（机械设计及理论专业论文）盾构机刀盘选型及设计理论研究.pdf

摘要 盾构机是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备，在城市隧道 的开挖中得到越来越广泛的应用。刀盘作为盾构机上最重要的部件，国内对 它的设计研究尚处起步阶段。本论文对盾构机刀盘选型以及设计进行了研 究，具体内容如下： 研究了影响盾构机刀盘选型的因素，包括：刀盘型式、刀盘开口率、驱 动形式、支承形式、最大转速和扭矩、刀盘开挖直径以及刀盘上刀具的配置。 并且通过几个实例，分析得出了对盾构机刀盘选型有参考价值的结论。 详细地阐述了刀盘的设计参数和刀具的力学计算公式，并且总结了国内 外几种计算盘形滚刀载荷的方法。介绍了盘形滚刀的工作原理，并通过数值 模拟方法研究了滚刀的破岩机理；研究了切削刀的切削形式、运动特性和计 算模型。 分析了盾构机刀盘与工作面相互作用的关系，总结出盾构与工作面相互 作用系统由机械系统、围岩系统、掘进操作特性和参数匹配性四个部分组成。 利用蒙特卡罗有限元法对盾构机刀盘与工作面的关系进行了分析，得到了一 些有用的结论与研究方法。 本文最后以成都地铁一号线为例，对其地质条件，进行盾构机刀盘选型 及其设计，并且对刀盘三种基本工况作了有限元分析，验证了刀盘选型和设 计理论的适用性。 关键词：盾构机；刀盘；选型；蒙特卡罗；成都地铁 a b s t r a c t t h es h i e l dm a c h i n ei sak i n do fl a r g ee x c a v a t i o ns e t st h a ti su s e df o rt h e u n d e r g r o u n dt u n n e l ，i ti sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nc i t i e s t h ec u t t e r h e a di s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t s ，i no u rc o u n t r y , t h er e s e a r c ho ft h e c u r e r h e a dd e s i g ni ss t i l li nt h ei 1 1 i t i a ls t a g e t h et h e s i sh a sb e e ns t u d i e df o rt h e s e l e c t i o na n dd e s i g no ft h ec u t t e r h e a d ，t h es p e c i f i cs t u d i e sa r ea sf o l l o w s ： a tf u - s t ，t h ea f f e c t i o nf a c t o r so fs h i e l dm a c h i n ec u t t e r h e a d sl e c t o t y p ea r e a n a l y z e d ，i n c l u d i n g ：t h et y p e s o fc u r e r h e a d ，t h ew i d e o p e n i n g r a t i oo f c u r e r h e a d ，t h ec u t t e rd r i v i n g ，t h et y p e so fc u t t e r h e a d ss u p p o r t ，t h em a x i m u m s p e e da n dt o r q u e ，t h ec u t t e r h e a d sc u t t i n gd i a m e t e ra n dt h ec o n f i g u r a t i o no f k n i v e s t h r o u g hs e v e r a le x a m p l e s ，t h eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r ea n a l y z e db yt h e s e l e c t i o no ft h ec u r e r h e a d s e c o n d l y , t h et h e s i sh a sr e s e a r c h e dt h ec u r e r h c a d sd e s i g np a r a m e t e r sa n d f o r m u l a o fk n i v e s ，s u m m a r