【正文】 能夠適應(yīng)不同地層的刀盤。在地質(zhì)復(fù)雜區(qū)段中，有必要的手段能夠?qū)η胺降貙舆M行超前探測，以便及時采取相應(yīng)的施工技術(shù)措施。能夠防止突發(fā)地下水和開挖面坍塌的襲擊，應(yīng)設(shè)置緊急關(guān)閉土倉的裝置。盾構(gòu)機有良好的密封性能。導(dǎo)向系統(tǒng)精度高，導(dǎo)向準(zhǔn)確。為能及時更換刀具，人員必須進入土倉，應(yīng)提供可靠的安全裝置保護人員安全。根據(jù)南昌地區(qū)條件，結(jié)合本標(biāo)段工程的隧道掘進技術(shù)要求，用于本區(qū)段施工的盾構(gòu)掘進機，必須具有穩(wěn)定開挖面、平衡水土壓力、最大限度減少地表沉陷的功能，必須具有較強的糾偏抗扭與彎道施工的能力，必須具有較好的經(jīng)濟性和較長的使用壽命，必須確保各項作業(yè)的安全性和可靠性。結(jié)合目前南昌地質(zhì)資料，選用輻條式刀盤的復(fù)合式土壓平衡式盾構(gòu)掘進機，是進行隧道掘進施工的一種較好機型，可以較好的控制地表的變形。綜上所述，我們對海瑞克、拉瓦特、川崎、日立等幾種盾構(gòu)機進行了全面的考查，經(jīng)過分析比較，并結(jié)合國內(nèi)使用的經(jīng)驗，本標(biāo)段選用海瑞克 φ6250mm 復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機，其特點如下：1）就此項隧道工程的地質(zhì)條件而言，復(fù)合式刀盤具有以下特征：可在氣壓下在土艙內(nèi)安全工作，有利于土壓平衡。刀盤開口率（%） ，可使軟泥順利地從切削面流向土艙。直接將土壓傳至土壓傳感器，可以隨時監(jiān)測地質(zhì)情況變化。易于進入切削面（除去障礙物） 。易于鉆探（土壤處理） 。2）出土方式：螺旋輸送機→皮帶輸送機→出碴車由軌道電瓶車運輸。3）注漿方式：盾構(gòu)推進與管片背后注漿同步進行。4）具有可升降氣壓的人控氣壓倉，用于土壓平衡工況進入泥土密封倉排除故障或更換刀具。5）具有泡沫、膨潤土聚合物注入系統(tǒng)6）具有隧道掘進自動導(dǎo)向系統(tǒng)。17第三章 盾構(gòu)掘進參數(shù)的設(shè)定盾構(gòu)掘進過程中，各項施工參數(shù)因地質(zhì)狀況和盾構(gòu)隧道的埋深不同而產(chǎn)生變化。以下是根據(jù)南昌紅谷灘地區(qū)地質(zhì)條件，結(jié)合本標(biāo)段工程的隧道掘進技術(shù)要求對各項掘進參數(shù)進行的分析和計算，當(dāng)盾構(gòu)因坡度變化、埋深發(fā)生變化時，盾構(gòu)的各項參數(shù)結(jié)合工程實際情況重新調(diào)整。南昌紅谷灘地區(qū)的地質(zhì)情況，以砂土、粉土和粉質(zhì)粘土為主。盾構(gòu)推進參數(shù)確定時，以不利因素考慮，而后根據(jù)掘進過程中的實際情況再做調(diào)整?，F(xiàn)以盾構(gòu)直徑為 6250mm 的海瑞克復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)在南昌紅谷灘地區(qū)施工為依據(jù)，進行分析總結(jié)。 盾構(gòu)掘進土壓的確定盾構(gòu)推進時，開挖面土體的穩(wěn)定性主要取決于推進土壓的合理性。盾構(gòu)推進參數(shù)的確定時，以不利因素考慮，而后根據(jù)掘進過程中的實際情況再作調(diào)整。盾構(gòu)的正面阻力由作用于開挖面的土壓和泥水壓組成。在盾構(gòu)施工中，確定合理的土壓值是重要的環(huán)節(jié)之一，也是地面隆起或沉降的重要決定因素，一般先通過理論計算，算出土壓值，再在盾構(gòu)掘進過程中，不斷調(diào)整，確定合理的土壓值。根據(jù)經(jīng)驗盾構(gòu)掘進土壓一般介于主動土壓與被動土壓之間。越接近主動土壓時，盾構(gòu)掘進時對周圍地層的擾動范圍越小，一般在粘性土中采用下式進行計算上部土壓力 P：P=KrH其中，K 為土體側(cè)壓力系數(shù)（K=～） ；r 為土體平均容重；H 為地面至土倉上部覆土厚度。 