土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)

1、土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)刀盤土壓平衡盾構(gòu)是以20世紀(jì)70年代刀盤切削機(jī)械為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種新型盾 構(gòu)方法，其施工方法是為保持開挖面的穩(wěn)定，在切削刀盤后的密封腔內(nèi)充填開挖 下來的土砂，并保持一定壓力，并由螺旋輸送機(jī)出土。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)就是依據(jù)該原理生產(chǎn)的，其原理是把土料(必要時(shí)添加泡沫等對(duì)土壤進(jìn)行改良)作為穩(wěn)定開挖面的介質(zhì)，刀盤后隔板與開挖面之間形成泥土室， 刀盤旋轉(zhuǎn)開挖使泥土料增加，再由螺旋輸料器旋轉(zhuǎn)將土料運(yùn)出，泥土室內(nèi)土壓可 由刀盤旋轉(zhuǎn)開挖速度和螺旋輸出料器出土量 (旋轉(zhuǎn)速度)進(jìn)行調(diào)節(jié)。土壓平衡式盾 構(gòu)機(jī)主要有盾體、刀盤驅(qū)動(dòng)、雙室氣閘、管片拼裝機(jī)、排土機(jī)構(gòu)、后配套裝置、 電氣系統(tǒng)和輔助設(shè)備九大部分

2、組成。以下我們主要介紹土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的刀盤系統(tǒng)：土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)刀盤刀盤是盾構(gòu)機(jī)的核心部件，具結(jié)構(gòu)形式、強(qiáng)度和整體剛度都直接影響到施工掘 進(jìn)的速度和成本，并且出了故障維修處理困難。不同的地質(zhì)情況和不同的制造廠 家，刀盤的結(jié)構(gòu)也不相同，其常見的結(jié)構(gòu)有：平面圓角刀盤、平面斜角刀盤、平 面直角刀盤。盾構(gòu)機(jī)刀盤應(yīng)滿足以下要求：(1)刀盤應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度。(2)刀盤應(yīng)有較大的開口率。(3)針對(duì)地層的變化，能夠方便地更換硬巖滾刀和軟巖齒刀。(4)刀盤結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的耐磨強(qiáng)度。(5)刀盤上應(yīng)配置足夠的渣土攪拌裝置。(6)刀盤上應(yīng)配置足夠的注入口，各口并裝有單向閥，以滿足刀具的冷卻、 潤(rùn)滑和渣土改良。要滿

3、足這些條件，就要從刀具的配置和生產(chǎn)工藝上都下功夫。刀具的配置：盾構(gòu)機(jī)刀具的配置是盾構(gòu)機(jī)刀具設(shè)計(jì)中是非常重要的內(nèi)容，其配置是否適合應(yīng) 用工程的地質(zhì)條件，直接影響盾構(gòu)機(jī)的刀盤的使用壽命、切削效果、出土狀況、 掘進(jìn)速度和施工效率。(1)刀具種類：?jiǎn)稳袧L刀、雙刃滾刀、三刃滾刀(雙刃以上的一般都是中心滾刀）、齒刀、切刀、刮刀和方形刀（超挖刀）。為適應(yīng)不同的地層，滾刀和齒刀 可以互換，所以它們的刀座相同。切刀（齒刀，刮刀）：切刀是軟土刀具，布置在刀盤開口槽的兩側(cè)，其切削原理是盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)的同時(shí)，切刀隨刀盤旋轉(zhuǎn)對(duì)開挖面土體產(chǎn)生軸向（沿隧道 前進(jìn)方向）剪切力和徑向（刀盤旋轉(zhuǎn)切線方向）切削力，在刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)下，

4、刀刃 和刀頭部分插入到地層內(nèi)部，不斷將開挖面前方土體切削下來。切削刀一般適用 于粒徑小于400mm勺砂、卵石、粘土等松散體地層。切用t后看帶含金頭和耐磨層）周邊刮刀中心刀（魚尾刀 、雙刃或三刃滾刀、錐形刀、中心羊角刀）：在軟土地層 掘進(jìn)時(shí)，因刀盤中心部位不能布置切刀，為改善中心部位土體的切削和攪拌效果， 可在中心部位設(shè)計(jì)一把尺寸較大的魚尾刀（羊角刀），一般魚尾刀超前600 mm左 右。魚尾刀的設(shè)計(jì)和配置方式如下：其一讓盾構(gòu)分兩步切削土體，利用魚尾刀先 切削中心部位小圓斷面土體，而后擴(kuò)大到全斷面切削土體，即將魚尾刀設(shè)計(jì)與其 它切刀不在一個(gè)平面上，即魚尾刀超前切刀布置，保證魚尾刀最先切削土體；其