i z e dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sf o rt h ed i s cc u r e r s1 0 a da 1 1 o v e rt h ew o r l d i n t r o d u c e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fd i s cc u r e r , s t u d i e dt h er o c k b r e a k i n gm e c h a n i s mo fd i s cc u r e rb yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d t h e p a p e r s a l s o g e n e r a l i z e s t h e c u r i n gf o r m 、m o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n d c a l c u l a t i o nm o d e lo ft h ec u t t i n gk n i v e s t h i r d l y , t h et h e s i sa n a l y z e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h i e l dc u r e ra n d c u r i n gf a c e i ts u m m a r i z e st h es y s t e mo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h i e l d c u r e ra n dc u r i n gf a c e ，a n de x p l a i n st h e s y s t e mt h a ti n c l u d i n gm e c h a n i c a l s y s t e m s 、r o c ks y s t e m s 、o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a t c h i n gp a r a m e t e r s t h e r e l a t i o n s h i pi sa n a l y z e db yt h em o n t e c a r l of i n i t ee l e m e n tm e t h o d i tg e t sa n u m b e ro fr i s e f u lc o n c l u s i o n sa n dr e s e a r c hm e t h o d s f i n a l l y , a sa ne x a m p l eo fc h e n g d um e t r ol i n e1 ，t h es h i e l dc u t t e ri ss e l e c t e d a n dd e s i g n e df o rt h eu n i q u eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s a n dt h et h r e eb a s i cc o n d i t i o n s o ft h ec u t t e ra r er e s e a r c h e db yt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i tv e r i f i e s t h e a p p l i c a b i l i t yf o rt h ec u r e r ss e l e c t i o na n dd e s i g nt h e o r y k e y w o r d s ：s h i e l dm a c h i n e ；c u t t e r h e a d ；m o n t e c a r l o ；c h e n g d um e t r o 西南交通大学囱南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：杈 日期：研争髻同哪 指导老师签名：钤幺 日期。叫锋够国呷国 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 通过对刀盘选型的影响因素和工程实例的分析，得出了对于风化岩、 砂卵石、软土三种地层所选用的刀盘类型。体现在第2 章。 