刀盤扭矩計算變頻調(diào)速電機驅(qū)動刀盤工作示意圖見圖 31。18第四章 刀具配置與地質(zhì)的適應(yīng)性盾構(gòu)機刀具的配置是盾構(gòu)機刀具設(shè)計中是非常重要的內(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)機的刀盤的使用壽命、切削效果、出土狀況、掘進速度和施工效率，而且選擇的差異對盾構(gòu)機造價也有著很大的影響,刀盤選型可以影響到總造價的 4％～8％。 刀具的分類盾構(gòu)機刀具可根據(jù)運動方式、布置位置和方式及形狀等進行分類。按切削原理劃分，盾構(gòu)機的刀具一般分為切削刀和滾刀兩種，其余形式的刀具為輔助刀具。切削刀又分為齒刀、刮刀和先行刀等。圖 41 按運動方式分類 圖 42 按安裝方式分類 盾構(gòu)機刀具按照安裝位置可以分為修邊刀、外沿保護刀、超前刀、掘削刀、加泥口保護刀、導(dǎo)向鉆具、中心刀等，如圖 43 所示。圖 43 刀具按安裝位置分類刀具固定式旋轉(zhuǎn)式19 不同地質(zhì)條件下刀具的選擇對于不同地層的開挖，盾構(gòu)的刀具通常采用不同型式：開挖地層為硬巖時，采用盤形滾刀；地層為較軟巖石時，采用齒刀；地層為軟土或破碎軟巖時，可采用切刀(或刮刀)。 切削刀切刀是軟土刀具，布置在刀盤開口槽的兩側(cè)，其切削原理是盾構(gòu)機向前推進的同時，切刀隨刀盤旋轉(zhuǎn)對開挖面土體產(chǎn)生軸向（沿隧道前進方向）剪切力和徑向（刀盤旋轉(zhuǎn)切線方向）切削力，在刀盤的轉(zhuǎn)動下，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 的砂、卵石、粘土等松散體地層。圖 44 切削刀示意圖切削刀為盾構(gòu)機開挖非巖質(zhì)地層的基本刀具，其形狀、布局將對開挖效果有重要影響。切削刀切削土體的示意見圖 45。對于軟土地層或經(jīng)滾刀破碎后的碴土將通過切刀和刮刀進行開挖。碴土隨切刀、刮刀正面進入碴槽，因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有裝載的功能。圖 45 切削刀切削土體示意圖 先行刀先行刀是先行切削土體的刀具，超前切刀布置。先行刀在設(shè)計中主要考慮與其它刀具組合協(xié)同工作。先行刀在切刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切刀創(chuàng)造良好的切削條件。先行刀的切削寬度一般比切刀窄，切削效率較高。采用先行刀，20可顯著增加切削土體的流動性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，減少切刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層先行刀的使用效果十分明顯。圖 46 先行刀刀具形狀及與切削刀協(xié)同切削土體的示意圖 貝型刀盤圈貝型刀實質(zhì)上是超前刀，盾構(gòu)機穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時，若采用滾刀型刀具，因土體屬松散體，在滾刀掘進擠壓下會產(chǎn)生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時甚至喪失切削破碎能力。采用盤圈貝型刀，將其布置在刀盤盤圈前端面，專用于切削砂卵石，可較好地解決盾構(gòu)機切削土體(砂卵石)的難題。圖 47 貝型刀刀具 中心刀（魚尾刀 、雙刃或三刃滾刀 、錐形刀 、中心羊角刀） 在軟土地層掘進時，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，而后擴大到全斷面切削土體，即將魚尾刀設(shè)計與其它切刀不在一個平面上，即魚尾刀超前切刀布置，保證魚尾刀最先切削土體；其二是將魚尾刀根部設(shè)計成錐形，使刀盤旋轉(zhuǎn)時隨魚尾刀切削下來的土體，在切向、徑向運動的基礎(chǔ)上，又增加一項翻轉(zhuǎn)運動，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性和攪拌效果，又大大提高盾構(gòu)整體掘進效果。