5、二是將魚尾刀根部設(shè)計(jì)成錐形，使刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)隨魚尾刀切削下來的土體，在切向、 徑向運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，又增加一項(xiàng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣既可解決中心部分土體的切削問 題和改善切削土體的流動(dòng)性和攪拌效果，又大大提高盾構(gòu)整體掘進(jìn)效果。在純硬 巖地層掘進(jìn)時(shí)，到盤中心位置布置雙刃或三刃滾刀。錐形刀中心雙刃或三刃涕力中心羊角71仿形刀（或超挖刀）：盾構(gòu)機(jī)一般設(shè)計(jì)兩把仿形刀（一把備用），布置在刀盤的 邊緣上。施工時(shí)可以根據(jù)超挖多少和超挖范圍的要求，從邊緣徑向伸出和縮回仿 形刀。仿形刀伸出最大值一般在 70150mm之間。盾構(gòu)機(jī)在曲線段推進(jìn)、轉(zhuǎn)彎或 糾偏時(shí)，通過仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構(gòu)機(jī)在超挖少、對(duì)周邊土 體干擾

6、小的條件下，實(shí)現(xiàn)曲線推進(jìn)和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏。滾刀超挖刀柱形超挖刀滾刀和刮磴板 ：在純硬巖地層掘進(jìn)時(shí)，采用滾刀破巖。滾刀破巖的原理是依靠刀具滾動(dòng)產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達(dá)到破碎巖石的目的。滾刀的類型、 數(shù)量、布置方式、位置、超前量根據(jù)巖層的強(qiáng)度和整體性、掘進(jìn)距離、含砂量等 特點(diǎn)確定。穿越松散地層但有大粒徑的礫石（粒徑大于400mm）并且含量達(dá)到一定 比例時(shí)，也可采用滾刀型刀具。在隧道地質(zhì)條件復(fù)雜多變、巖石（強(qiáng)度不算太高）與一般土體（或粘土或砂土）交錯(cuò)頻繁出現(xiàn)的情況，也有可能采用滾刀型刀具，即 在復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)中采用。滾刀分為齒形（球齒、楔齒）滾刀和盤形滾刀更見半刀雙弟深刀三刃漆刀（2）刀具的破巖

7、機(jī)理：分軟巖切削機(jī)理和硬巖破巖機(jī)理。軟巖切削機(jī)理是刀具對(duì)土層的擠壓所產(chǎn)生的 剪切力來破壞土層而達(dá)到切削效果。軟土刀具切削機(jī)理示硬巖破巖機(jī)理是利用硬質(zhì)材料的易脆性質(zhì)，采用滾刀的滾動(dòng)對(duì)巖石擠壓產(chǎn)生的 剪切力和(沖擊力)碾碎巖石的機(jī)械破巖方法。要實(shí)現(xiàn)連續(xù)破巖就要在滾刀上施 加一個(gè)正壓力和一個(gè)使?jié)L刀滾動(dòng)的水平推力。正壓力是來自于盾構(gòu)的推進(jìn)力，水 平推力是刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)施加在滾刀軸上與開挖面平行的推力。所以滾刀破巖要想達(dá)到 滿意效果，必須滿足兩個(gè)條件： 工作面的巖層要有一定強(qiáng)度； 滾刀的啟動(dòng)扭矩要小。因?yàn)橐韵乱蛩睾茈y滿足以上條件：地質(zhì)因素； 滾刀的制造質(zhì)量及工藝；滾刀質(zhì)量一致性；開挖模式問題。(3)刀具配置的

8、差異性：主要表現(xiàn)在眼蔭口翻疑猴舞麴量意高等級(jí)組合高度差 等方面。在復(fù)合地層施工中，刀具配置的差異性主要表現(xiàn)在滾刀和先行刀的配置數(shù)量和 刀具的高度、組合高度差等方面。例如，海瑞克公司刀盤滾刀和固定先行刀高出 面板175mnffi 140mm三菱公司刀盤滾刀和固定先行刀高出面板 90mnft 70mm兩 種刀具的高差為35mnffi 20mm前者的設(shè)計(jì)較好，具體表現(xiàn)為刀具高對(duì)防止泥餅的 形成有利，高度差大有利于破巖。滾刀的刀間距過大和過小都不利于破巖，間距過大，滾刀間會(huì)出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象，間距過小，滾刀間會(huì)出現(xiàn)小碎塊現(xiàn)象，降低 破巖功效。在復(fù)合地層中周邊滾刀的間距一般小于 90mm正面滾刀的間距為1

