土压平衡式盾构机

1、土压平衡式盾构机刀盘土压平衡盾构是以20世纪70年代刀盘切削机械为基础发展起来的一种新型盾 构方法，其施工方法是为保持开挖面的稳定，在切削刀盘后的密封腔内充填开挖 下来的土砂，并保持一定压力，并由螺旋输送机出土。土压平衡盾构机就是依据该原理生产的，其原理是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室， 刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可 由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量 (旋转速度)进行调节。土压平衡式盾 构机主要有盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、 电气系统和辅助设备九大部分

2、组成。以下我们主要介绍土压平衡式盾构机的刀盘系统：土压平衡式盾构机刀盘刀盘是盾构机的核心部件，具结构形式、强度和整体刚度都直接影响到施工掘 进的速度和成本，并且出了故障维修处理困难。不同的地质情况和不同的制造厂 家，刀盘的结构也不相同，其常见的结构有：平面圆角刀盘、平面斜角刀盘、平 面直角刀盘。盾构机刀盘应满足以下要求：(1)刀盘应有足够的强度和刚度。(2)刀盘应有较大的开口率。(3)针对地层的变化，能够方便地更换硬岩滚刀和软岩齿刀。(4)刀盘结构应有足够的耐磨强度。(5)刀盘上应配置足够的渣土搅拌装置。(6)刀盘上应配置足够的注入口，各口并装有单向阀，以满足刀具的冷却、 润滑和渣土改良。要满

3、足这些条件，就要从刀具的配置和生产工艺上都下功夫。刀具的配置：盾构机刀具的配置是盾构机刀具设计中是非常重要的内容，其配置是否适合应 用工程的地质条件，直接影响盾构机的刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、 掘进速度和施工效率。(1)刀具种类：单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀(双刃以上的一般都是中心滚刀）、齿刀、切刀、刮刀和方形刀（超挖刀）。为适应不同的地层，滚刀和齿刀 可以互换，所以它们的刀座相同。切刀（齿刀，刮刀）：切刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构机向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道 前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力，在刀盘的转动下，

4、刀刃 和刀头部分插入到地层内部，不断将开挖面前方土体切削下来。切削刀一般适用 于粒径小于400mm勺砂、卵石、粘土等松散体地层。切用t后看带含金头和耐磨层）周边刮刀中心刀（鱼尾刀 、双刃或三刃滚刀、锥形刀、中心羊角刀）：在软土地层 掘进时，因刀盘中心部位不能布置切刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果， 可在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀（羊角刀），一般鱼尾刀超前600 mm左 右。鱼尾刀的设计和配置方式如下：其一让盾构分两步切削土体，利用鱼尾刀先 切削中心部位小圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其 它切刀不在一个平面上，即鱼尾刀超前切刀布置，保证鱼尾刀最先切削土体；其

5、二是将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、 径向运动的基础上，又增加一项翻转运动，这样既可解决中心部分土体的切削问 题和改善切削土体的流动性和搅拌效果，又大大提高盾构整体掘进效果。在纯硬 岩地层掘进时，到盘中心位置布置双刃或三刃滚刀。锥形刀中心双刃或三刃涕力中心羊角71仿形刀（或超挖刀）：盾构机一般设计两把仿形刀（一把备用），布置在刀盘的 边缘上。施工时可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从边缘径向伸出和缩回仿 形刀。仿形刀伸出最大值一般在 70150mm之间。盾构机在曲线段推进、转弯或 纠偏时，通过仿形超挖切削土体创造所需空间，保证盾构机在超挖少、对周边土 体干扰

6、小的条件下，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏。滚刀超挖刀柱形超挖刀滚刀和刮磴板 ：在纯硬岩地层掘进时，采用滚刀破岩。滚刀破岩的原理是依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。滚刀的类型、 数量、布置方式、位置、超前量根据岩层的强度和整体性、掘进距离、含砂量等 特点确定。穿越松散地层但有大粒径的砾石（粒径大于400mm）并且含量达到一定 比例时，也可采用滚刀型刀具。在隧道地质条件复杂多变、岩石（强度不算太高）与一般土体（或粘土或砂土）交错频繁出现的情况，也有可能采用滚刀型刀具，即 在复合式盾构机中采用。滚刀分为齿形（球齿、楔齿）滚刀和盘形滚刀更见半刀双弟深刀三刃漆刀（2）刀具的破岩

7、机理：分软岩切削机理和硬岩破岩机理。软岩切削机理是刀具对土层的挤压所产生的 剪切力来破坏土层而达到切削效果。软土刀具切削机理示硬岩破岩机理是利用硬质材料的易脆性质，采用滚刀的滚动对岩石挤压产生的 剪切力和(冲击力)碾碎岩石的机械破岩方法。要实现连续破岩就要在滚刀上施 加一个正压力和一个使滚刀滚动的水平推力。正压力是来自于盾构的推进力，水 平推力是刀盘转动施加在滚刀轴上与开挖面平行的推力。所以滚刀破岩要想达到 满意效果，必须满足两个条件： 工作面的岩层要有一定强度； 滚刀的启动扭矩要小。因为以下因素很难满足以上条件：地质因素； 滚刀的制造质量及工艺；滚刀质量一致性；开挖模式问题。(3)刀具配置的