2 建立了刀盘与工作面相互作用的力学模型，并且利用蒙特卡罗有限元 法对地质条件这种随机变量进行了模拟，为以后研究刀盘提供了一种可行的 理论方法。体现在第4 章。 3 针对成都地铁一号线地质条件，对盾构机刀盘进行了选型和结构设 计，验证了盾构机刀盘选型和设计理论的适用性，为以后刀盘选型和设计提 供了有益的方法和步骤。体现在第5 章。 学位论文作者签名： 镓幺 日期：舢7 年, e f j z 4 ， 1 1 引言 第1 章绪论 1 1 1 盾构机概述 盾构掘进机是一种隧道工程专用的大型高科技综合施工设备。它集电 气、液压、测量导向、控制、材料等多学科技术于一体，具有开挖切削土体、 输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构机主要组成部分包括： 盾壳、刀盘、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。 采用盾构掘进机，施工速度快，自动化程度高，一次成型，有利于环境 保护和降低劳动强度，而且盾构掘进机适用范围广，从软土、淤泥到硬岩都 可应用，施工质量高，可控制地面沉降，开挖时不影响地面上建筑和交通， 与传统的隧道工程相比，具有明显的优势，可广泛用于地铁隧道、铁路隧道、 公路隧道、越江隧道、矿山巷道、市政隧道等各种隧道工程的施工。 盾构机按开挖面与工作室之间隔墙构造可分为全开敞式、半开敞式及密 封式三种，具体划分如下： 全开敝式，是指没有隔墙、大部分开挖面呈敞露状态的盾构机。根据开 挖形式，这类盾构机又分为手掘式、半机械式及机械式三种。这种盾构机适 用于开挖面自稳性好的围岩。开挖面不能自稳的地基时，需要结合使用压气 施工法等辅助施工法，以防止开挖面坍塌。 半开敞式是指挤压式盾构机。这种盾构机的特点是在隔墙的某处设置可 调节开口面积的排土口。 密封式盾构机是在机械开挖式盾构机内设置隔墙，掘进时开挖下来的渣 土从刀盘开口进入开挖面和隔墙间的刀盘土仓内，由水泥压力和土压提供足 以使开挖面保持稳定的压力。密封式盾构机又分为泥水式盾构机和土压式盾 构机。 近年来，随着工程应用的需求提高以及科学技术的迅猛发展，盾构掘进 机在刀头更换、有效截面挖掘以及管片拼装等技术方面取得了长足的进步， 出现了许多新型的盾构掘进机，这里就不详细介绍了。 1 1 2 盾构技术研究发展状况 迄今为止，盾构技术已有1 8 0 多年的历史【2 】。1 8 1 8 年，英国布鲁诺尔观 察了蛆虫腐蛀船底成洞的经过得到启发，最早提出了用于地下隧道施工的盾 构机的雏形及施工方法。1 8 2 5 年，他第一次在伦敦泰晤士河下用一个断面高 6 。8 m ，宽1 1 4 m 的矩形盾构修建了一条隧道。由于初始未能掌握抵制泥水涌 入隧道的方法，隧道施工两次被淹，后来在东伦敦地下铁道公司的合作下， 经过对盾构施工的改进，用气压辅助施工，于1 8 4 3 年完成了全长4 5 8 m 的第 一条盾构法隧道。1 8 6 9 年b u r l o w 和g r e a t 负责建造横贯泰晤士河的第二隧 道 3 】。g r e a t 采用新开发的圆形盾构，扇形铸铁管片，工程进展顺利，直到竣 工未出任何事故。随后g r e a t 在1 8 8 7 年南伦敦铁道隧道施工中使用了盾构和 压气组合工法获得成功，为现在的盾构工法奠定了基础。 1 9 世纪末到2 0 世纪初盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、前 苏联及我国，并得以不同程度的发展。3 0 - - - 4 0 年代在这些国家也成功地使用 盾构建成直径3 0 9 5 m 的多条地铁及过河公路隧道，仅在美国纽约就采用气 压法建成了1 9 条重要的水底隧道。1 9 3 9 年，日本正式应用盾构法施工国铁 关门隧道的海底部分，该盾构的外径为7 1 8 2 m ，隧道总长为7 2 5 8 m ，此工程 奠定了日本盾构技术的基础。7 0 年代，日本及德国针对城市建设区的松软含 水地层中由于盾构施工引起的地表沉降，预制高精度钢筋混凝土管片和接缝 防水等技术问题，研制了各种新型的衬砌和防水技术及局部气压式、泥水加 压式和土压平衡式等新型盾构及相应和工艺和配套设备。近3 0 年来，由于 土压平衡、泥水平衡、盾尾密封、盾构始发及接收等一系列技术难点的解决， 盾构机技术有了较大发展，至今己累计生产近1 0 0 0 0 台盾构，主要的生产厂 家有日本三菱重工，川崎重工，德国海瑞克公司，法国f c b 公司，美国的 罗宾斯公司等。厂家可以根据不同的地质条件和工程要求，设计不同类型的 盾构机以满足不同的工程需要。 国内盾构技术以上海、广州及北京等地区应用较多【4 】。