21在純硬巖地層掘進時，刀盤中心位置布置雙刃或三刃滾刀。圖 48 中心刀刀具圖 49 中心刀切削土體示意圖 仿形刀（或超挖刀）盾構(gòu)機一般設(shè)計兩把仿形刀(一把備用)，布置在刀盤的邊緣上。施工時可以根據(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70～150mm 之間。盾構(gòu)機在曲線段推進、轉(zhuǎn)彎或糾偏時，通過仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構(gòu)機在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下，實現(xiàn)曲線推進和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏。22圖 410 仿形刀示意圖 滾刀在純硬巖地層掘進時，采用滾刀破巖。滾刀破巖的原理是依靠刀具滾動產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達到破碎巖石的目的。滾刀的類型、數(shù)量、布置方式、位置、超前量根據(jù)巖層的強度和整體性、掘進距離、含砂量等特點確定。穿越松散地層但有大粒徑的礫石(粒徑大于 400mm)、并且含量達到一定比例時，也可采用滾刀型刀具。在隧道地質(zhì)條件復(fù)雜多變、巖石(強度不算太高)與一般土體(或粘土或砂土)交錯頻繁出現(xiàn)的情況，也有可能采用滾刀型刀具，即在復(fù)合式盾構(gòu)機中采用。 滾刀分為齒形（球齒、楔齒）滾刀和盤形滾刀。圖 411 滾刀刀刀具示意圖安裝在刀盤上的盤形滾刀在千斤頂?shù)淖饔孟戮o壓在巖面上，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，盤形滾刀一方面繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，同時繞自身軸線自轉(zhuǎn)。滾刀在刀盤的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圓溝槽。當(dāng)推力超過巖石的強度時，盤形滾刀刀尖下的巖石直接破碎，刀尖貫入巖石，形成壓碎區(qū)和放射狀裂紋。進一步加壓，當(dāng)滾刀間距 S 滿足一定條件時，相鄰滾刀間巖石內(nèi)裂紋延伸并相互貫通，形成巖石碎片而崩落，盤形滾刀完成一次破巖過程。目前，破巖滾刀中使用較多的是盤形滾刀。23圖 412 滾刀破巖機理圖 齒刀在巖石較軟的情況下掘進時，由于盤形滾刀與巖石掌子面之間不能產(chǎn)生一定的附著力，將導(dǎo)致滾刀不能滾動而產(chǎn)生弦磨，滾刀不能滾動將失去有效的破巖功能。因此，在較軟的巖層中應(yīng)將部分盤形滾刀更換成齒刀，利用齒刀進行破巖。由于齒刀上裝有 2 個切削刃，因此刀盤正反轉(zhuǎn)時齒刀都能進行破巖。圖 412 齒刀和齒刀破巖機理圖 刀具布置與配置 刀具的布置刀具布置有兩種方式：第一種為刀具整體連續(xù)排列方式，因其切削阻力較大，盾構(gòu)機密封艙內(nèi)土體流動性差，現(xiàn)已很少使用，僅偶爾在切削阻力小的淤泥質(zhì)地層中采用；第二種為刀具牙型交錯連續(xù)排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封艙內(nèi)土體流動性好和易攪拌而被廣泛使用。目前世界上基本均采用牙型交錯連續(xù)排列方式。盾構(gòu)開挖性能主要通過刀具的選擇和布置來保證。根據(jù)不同地質(zhì)情況選用不同類型的刀具及刀具組合，實現(xiàn)刀具配置的靈便性，提高刀盤的開挖效率。目前盾構(gòu)機上常用的主要刀具有切刀、刮刀、齒刀、雙刃滾刀、單刃滾刀、擴孔刀等。24 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，進行針對性設(shè)計，不同的工程地質(zhì)特點，采用不同的刀具配置方案，以獲得良好的切削效果和掘進速度。