8、差异性：主要表现在眼荫口翻疑猴舞麴量意高等级组合高度差 等方面。在复合地层施工中，刀具配置的差异性主要表现在滚刀和先行刀的配置数量和 刀具的高度、组合高度差等方面。例如，海瑞克公司刀盘滚刀和固定先行刀高出 面板175mnffi 140mm三菱公司刀盘滚刀和固定先行刀高出面板 90mnft 70mm两 种刀具的高差为35mnffi 20mm前者的设计较好，具体表现为刀具高对防止泥饼的 形成有利，高度差大有利于破岩。滚刀的刀间距过大和过小都不利于破岩，间距过大，滚刀间会出现“岩脊”现象，间距过小，滚刀间会出现小碎块现象，降低 破岩功效。在复合地层中周边滚刀的间距一般小于 90mm正面滚刀的间距为1

9、00 120mm（参照国内外施工实例，岩石强度高时，滚刀的间距应控制在7090mm的范围内比较合理）。刀具的高度差及组合高度差对开挖的影响：刀具高对防结泥饼有利。刀具的高度差大有利于破岩。（4）滚刀与滚刀之间的刀间距滚刀的刀间距也是影响破岩能力的关键因素。刀间距过大会在两刀之间出现破 岩的盲区而形成“岩脊”。刀间距过小会将岩体碾成小碎块， 降低破岩功效。目前, 刀盘边缘部分的刀间距一般都小于 90mm正面刀具的刀间距一般在 100mmt的在 115-120mm（5）刀具配置方式 刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况，进行针对 性设计，不同的工程地质特点，采用不同的刀具配置方案，以获得良好的切

10、削效 果和掘进速度。根据地质条件特点，可以大致分为四种地层：软弱土地层；砂层、 砂卵石地层；风化岩及软硬不均地层；单纯的纯硬岩地层。软弱土地层如南京、上海、杭州等地，其地质条件主要以淤泥、粘土和粉质粘土为主， 在软弱土地层一般只需配置切削型刀具，如：切刀、周边刮刀、 中心刀、先行刀和超挖刀。以南京地铁盾构为例，刀盘采用面板式结构，装有 1 把鱼尾形中心刀，120把切刀，16把周边刮刀及1把仿形刀。切刀安装在开口槽 的两侧，覆盖了整个进硝口的长度。刮刀安装在刀盘边缘。由于刀盘需要正反旋 转，因此切刀的布置也在正反方向布置，为了提高切刀的可靠性，在每个轨迹上 至少布置2把。在周边工作量相对较大，磨

11、损后对盾构切口环尺寸影响较大，在 正反方向各布置了 8把刮刀。考虑到刀盘的受力均匀性，刀具布置具有对称性。 刀具安装采用螺栓固定，便于更换。在切刀或刮刀的刃口和刃口背面镶嵌有合金 和耐磨材料，以延长刀具的使用寿命，切刀的破岩能力为20MPa可以顺利地通过进出洞端头的加固地层。砂层、砂卵石地层如北京、成都其地质条件主要以砂，卵石地层为主，如遇到粒径较大的砾石或漂石，应配置滚刀进行破碎。在砂层、砂卵石地层施工 时，需设置（宽幅）切刀、周边刮刀、先行刀（重型撕裂刀）、中心刀、仿形刀等 刀具。切刀是主刀具，用于开挖面大部分断面的开挖；周边刮刀也称保径刀，用 于切削外周的土体，保证开挖断面的直径；先行刀

12、在开挖面沿径向分层切削，预 先疏松土体，降低切刀的冲击荷载，减少切削力矩，同时重型撕裂刀用于破碎强 度较低和粒径较小的卵石和砾石；中心刀用于开挖面中心断面的开挖，起到定心 和疏松部分土体的作用；仿形刀用于曲线开挖和纠偏。滚刀用于破碎粒径较大的 砾石或漂石。风化岩及软硬不均地层如广州、深圳，上软下硬、地质不均的复合地层，且局部岩石的单轴抗压强度较高（150-200Mpaj）, 除配置切削型刀具外包括宽幅 切刀、先行刀，还需配置滚刀，因而刀盘结构相对复杂。对于岩层首先通过滚刀 进行破岩，且滚刀的超前量应大于切刀的超前量，在滚刀磨损后仍能避免切刀进 行破岩，确保切刀的使用寿命。在曲线半径小的隧道掘进时，为了保证盾构的调 向和避免盾壳被卡死，需要有较大的开挖直径，因此刀盘上需配置滚刀型的仿形 刀（或超挖刀）。单纯的纯硬岩地层如秦岭1线隧道，隧道断面范围内以混合片麻岩和混合花岗岩两种岩石为主，刀具全部选用滚刀，无任何齿刀。有时，在刀盘面板周 边开口处配备刮硝刮刀板。以下是德国海瑞克公司生产的土压平衡式盾构机的刀盘情况：刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体， 位于盾构机的最前部，用于切削土体, 刀盘的开口率约为28%刀盘直径6.28m,也是盾构机上直径最大的部分，一个带 四根支撑条幅的法兰板用来连接刀盘和刀盘驱动部分，刀盘