1 9 5 6 年东北阜新 海州露天矿用直径2 6 6 m 的手掘式盾构在砂土开凿了疏水巷道，这是我国首 次用盾构机施工的隧道。1 9 5 7 年起北京采用直径2 0 m 、2 6 m 开挖面敞开的 手掘式盾构施工下水道工程。上海自上世纪6 0 年代开始研究采用盾构法修 建黄浦江水底隧道及地下铁道实验段，先后在第四纪软弱含水饱和地层中用 直径4 2 m 、5 6 m 、1 0 m 等1 1 台盾构进行了水底公路隧道、地下人防通道、 引水和排水隧道及地铁隧道的施工。经过几十年的发展，在软土地层中已成 功地进行了盾构各项技术的研发和应用；广州地层以砂层和风化岩为主【5 】， 根据地层特点，引进和应用了能适应地层变化的复合式盾构技术；而北京地 层以砂卵石、粉细砂及黏土互层为主，明显不同于其他城市，盾构形式具有 自己的特色。但是无论是软土地层，还是岩石地层，盾构都有不可替代的优 势。 1 2 盾构机刀盘及刀具 1 2 1 常见刀盘形式 刀盘的结构主要有面板式和辐条式f 6 】两大类型，常见的刀盘形式如图 ( 1 1 ) 。面板式刀盘一般为焊接箱形结构，其上设置刀座、刀具、开口、添 加剂注入口及与主轴承连接部件。目前，中国使用的盾构大部分为此种刀盘 结构。辐条式刀盘主要由轮缘、辐条及布设在辐条上的刀具组成。刀具布置 在辐条的两侧，一般较难布置滚刀。刀盘开口率很大，约在6 0 9 5 之间， 属开敝式。以往辐条式刀盘应用较少，最近在日本地铁工程中辐条式刀盘应 用开始增多。中国盾构工法也开始应用辐条式刀盘，如北京地铁4 号线使用 的石川岛播磨0 61 4 m 盾构( 开1 2 1 率9 5 ) 、小松m 6 3m 盾构( 开口率6 2 ) 等 1 7 1 。具体应用时采用哪种刀盘型式，应根据施工条件和土质条件等因素决定。 刀盘主要功能有： 开挖功能：对掌子面的地层进行开挖，开挖后的渣土顺利通过刀盘开口， 进入密封舱，开挖功能通过布置刀盘上的各种刀具及刀盘开口实现。 稳定功能：支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能，通过土压或泥水压及 刀盘面板来实现。 搅拌功能：对密封舱内的渣土或泥水进行搅拌，以利于渣土的顺利排出， 通过刀盘及搅拌器旋转带动泥土或泥浆形成塑流体。 图1 1 盾构机刀盘组图 1 2 2 常见刀具形式 刀具是盾构施工的重要部件。在盾构施工时，选用什么样的刀具通常取 决于盾构机掘进通过的地层条件。为了适应从软土到硬岩不同地层的切削， 开发了不同种类的开挖刀具。目前，盾构机上常见的刀具有：滚刀、切刀、 刮刀、先行刀、仿形刀等。通常情况下，为了保证施工的效率，应根据不同 的地层条件选用不同的刀具及刀具组合【8 】。 ( 1 ) 滚刀：又分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀；单刃滚刀使用于岩 石地层、软硬不均地层等的岩石破碎；双刃滚刀常用于刀盘中心及刀盘空间 狭小的情况；三刃滚刀可用于刀盘中心及仿行刀等。 ( 2 ) 切刀：主要使用于软土地层，一般布置在刀盘开口的两侧，用于切 削和剥离土体。 ( 3 ) 刮刀：属于刀盘弧形周边软土刀具，在岩石地层中可用来刮渣。 ( 4 ) 先行刀：一般位于刀盘面板或辐条上，先行刀在切刀切削土体之前 先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的切削条件。 1 2 3 国内外盾构刀盘研究动态 对于盾构机来说，最关键的问题就是采用什么刀盘结构和刀具配置才能 够使盾构在整个隧道掘进过程中达到最小的刀具磨损、最少的换刀次数和最 快的掘进速度。目前，一般是先依据地质勘查的结果来配置刀盘的开口率、 滚刀的分布以及刮刀的位置；在以软土为主体的土质中，以刮刀为主辅以适 当的滚刀，而以硬岩为主的地质中，则布以大量的滚刀而以适量刮刀相配合。 在多年的盾构制造和施工过程中，不少企业都总结了不同的地质状况下盾构 选型和刀盘刀具配置经验。国外也有一些关于盾构刀盘和刀具的运用新技术 以改善刀盘在复合地层中刀具的磨损和刀盘的掘进效率。目前，国内对于盾 构刀盘的研究也有一定的成果，如：张国京【9 】对北京地区地质和刀盘适应性 进行过研究，认为北京大部分地区盾构可以选用辐条式刀盘，而有些地层则 可以采用面板式刀盘，而且对刀盘上各种切刀的选择做了详细的分析。何其 平【l o 】从滚刀、切刀等的工作原理出发，结合南京和广州的工程实例，对各种 类型的复合岩层采用的刀盘配置方式，刀具的数量乃至切刀形式和滚刀的直 亘壶童道盔堂亟瑟窒生堂焦迨塞箍鱼夏 径都进行了细致的研究。闵锐】通过广州地铁的一个具体地铁区间，对于复 合式盾构刀盘的总体设计提出了一些理论依据，包括刀盘的盘体结构、刀盘 受力分析、刀具布置等情况。