掘进机按头部形状分类，核心依据是其头部执行挖掘作业的结构形态，不同头部形状决定了其适配的地质条件、掘进断面尺寸及施工效率。目前主流分类主要包括悬臂式、盾构式（含TBM）、轮斗式、铣削式四大类，各类机型在头部结构、工作原理和应用场景上差异显著，具体介绍如下：
一、悬臂式掘进机（Cantilever Roadheader）
1. 头部形状特征
头部核心为可摆动的“悬臂+截割头”结构：悬臂呈细长臂状，可绕机身水平摆动（左右调向）和垂直俯仰（上下调向）；悬臂前端安装“截割头”，截割头多为圆锥形或圆柱形，表面布满高强度截齿（如硬质合金截齿），整体头部形态类似“可灵活转动的机械臂+挖掘刀具”。
2. 工作原理
通过截割头高速旋转（转速通常为20-60r/min），利用截齿对岩石、煤层进行“切削、破碎”；同时借助悬臂的摆动，将截割头覆盖到掘进断面的各个区域，逐步开挖出设计断面（如矩形、梯形等）；破碎后的物料由机身下部的刮板输送机或转载机运出。
3. 适用场景
① 地质条件：适用于中等硬度以下岩层（普氏硬度f≤8）、煤层及半煤岩巷，对地质变化的适应性强（如局部硬岩可通过调整截割参数应对）。
② 断面尺寸：以中小型断面为主（断面面积5-30㎡），可根据需求调整掘进断面形状（矩形、梯形、拱形等，无需更换头部核心部件）。
③ 施工场景：煤矿井下回采巷道、准备巷道，金属矿山辅助巷道，以及公路/铁路隧道的辅助开挖（如联络通道）。
4. 核心优势
① 灵活性高：悬臂摆动范围大，可实现“全方位、变断面”掘进，无需提前定制固定断面的头部结构。
② 成本较低：机身结构相对简单，设备采购和维护成本低于盾构/TBM；对施工场地要求低，便于在狭窄巷道内组装和转移。
二、盾构式掘进机（Shield Tunneling Machine，含TBM）
1. 头部形状特征
头部为大型圆形（少数为矩形、马蹄形）的“刀盘+护盾”一体化结构：
① 最前端是“刀盘”，呈圆盘状（直径3-15m，超大直径可达20m以上），盘面布满刀具（滚刀、刮刀、切刀等，根据地质选择），是挖掘的核心部件。
② 刀盘后方连接“护盾”（分为土压平衡护盾、泥水平衡护盾等），护盾呈圆筒状，包裹住机身前部，起到“支撑开挖面、防止塌方”的作用，整体头部形态类似“带保护壳的巨型圆盘”。
2. 工作原理
① 刀盘由液压或电机驱动高速旋转，通过刀具对前方地层（软土、砂层、硬岩等）进行“碾压、切削”（硬岩用滚刀碾压破碎，软土用刮刀切削）。
② 开挖产生的渣土通过刀盘中心的开口进入机身内部，由螺旋输送机（土压平衡盾构）或泥水管道（泥水平衡盾构）向外输送。
③ 护盾同步支撑开挖面，机身内部同时完成管片拼装（将预制混凝土管片拼接成隧道衬砌），实现“掘进、出渣、支护”一体化连续作业。
3. 分类与细分场景
根据适配地层，盾构式掘进机可进一步分为“盾构机”（软土为主）和“TBM（全断面硬岩掘进机）”（硬岩为主），二者头部核心差异在于刀具类型：
① 盾构机： 以刮刀、切刀为主，适用于软土、砂层、淤泥层、复合地层（含少量软岩）；
② TBM：以滚刀（盘形滚刀）为主，适用于坚硬岩层（普氏硬度f≥8），如花岗岩、石英岩 ；
4. 核心优势
① 效率极高：全断面连续掘进，日进尺可达10-30m（悬臂式通常为1-5m），适合长距离隧道（长度≥1km）。
② 安全性好：护盾直接支撑开挖面，无需人工暴露在开挖面作业，大幅降低塌方风险，尤其适合软土、高水压地层。