9、00 120mm（參照國(guó)內(nèi)外施工實(shí)例，巖石強(qiáng)度高時(shí)，滾刀的間距應(yīng)控制在7090mm的范圍內(nèi)比較合理）。刀具的高度差及組合高度差對(duì)開挖的影響：刀具高對(duì)防結(jié)泥餅有利。刀具的高度差大有利于破巖。（4）滾刀與滾刀之間的刀間距滾刀的刀間距也是影響破巖能力的關(guān)鍵因素。刀間距過大會(huì)在兩刀之間出現(xiàn)破 巖的盲區(qū)而形成“巖脊”。刀間距過小會(huì)將巖體碾成小碎塊， 降低破巖功效。目前, 刀盤邊緣部分的刀間距一般都小于 90mm正面刀具的刀間距一般在 100mmt的在 115-120mm（5）刀具配置方式 刀具的布置方式需要充分考慮工程地質(zhì)情況，進(jìn)行針對(duì) 性設(shè)計(jì)，不同的工程地質(zhì)特點(diǎn)，采用不同的刀具配置方案，以獲得良好的切

10、削效 果和掘進(jìn)速度。根據(jù)地質(zhì)條件特點(diǎn)，可以大致分為四種地層：軟弱土地層；砂層、 砂卵石地層；風(fēng)化巖及軟硬不均地層；單純的純硬巖地層。軟弱土地層如南京、上海、杭州等地，其地質(zhì)條件主要以淤泥、粘土和粉質(zhì)粘土為主， 在軟弱土地層一般只需配置切削型刀具，如：切刀、周邊刮刀、 中心刀、先行刀和超挖刀。以南京地鐵盾構(gòu)為例，刀盤采用面板式結(jié)構(gòu)，裝有 1 把魚尾形中心刀，120把切刀，16把周邊刮刀及1把仿形刀。切刀安裝在開口槽 的兩側(cè)，覆蓋了整個(gè)進(jìn)硝口的長(zhǎng)度。刮刀安裝在刀盤邊緣。由于刀盤需要正反旋 轉(zhuǎn)，因此切刀的布置也在正反方向布置，為了提高切刀的可靠性，在每個(gè)軌跡上 至少布置2把。在周邊工作量相對(duì)較大，磨

11、損后對(duì)盾構(gòu)切口環(huán)尺寸影響較大，在 正反方向各布置了 8把刮刀。考慮到刀盤的受力均勻性，刀具布置具有對(duì)稱性。 刀具安裝采用螺栓固定，便于更換。在切刀或刮刀的刃口和刃口背面鑲嵌有合金 和耐磨材料，以延長(zhǎng)刀具的使用壽命，切刀的破巖能力為20MPa可以順利地通過進(jìn)出洞端頭的加固地層。砂層、砂卵石地層如北京、成都其地質(zhì)條件主要以砂，卵石地層為主，如遇到粒徑較大的礫石或漂石，應(yīng)配置滾刀進(jìn)行破碎。在砂層、砂卵石地層施工 時(shí)，需設(shè)置（寬幅）切刀、周邊刮刀、先行刀（重型撕裂刀）、中心刀、仿形刀等 刀具。切刀是主刀具，用于開挖面大部分?jǐn)嗝娴拈_挖；周邊刮刀也稱保徑刀，用 于切削外周的土體，保證開挖斷面的直徑；先行刀

12、在開挖面沿徑向分層切削，預(yù) 先疏松土體，降低切刀的沖擊荷載，減少切削力矩，同時(shí)重型撕裂刀用于破碎強(qiáng) 度較低和粒徑較小的卵石和礫石；中心刀用于開挖面中心斷面的開挖，起到定心 和疏松部分土體的作用；仿形刀用于曲線開挖和糾偏。滾刀用于破碎粒徑較大的 礫石或漂石。風(fēng)化巖及軟硬不均地層如廣州、深圳，上軟下硬、地質(zhì)不均的復(fù)合地層，且局部巖石的單軸抗壓強(qiáng)度較高（150-200Mpaj）, 除配置切削型刀具外包括寬幅 切刀、先行刀，還需配置滾刀，因而刀盤結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。對(duì)于巖層首先通過滾刀 進(jìn)行破巖，且滾刀的超前量應(yīng)大于切刀的超前量，在滾刀磨損后仍能避免切刀進(jìn) 行破巖，確保切刀的使用壽命。在曲線半徑小的隧道掘進(jìn)時(shí)，為了保證盾構(gòu)的調(diào) 向和避免盾殼被卡死，需要有較大的開挖直徑，因此刀盤上需配置滾刀型的仿形 刀（或超挖刀）。單純的純硬巖地層如秦嶺1線隧道，隧道斷面范圍內(nèi)以混合片麻巖和混合花崗巖兩種巖石為主，刀具全部選用滾刀，無任何齒刀。有時(shí)，在刀盤面板周 邊開口處配備刮硝刮刀板。以下是德國(guó)海瑞克公司生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的刀盤情況：刀盤是一個(gè)帶有多個(gè)進(jìn)料槽的切削盤體， 位于盾構(gòu)機(jī)的最前部，用于切削土體, 刀盤的開口率約為28%刀盤直徑6.28m,也是盾構(gòu)機(jī)上直徑最大的部分，一個(gè)帶 四根支撐條幅的法蘭板用來連接刀盤和刀盤驅(qū)動(dòng)部分，刀盤