他们的研究对某些稳定的复合地质盾构机刀盘 选型和设计是有一定参考价值的。总结起来，国内外虽然有许多工程师和学 者对盾构刀盘从各个角度做过很多研究和实践，但到目前为止还没有一个很 全面详细的盾构机刀盘的选型和设计理论。 1 3 本文的研究目的和内容 1 3 1 研究目的 通过上述分析看出，过去的研究多是针对一种地层对应一种刀盘进行的 单独分析，而对刀盘选型以及刀盘设计理论综合分析过少，因此，本文着重 从刀盘选型和刀盘设计理论进行分析研究；包括盾构刀盘的选型、盾构刀盘 的基本参数计算、刀具的受力分析、刀盘与工作面的关系以及刀盘工况分析。 通过对刀盘这个整体的理论分析和数值模拟，以得到一些对刀盘设计与施工 有意义的理论，为刀盘的设计制造和施工提供可靠的理论依据。 1 3 2 研究内容 本文的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 对盾构机刀盘的选型进行了分析研究； ( 2 ) 对盾构机刀盘基本参数计算进行了分析； ( 3 ) 对刀盘上的刀具受力以及破岩进行了研究； ( 4 ) 根据刀盘与工作面的相互关系，建立一个相互作用系统的理论；根 据相互作用理论，通过蒙特卡罗有限元法，对刀盘上刀具在不同地层条件下 受力情况进行分析研究。 ( 5 ) 以成都地铁一号线为例，针对成都特有的地质条件，进行刀盘选型 和设计。 第2 章盾构机刀盘选型 刀盘是盾构机的关键部件之一。不同的地层应采用不同的刀盘结构形 式，采用合适的刀盘类型是盾构顺利施工的关键因素，下面就盾构机选型进 行研究。 2 1 盾构机刀盘盘体结构选型分析 盾构机刀盘盘体结构对地层的适应性主要表现为刀盘的形式、开口率、 支承形式、驱动形式、刀盘最大转速、扭矩及扭矩系数以及刀盘开挖、超挖 直径等方面，下面就以上几个因素具体分析。 2 1 1 盾构机刀盘形式 盾构机刀盘形式按照工程地质条件和施工控制要求，大致可分为面板 式、辐条式刀盘两种形式，如图( 2 - 1 ) 所示。具体应用时采用哪种刀盘型 式，应根据施工条件和土质条件等因素决定。不同的刀盘型式在土舱构造、 开挖面稳定、土压保持、土砂的流入性、刀盘负荷和扭矩及检查换刀等方面 存在较大的差异。典型的面板式和辐条式刀盘的特性比较见表( 2 - 1 ) 】。施 工实践表明，在软粘土地层条件以及地铁隧道埋深不超过2 0 m 的情况下，采用 辐条式刀盘既能满足工程施工需要，又能保证有较好的掘进性能。在风化岩 以及( 大粒径) 砂卵石等类似复合地层中，一般需要盾构刀盘具有很好的适 应性，面板式刀盘能满足这种地层条件的需要。 2 1 2 刀盘的开口 盾构机刀盘的开口大小主要需与盾构刀具布置设计及土仓内压力相适 应。特别在粘性土层条件下盾构掘进，刀盘的开口选择很重要，特别是刀盘 中心部位，要预防结块形成泥饼，所以在满足刀盘结构强度、刀具布置以及 岩层支护条件的情况下，应尽量增大刀盘开口率，特别是开口尽量靠近刀盘 中心部位，要使渣土易于流动，防止结泥饼，提高开挖效率。刀盘开口槽一 般设计成楔形结构，使开口逐渐变大，以利于碴土向土仓内流动。 塘骷一j ( a ) 辐条式刀盘( b ) 面板式刀盘 图2 - 1 辐条式刀盘和面板式刀盘 表2 - 1 面板式和辐条式刀盘的特性 比较项刀盘型式 目 面板方式辐条方式 刀盘土 舱构造 嘿峰墒i 教。? v 鞲善： 随雌： i t t 开挖面只有一个压力p ，密封舱内土压力 一般存在3 个压力只为开挖面面 与舱计压力与开挖面的压力相等， 内压力 板之间；罡为面板开口进出口之只= e ，因而平衡压力易于控制。 的关系 间；b 为面板与密封舱内壁之间； 其中，罡有扭矩产生的抵抗压力， 受面板开口影响不易确定，而 忍= 墨一墨，开挖面压力不易控 制，同时，控制压力往往低于开挖 面压力。 开挖面开挖面土压是每次刀盘面板受压开挖面土压是每次刀盘面板受压 稳定原 一开挖面土压从面板开口经过到一开挖面土压是直接土舱内隔壁 理与土 土舱内隔壁土压计查出后进行土压 土压计查出后进行土压管理。 压保持管理。 的容易 性 开挖面砂土从刀盘面板的开l 经过流入土 没有面板，砂土流入性好。 砂土的舱内- - - ( 1 ) 砂流进性影响开口 流入性 形状及尺寸；( 2 ) 开口部的土砂容 易产生附着和凝结。 开挖面 土压管理值忍= 弓时，开口部发生土压管理值b 尸，时，开挖面砂土 的不稳 附着凝结，刀盘土舱内闭塞弓刀盘流进过多，产生开挖面不稳定，但 定因素 扭矩增大，导致不能掘削只的控制没有面板，忍的控制较容易。 很困难，砂土性质决定最的变化。 刀盘载刀盘扭矩阻力大，需增加设备能力，刀盘扭矩阻力小，设备造价低。 酉直銮道盔堂亟圭瑟窒生堂焦迨塞筮! q 亟 荷和扭造价高。 矩 掘进途面板方式的止土效果好，比辐条方没有面板，土舱内作业时比面板方 中换刀式安全。