭部形狀決定了其適配的地質(zhì)條件、掘進斷面尺寸及施工效率。目前主流分類主要包括懸臂式、盾構(gòu)式（含TBM）、輪斗式、銑削式四大類，各類機型在頭部結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用場景上差異顯著，具體介紹如下：

  一、懸臂式掘進機（Cantilever Roadheader）

   1. 頭部形狀特征

   頭部核心為可擺動的“懸臂+截割頭”結(jié)構(gòu)：懸臂呈細長臂狀，可繞機身水平擺動（左右調(diào)向）和垂直俯仰（上下調(diào)向）；懸臂前端安裝“截割頭”，截割頭多為圓錐形或圓柱形，表面布滿高強度截齒（如硬質(zhì)合金截齒），整體頭部形態(tài)類似“可靈活轉(zhuǎn)動的機械臂+挖掘刀具”。

   2. 工作原理

   通過截割頭高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速通常為20-60r/min），利用截齒對巖石、煤層進行“切削、破碎”；同時借助懸臂的擺動，將截割頭覆蓋到掘進斷面的各個區(qū)域，逐步開挖出設(shè)計斷面（如矩形、梯形等）；破碎后的物料由機身下部的刮板輸送機或轉(zhuǎn)載機運出。

   3. 適用場景

   ① 地質(zhì)條件：適用于中等硬度以下巖層（普氏硬度f≤8）、煤層及半煤巖巷，對地質(zhì)變化的適應(yīng)性強（如局部硬巖可通過調(diào)整截割參數(shù)應(yīng)對）。

   ② 斷面尺寸：以中小型斷面為主（斷面面積5-30㎡），可根據(jù)需求調(diào)整掘進斷面形狀（矩形、梯形、拱形等，無需更換頭部核心部件）。

   ③ 施工場景：煤礦井下回采巷道、準備巷道，金屬礦山輔助巷道，以及公路/鐵路隧道的輔助開挖（如聯(lián)絡(luò)通道）。

   4. 核心優(yōu)勢

   ① 靈活性高：懸臂擺動范圍大，可實現(xiàn)“全方位、變斷面”掘進，無需提前定制固定斷面的頭部結(jié)構(gòu)。

   ② 成本較低：機身結(jié)構(gòu)相對簡單，設(shè)備采購和維護成本低于盾構(gòu)/TBM；對施工場地要求低，便于在狹窄巷道內(nèi)組裝和轉(zhuǎn)移。

   二、盾構(gòu)式掘進機（Shield Tunneling Machine，含TBM）

   1. 頭部形狀特征

   頭部為大型圓形（少數(shù)為矩形、馬蹄形）的“刀盤+護盾”一體化結(jié)構(gòu)：

   ① 最前端是“刀盤”，呈圓盤狀（直徑3-15m，超大直徑可達20m以上），盤面布滿刀具（滾刀、刮刀、切刀等，根據(jù)地質(zhì)選擇），是挖掘的核心部件。

   ② 刀盤后方連接“護盾”（分為土壓平衡護盾、泥水平衡護盾等），護盾呈圓筒狀，包裹住機身前部，起到“支撐開挖面、防止塌方”的作用，整體頭部形態(tài)類似“帶保護殼的巨型圓盤”。

   2. 工作原理

   ① 刀盤由液壓或電機驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)，通過刀具對前方地層（軟土、砂層、硬巖等）進行“碾壓、切削”（硬巖用滾刀碾壓破碎，軟土用刮刀切削）。

   ② 開挖產(chǎn)生的渣土通過刀盤中心的開口進入機身內(nèi)部，由螺旋輸送機（土壓平衡盾構(gòu)）或泥水管道（泥水平衡盾構(gòu)）向外輸送。

   ③ 護盾同步支撐開挖面，機身內(nèi)部同時完成管片拼裝（將預(yù)制混凝土管片拼接成隧道襯砌），實現(xiàn)“掘進、出渣、支護”一體化連續(xù)作業(yè)。

   3. 分類與細分場景

   根據(jù)適配地層，盾構(gòu)式掘進機可進一步分為“盾構(gòu)機”（軟土為主）和“TBM（全斷面硬巖掘進機）”（硬巖為主），二者頭部核心差異在于刀具類型：