根據(jù)地質(zhì)條件特點，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 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。在軟弱土地層刀盤可以采用面板式結(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)，覆蓋了整個進碴口的長度。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，在每個軌跡上至少布置 2 把。在周邊工作量相對較大，磨損后對盾構(gòu)切口環(huán)尺寸影響較大，在正反方向各布置了 8 把刮刀?？紤]到刀盤的受力均勻性，刀具布置具有對稱性。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，以延長刀具的使用壽命，切刀的破巖能力為 20MPa，可以順利地通過進出洞端頭的加固地層。砂層、砂卵石地層 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)配置滾刀進行破碎。在砂層、砂卵石地層施工時，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，同時重型撕裂刀用于破碎強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 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度較高（150200Mpa） ， 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)相對復(fù)雜。對于巖層首先通過滾刀進行破巖，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行破巖，確保切刀的使用壽命。在曲線半徑小的隧道掘進時，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） 。25單純的純硬巖地層 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，在刀盤面板周邊開口處配備刮碴刮刀板。 刀具配置的其他注意事項當(dāng)巖石抗壓強度較低，盤形滾刀破巖效果不理想時，則利用滾刀刀座安裝齒刀進行破巖，齒刀軌跡完全與滾刀相同，齒刀刀刃是對稱的，因此刀盤正反轉(zhuǎn)時都可以很好地破碎軟巖。刀盤直徑應(yīng)考慮刀具磨損后開挖直徑仍能大于盾構(gòu)切口環(huán)的直徑，以保證盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整。邊滾刀的允許磨損量為 15mm，因此開挖洞徑的允許變化量為 3Omm。當(dāng)邊刀不采用滾刀時，盾構(gòu)開挖洞徑的允許變化量為 20mm。在曲線半徑小的隧道掘進時，為了利于盾構(gòu)的調(diào)向，需要有較大的開挖直徑，因此根據(jù)地質(zhì)情況的差異，可在刀盤上選擇配置擴孔刀或滾刀型、齒刀型的仿形刀。 刀具布置的防泥餅措施盾構(gòu)機通過粘性土層時容易在刀盤中心區(qū)和土艙中心區(qū)形成泥餅。刀盤中心區(qū)的泥餅會造成刀盤能夠轉(zhuǎn)動，但是盾構(gòu)機卻不能掘進的現(xiàn)象。土艙中心區(qū)的泥餅，則會造成刀盤轉(zhuǎn)動負(fù)荷加大，甚至停止轉(zhuǎn)動，同時導(dǎo)致艙體內(nèi)溫度急劇升高，影響主軸承密封的壽命，甚至毀壞軸承密封。為了提高碴土的流動性，防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，刀具布置采取了針對性較強的防泥餅措施，即確保刀具凸出刀盤的較大間距。所有正面滾刀都高出刀盤面 175mm，為開挖面破除下來的碴土留出了足夠的出碴空間；齒刀高出刀盤面 16Omm，刮刀高出刀盤面140mm。這樣盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進時，能使刀盤前方切削下來的碴土有較大的流動空間，有利于刀盤前方碴土的流動。同時，由于滾刀高出刮刀 35mm，齒刀高出刮刀 20mm，因此，在硬巖地