式的安全性低，加固土体费用高。 或土舱 内检查 开挖面出现大粒径障碍物时，螺旋输送机都无法排出，必须由工作人员进入到 出现障开挖面或土舱内人力清除，2 种方式无异。 碍物时 对( 大粒可以配置滚刀破碎大砾，若需配置滚无法配置滚刀，适应性差，若不 径) 砂卵刀，则其适应性好，但刀盘面板磨碎严需配置滚刀，因其无面板，砂土 石地层重。流动阻力小，适应性好。 的适应 性 增大刀盘开口率并非只是在刀盘辐条边缘的开口尺寸上，应注意刀座周 围也是易形成泥饼的部位。在砾石地层中，刀盘的最大开口一般都按假设围 岩上出现砾石的最大直径决定，但也有时会根据螺旋排土器的尺寸设置盘形 滚刀，让其具有破碎开挖面上砾石的功能，从而限制刀盘开口尺寸。 2 1 3 刀盘的驱动方式 刀盘驱动是盾构机的重要组成部分，承担驱动刀盘旋转切削开挖面土体 和搅拌密封舱内土体的任务。刀盘驱动系统也是盾构机中消耗功率较大的设 备之一。目前，一般为了保证刀盘旋转切削岩土体的能力和效果，盾构机刀 盘驱动方式多设计为液压驱动。但随着变频电机技术的不断发展，变频电机 驱动方式逐渐在盾构机的设计中采用。两种驱动方式的比较如表( 2 - 2 ) 【1 2 】。 表2 - 2 变频电机驱动和液压驱动方式的比较 驱动方式变频电机驱动液压驱动 体积驱动部分大小 附属部分 由 大 传动效率两低 维修保养局一般 调速性能好好 地层适应性好好 洞内温度发热小，温度低发热大，温度高 过载能力强强 设备费用 较高 中等 2 1 4 刀盘支承形式 刀盘支承形式可分为中心支承式、中间支承式和外周支承式三种类型， 如图( 2 - 2 ) 。 坫 下 寸一 书 中心支承万武巾i i i 支承方式外瘸支承方式 图2 2 盾构刀盘支承方式 刀盘的支承形式应与刀盘的开口率及土质条件相适应。其中，中心支承 式结构简单，大多用于中、小口径的盾构，由于其结构简单，粘性土附着的 可能性小。但机内空间狭小，处理大块石、卵石等比较困难。中间支承式结 构上平衡性好，主要用于大、中口径的盾构；用于小口径时，要认真考虑砾 石处理、防治粘性土在中心部的附着等问题。外周支承式：机内可取较大空 间，小口径时砾石的处理较为容易。刀盘的支承形状可采用环状( 鼓形) 和方 柱形( 柱形) 两种。使用该方式时易在外周部分粘附土砂，因此在粘性土中使 用时，应充分研究如何防治粘附的问题。 2 1 5 刀盘最大转速、扭矩 在复合地层中掘进，维持盾构机主要工作参数的动态平衡是盾构隧道安 全施工的重要因素 1 3 1 ，刀盘的最大转速、扭矩应与盾构其他主要工作参数相适 应，如盾构推力、土仓压力、开口率等。刀盘额定转速主要由刀盘线速度决 定，一般是根据地质条件，兼顾塑流化改良所需的搅拌线速度要求和切削刀 具抗冲击能力等因素确定。国内外的经验表明1 1 4 】，软土地层盾构的刀盘线速 度一般大于2 5m m i n ，而砂卵石地层盾构的刀盘线速度一般取2 0m m i n 左 右。刀盘额定扭矩可通过理论计算或根据经验确定。刀盘扭矩具体计算见第 三童。 2 1 6 刀盘开挖、超挖直径 刀盘的开挖直径是随隧道设计直径而变化的，在施工中，由于掘进线路 的坡度或转弯半径等影响，需在刀盘边缘布置超挖刀( 或仿行刀) ，用于盾构 在转弯处内侧的超挖。而在复合地层条件下施工，考虑到刀盘和刀具在较为 坚硬的围岩中切削会有一定的磨损，因此，在选型时需考虑因刀盘刀具磨损 而使盾构直径减小，盾构被卡在岩层中的风险，在选型和制造时可对其提出 设计要求，复合地层中盾构机体直径从盾首至盾尾依次减小l o m m ，以控制盾 构卡在岩层中的风险。另外，根据工程经验，也可将仿行刀刀座垫高，使超挖 直径增大，降低此类风险事故发生的可能。 2 2 盾构机刀具配置分析 盾构机刀具配置分析主要包括以下几方面：刀具对岩土体的适应性； 刀具布置的高度差；刀间距的布置；刀座安装方式；刀具布置方式； 仿行刀的配黄。对于某一区间隧道，应该对刀盘刀具布置进行综合分析。 2 2 1 刀具对岩土体的适应性 表2 3 各种刀具表 刀具名称单刃滚刀双刃滚刀切刀 _ 厂n 九 。国1 盘k 罾江 示意图 聪辅 e ) 丁一 破岩能力强。主要用适用于软硬岩掘进 适用于软土切削安 岩土适应性 于硬岩掘进，可换装一般安装在刀盘中 装在渣口槽的一侧。 齿刀。心部位。 刮刀 中心齿刀正齿刀仿形刀 曾穗 虱 瓣 笔 乎 翻剿嵫 安装在刀盘弧形周用于软土切削主要用于局部扩大隧道 用于软土切削，可以 边，切削软土在硬安装在刀盘中心部断面，主要用于硬岩 换装滚刀。 岩下可用作刮渣位，可以换装滚刀。掘进 对于软土地层，一般只需要配置切削型刀具，如：切刀、刮刀。对于含 有岩石的复合岩土地层，刀盘除配置切削型刀具( 如切刀、刮刀) 外，还需 要配置盘形滚刀，两种刀具都应该具各对岩土体的破岩能力。