   ①  盾構(gòu)機： 以刮刀、切刀為主，適用于軟土、砂層、淤泥層、復(fù)合地層（含少量軟巖）；

   ②  TBM：以滾刀（盤形滾刀）為主，適用于堅硬巖層（普氏硬度f≥8），如花崗巖、石英巖 ；

   4. 核心優(yōu)勢

   ① 效率極高：全斷面連續(xù)掘進，日進尺可達10-30m（懸臂式通常為1-5m），適合長距離隧道（長度≥1km）。

   ② 安全性好：護盾直接支撐開挖面，無需人工暴露在開挖面作業(yè)，大幅降低塌方風險，尤其適合軟土、高水壓地層。

   三、輪斗式掘進機（Wheel Bucket Roadheader）

   1. 頭部形狀特征

   頭部為多組“輪斗”組成的旋轉(zhuǎn)挖掘裝置：輪斗呈圓柱形，圓周方向均勻分布多個“鏟斗”（類似挖掘機鏟斗的小型化版本），多組輪斗平行或交錯排列，整體頭部形態(tài)類似“帶多個鏟斗的滾筒組”，部分機型會搭配破碎刀具（應(yīng)對少量硬巖）。

   2. 工作原理

   輪斗由電機驅(qū)動低速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速通常為5-15r/min），通過鏟斗直接“鏟挖、抓取”松軟地層物料；若遇局部硬巖，輪斗邊緣的破碎刀具先將其破碎，再由鏟斗收集；物料被鏟斗帶至機身一側(cè)，通過卸料口落入輸送機運出。

   3. 適用場景

   ① 地質(zhì)條件：僅適用于極松軟地層，如黏土、砂質(zhì)黏土、粉砂巖（f≤3）、煤泥層等，無法應(yīng)對中硬以上巖層。

   ② 斷面尺寸：以中小型斷面為主（斷面面積3-15㎡），掘進斷面多為矩形或梯形。

   ③ 施工場景：煤礦井下極軟煤層巷道、非金屬礦山松軟礦層開采、地下工程的松軟地層開挖（如基坑支護中的地下連續(xù)墻導(dǎo)槽開挖）。

   4. 核心優(yōu)勢

   ① 挖掘效率高：鏟斗直接抓取物料，避免了截割頭“破碎-收集”的二次過程，對松軟物料的開挖速度優(yōu)于懸臂式。

   ② 能耗較低：無需高轉(zhuǎn)速截割破碎，電機負載小，單位工程量的能耗比懸臂式低15%-30%。

   四、銑削式掘進機（Milling Roadheader）

   1. 頭部形狀特征

   頭部為“銑削滾筒/銑刀盤+固定機架”結(jié)構(gòu)：銑削部件分為兩種形式——一種是類似“寬幅滾筒”，表面布滿銑削齒；另一種是“多組小型銑刀盤”組合排列，覆蓋整個掘進斷面；頭部機架固定在機身前端，無法像懸臂式那樣大幅擺動，需通過機身整體移動調(diào)整掘進方向，頭部形態(tài)類似“固定在機身前端的寬幅銑刀”。

   2. 工作原理

   銑削滾筒/銑刀盤高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速30-80r/min），通過銑削齒對巖層進行“銑削、研磨”（類似銑床加工金屬的原理）；由于頭部機架固定，需通過機身的推進系統(tǒng)（液壓千斤頂）推動銑削部件向前掘進，同時通過機身轉(zhuǎn)向機構(gòu)調(diào)整方向，開挖出固定斷面（多為矩形或拱形）；破碎后的物料由下部輸送機運出。

   3. 適用場景

   ① 地質(zhì)條件：適用于中硬巖層（f=4-10），如砂巖、頁巖等，銑削方式對巖層的“研磨破碎”效果優(yōu)于懸臂式的“沖擊截割”。

   ② 斷面尺寸：以中大型斷面為主（斷面面積10-40㎡），斷面形狀固定（需根據(jù)設(shè)計更換銑削部件適配不同斷面）。

   ③ 施工場景：公路/鐵路隧道的主洞開挖（地質(zhì)較均勻的中硬巖地層）、地下廠房（如水電站地下廠房）、大型礦山主巷道。

   4. 核心優(yōu)勢

   ① 開挖斷面平整：銑削方式切削均勻，掘進斷面的平整度誤差可控制在±50mm內(nèi)（懸臂式通常為±100mm以上），減少后續(xù)支護工程量。

   ② 穩(wěn)定性強：頭部固定在機架上，掘進時機身振動小，對周邊圍巖的擾動小，適合對開挖精度要求高的工程。

   五、各類機型核心差異總結(jié)

   ①  懸臂式：可擺動懸臂+截割頭，適用于：軟巖、煤層（f≤8）；

   ②  盾構(gòu)/TBM：圓形刀盤+護盾，適用于：軟土/硬巖（全地層）；

   ③  輪斗式：多組輪斗鏟斗，適用于：極松軟地層（f≤3）；

   ④  銑削式：固定銑削滾筒/刀盤，適用于：中硬巖（f=4-10）；

   綜上，掘進機頭部形狀的設(shè)計本質(zhì)是“適配特定地質(zhì)與工程需求”：靈活多變選懸臂式，長距離大斷面選盾構(gòu)/TBM，極軟地層選輪斗式，中硬巖高精度選銑削式，這也是工程中選型的核心邏輯。