三、轮斗式掘进机（Wheel Bucket Roadheader）
1. 头部形状特征
头部为多组“轮斗”组成的旋转挖掘装置：轮斗呈圆柱形，圆周方向均匀分布多个“铲斗”（类似挖掘机铲斗的小型化版本），多组轮斗平行或交错排列，整体头部形态类似“带多个铲斗的滚筒组”，部分机型会搭配破碎刀具（应对少量硬岩）。
2. 工作原理
轮斗由电机驱动低速旋转（转速通常为5-15r/min），通过铲斗直接“铲挖、抓取”松软地层物料；若遇局部硬岩，轮斗边缘的破碎刀具先将其破碎，再由铲斗收集；物料被铲斗带至机身一侧，通过卸料口落入输送机运出。
3. 适用场景
① 地质条件：仅适用于极松软地层，如黏土、砂质黏土、粉砂岩（f≤3）、煤泥层等，无法应对中硬以上岩层。
② 断面尺寸：以中小型断面为主（断面面积3-15㎡），掘进断面多为矩形或梯形。
③ 施工场景：煤矿井下极软煤层巷道、非金属矿山松软矿层开采、地下工程的松软地层开挖（如基坑支护中的地下连续墙导槽开挖）。
4. 核心优势
① 挖掘效率高：铲斗直接抓取物料，避免了截割头“破碎-收集”的二次过程，对松软物料的开挖速度优于悬臂式。
② 能耗较低：无需高转速截割破碎，电机负载小，单位工程量的能耗比悬臂式低15%-30%。
四、铣削式掘进机（Milling Roadheader）
1. 头部形状特征
头部为“铣削滚筒/铣刀盘+固定机架”结构：铣削部件分为两种形式——一种是类似“宽幅滚筒”，表面布满铣削齿；另一种是“多组小型铣刀盘”组合排列，覆盖整个掘进断面；头部机架固定在机身前端，无法像悬臂式那样大幅摆动，需通过机身整体移动调整掘进方向，头部形态类似“固定在机身前端的宽幅铣刀”。
2. 工作原理
铣削滚筒/铣刀盘高速旋转（转速30-80r/min），通过铣削齿对岩层进行“铣削、研磨”（类似铣床加工金属的原理）；由于头部机架固定，需通过机身的推进系统（液压千斤顶）推动铣削部件向前掘进，同时通过机身转向机构调整方向，开挖出固定断面（多为矩形或拱形）；破碎后的物料由下部输送机运出。
3. 适用场景
① 地质条件：适用于中硬岩层（f=4-10），如砂岩、页岩等，铣削方式对岩层的“研磨破碎”效果优于悬臂式的“冲击截割”。
② 断面尺寸：以中大型断面为主（断面面积10-40㎡），断面形状固定（需根据设计更换铣削部件适配不同断面）。
③ 施工场景：公路/铁路隧道的主洞开挖（地质较均匀的中硬岩地层）、地下厂房（如水电站地下厂房）、大型矿山主巷道。
4. 核心优势
① 开挖断面平整：铣削方式切削均匀，掘进断面的平整度误差可控制在±50mm内（悬臂式通常为±100mm以上），减少后续支护工程量。
② 稳定性强：头部固定在机架上，掘进时机身振动小，对周边围岩的扰动小，适合对开挖精度要求高的工程。
五、各类机型核心差异总结
① 悬臂式：可摆动悬臂+截割头，适用于：软岩、煤层（f≤8）；
② 盾构/TBM：圆形刀盘+护盾，适用于：软土/硬岩（全地层）；
③ 轮斗式：多组轮斗铲斗，适用于：极松软地层（f≤3）；
④ 铣削式：固定铣削滚筒/刀盘，适用于：中硬岩（f=4-10）；
综上，掘进机头部形状的设计本质是“适配特定地质与工程需求”：灵活多变选悬臂式，长距离大断面选盾构/TBM，极软地层选轮斗式，中硬岩高精度选铣削式，这也是工程中选型的核心逻辑。