切刀的破岩能 力为2 0 m p a ，可以顺利对软粘土进行切削开挖：盘形滚刀分为单刃滚刀和双 刃滚刀，双刃滚刀破岩能力较低适应抗压强度小于8 0 m p a 的岩石，而且起 动扭矩小，因此适应于软岩地层。单刃滚刀破岩能力强，适应抗压强度高于 酉壶童道太堂亟丛宜生茎焦迨塞笺! 垒亟 8 0 m p a 的岩石，而且起动扭矩大，适应于硬岩地层的破岩。当岩石抗压强度 低于3 0 m p a ，滚刀破岩效果不是很好时，可以利用滚刀刀座安装齿刀进行破 岩，齿刀轨迹完全与滚刀相同，齿刀刀刃是对称的，因此刀盘正反转时都可 以很好破岩。典型的刀具示意图及其对地层的适应性如表( 2 3 ) 。 2 2 2 刀具布置的高度差 对于含有岩石的复合岩土地层，刀盘不仅配置切削型刀具，而且还配置 了盘形滚刀，因而对于刀具布置的高度差也有一定的要求。由于切刀在粘土 地层寿命较长，在砂岩地层寿命相对较短，因此在复合地层中，首先通过盘 形滚刀进行破岩。滚刀的伸出高度一般比切刀要大，1 7 寸滚刀一般允许磨损 量为2 5 r a m ，边滚刀为1 5 m m ，所以一般滚刀和切刀的高度差应该大于2 5 m m t t 5 j 。 例如：在海瑞克盾构机刀盘设计中，滚刀的伸出高度为3 5 m m ，保证滚刀在磨 损情况下仍能避免切刀进行破岩，保证了切刀使用寿命。 2 2 3 刀间距布置 在复合地层中，首先通过盘形滚刀进行破岩，因此对于盘形滚刀的刀间 距合理布置的要求是f 1 6 】：每把盘形滚刀在破岩时所受的负荷相等，即每把 刀的破岩量相等，刀刃两侧的侧向反力能相互抵销；作用在刀盘体上的各 点外力相互平衡，其合力通过刀盘中心，不产生倾覆力矩。因此，对于刀盘 面板正面的盘形滚刀的刀间距在5 0 1 2 0 r a m 之间，对于软岩取最大值，硬岩 层取最小值。 隧道如果以硬岩为主，也有中硬岩时，刀间距按二者兼顾的原则选择。 如石灰岩地层的刀间距取8 0 m m ，花岗岩地层取5 0 r a m ，在综合布置时刀间 距取7 0 m m 为佳。 隧道如果以软岩为主，也有少量硬岩时，刀间距按软岩选择，掘到硬岩 地段时，可以慢速掘进。 对于周边刀的刀间距是从邻近正刀开始，向外缘逐渐减少，最后两把相 酉匿至通盔坐亟砸窭圭宝焦途衰蓥2 互 邻边刀的刀间距弧长一般为2 0 2 5 m m ，最后一把边刀的刀倾角一般为7 0 度。 边刀的布置采用圆弧过渡，过渡区的曲率半径及边刀数量取决于盾构机直径 的大小。对于小直径的盾构机，曲率半径为3 0 0 3 5 0 m m ，边刀数为6 - - 8 r a m ， 对于大直径的盾构机，曲率半径为6 0 0 - - 6 5 0 m m ，边刀数为1 5 1 8 把。 2 2 4 刀座安装方式 叠蹿 ( a ) 滚刀安装方式( b ) 切刀安装方式 图2 - 3 刀具安装方式图 为了方便刀具的更换，现在通常刀具安装一般采用螺栓固定。如图 ( 2 3 ) 。滚刀的安装一般有刀盘前方安装和刀盘后方安装。前者在更换刀具 时需通过刀盘中的人孔将盘形滚刀搬到刀盘前方，当刀具较重时，换刀困难， 另外由于紧靠掌子面，所以换刀很不安全，因此目前换刀方式一般采用刀盘 后安装形式。 2 2 5 刀具的布刀方式 对于切刀的布刀方式来讲，一般等距离的布置在开口槽的一侧。由于刀 盘需要正反旋转，因此切刀的布置也应在正反方向布置，为了提高切刀的可 靠性，在每个切削轨迹上至少布置2 把，在周边切刀的工作量相对较大，磨 损后对盾构切口环尺寸影响较大，可以考虑布置较多的切刀( 刮刀) 。考虑 到刀盘的受力均匀性，切刀布置应具有对称性。 对于盘形滚刀布置的原则是每把盘形滚刀在破岩时所受的负荷相等，而 且在滚刀上产生的切向力，其合力通过刀盘中心，产生的倾覆力矩为零。目 前比较典型的滚刀布置方式有三种：单螺旋式、双螺旋式和对称式。图( 2 - 4 ) 为单螺旋式、双螺旋式布刀方式的示意图。 ( a ) 成都地铁盾构h 盘 ( b ) 广州地铁2 号线盾构刀盘 ( c ) 南京地铁盾构刀盘( d ) 广州地铁3 号线盾构刀盘 图2 - 5 盾构刀盘图 盾构机刀盘的结构及其刀具的组合布置，应针对不同的地质条件而设 计，图( 2 5 ) 和表( 2 3 ) 列举了成都地铁一号线、广州地铁二号线、南京 地铁、广州地铁三号线四个地铁施工区间所选用的刀盘情况，表( 2 - 3 ) 给 出了不同的刀盘结构形式和各类刀具的组合情况，盾构机刀盘如图( 2 5 ) 所示。 袁2 3 四个城市地铁詹构机刀盘技术参数 成都地铁一号广州地铁2 号广州地铁3 号 南京地铁( 玄武 工程项目线( 天府广场一线( 越秀公园一线( 大石南一 门一南京站) 骡马市)三元里)汉光) 卵石士层，中细粉质枯土、砂谳泥质粉质粘 粉质粘土，耪砂 地质情况砂及少量粘性岩、粉砂岩、混土、粉质枯土、 层，砂岩 粉砂、粉土 刀盘刀盘 巾6 2 8 0 砌m 6 2 8 0 衄巾6 4 0 0 m 巾6 2 8 0 r 岫 参数直径 额定 4 3 0 0 k s 4 3 4 6 k n 4 3 4 6k n m4 3 4 6k s m 扭矩 酉直窒遵盔堂亟塑窒生堂焦迨銮篁! 墨夏 开口 2 8 2 8 3 4 2 8 塞 转速 o 2 5 r m i n0 5 6 r m i1 30 2 9 r m i no 5 6 r m i n 功率6 3 0k w9 4 5 k w6 3 0 k w9 4 5 k w 中心 6 把双刃滚刀或 4 把双刃滚刀或 4 把双刃滚刀4 把 刀 6 把宽齿刀4 把宽齿刀 1 7 寸 刀具3 2 把单刃滚刀双刃滚刀1 3 把无 3 l 把单刃滚刀 滚刀 形式 切刀3 2 把6 4 把1 2 4 把6 4 把 与数 刮刀8 把1 6 把1 6 把8 把 置 _ 重 超挖 无滚刀1 把齿型刀1 把滚刀1 把 刀 齿刀无1 3 把无3 1 把 2 3 1 风化岩复合地层盾构机刀盘选型 1 。土层特性 风化岩是新鲜岩在风化作用下形成的物质，可划分为全风化、强风化、 中等风化和微风化。全风化和强风化岩石强度一般较低，微风化和中等风化 岩石强度较高。 2 盾构机刀盘选型 在这种地层中掘进，需要盾构机刀盘应具有广泛的适应性，刀盘需要安 装滚刀破岩，所以一般选用面板式刀盘；刀盘的开口槽由从刀盘中心部位至 外侧弧形面中心对称分布在刀盘上的八条狭长开口组成，一般此种刀盘的开 口率范围为2 8 3 5 ；刀具要配置滚刀和切削刀，由前面分析可以可知，对 于岩石地层，滚刀的刀间距取7 0 m m ，切削刀均匀分布在开口槽一侧。刀盘具 体的选型与设计可以参考上表( 2 - 3 ) 和图( 2 - 5 ) 中的( b ) 、( d ) ，广州地铁 所选用的盾构机刀盘。 2 3 2 砂卵石复合地层盾构机刀盘选型 1 土层特性 砂卵石是一种典型的力学不稳定地层，颗粒之间的孔隙大，没有粘聚力， 砂卵石地层在无水状态下，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏，刀盘旋 转切削时，地层很容易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌，引起较 大的围岩扰动，使开挖面和洞壁失去约束而产生不稳定。 2 盾构机刀盘选型 砂卵石复合地层中要分为两种情况进行刀盘选型。 ( 1 ) ( 小粒径 1 5 0 嗍) 砂卵石复合地层 在( 大粒径) 砂卵石复合地层中，选用面板式刀盘，由于存在大卵石和 大砾石，因此，刀盘的开口应该考虑开挖卵砾石地层的要求，按假设可能出 现的最大粒径确定。开口形状和在风化岩中的刀盘开口形式一样。刀盘支撑 方式也选择为中间支承；刀具主要配置滚刀和切削刀。刀盘具体选型可以参 考上表( 2 3 ) 和图( 2 5 ) 中的( a ) 成都地铁一号线盾构机的刀盘结构。 2 3 3 软粘土复合地层盾构机刀盘选型 1 土层特性 主要由粘粒和砂粒组成，此类土层饱水、稳定性差、无自稳能力，开挖 时易坍塌，涌水、涌砂，产生较大地面沉降。 2 盾构机刀盘选型 在软粘土地层中，选择辐条式刀盘，由于此种地层自稳性差，可以把刀 盘设计为辐条加封板型辐条面板，如图( 2 - 5 ) 中的南京地铁盾构机刀盘； 开口率为4 0 ，在有限的中心部位尽量增加开口；刀盘的支撑方式可以采用 中心支承或中间支承；刀盘上需要配置切削刀，刮刀，先行刀。 2 4 本章小结 刀盘是盾构机的主要工作部件，刀盘选型和刀具配置关系到盾构能否顺 利掘进。刀盘的选型必须根据具体的地质条件具体研究，通过上面对刀盘选 型因素的分析和4 个地铁施工区间中所选用的盾构刀盘对比，可以得到以下 一些刀盘选型中共性的结论和建议： ( 1 ) 实际施工时会遇到各种复杂不同的地层，地质资料提供的只是部分的 钻探资料，还不能完全准确反映实际地质情况，会有误差，因此在盾构刀盘 选型时必须考虑对地质进行充分的分析和研究，刀盘及刀具配置要有一定的 富余和能力储备。 ( 2 ) 在选用的面板式刀盘时，刀盘的结构应该注意几点：开口率为2 8 3 5 ； 渣土槽应该尽量靠近刀盘中心；在( 大粒径) 砂卵石地层中，刀盘磨损严重， 应该注意刀盘的选材，以及刚度和强度要求。 ( 3 ) 在选择刀盘驱动方式时，通过两种驱动方式的比较，优先选用液压驱 动方式。 ( 4 ) 从软土地层到硬岩地层随抗压强度的提高，需要合理配置刀具外，刀 盘的推力及驱动扭矩、转速及主轴承的参数也应与之相适应。 ( 5 ) 在盾构机刀盘的刀具配置上，不同地质地层需要合理配置不同刀具。 软土地层只需要切削型刀具：软岩地层除配置切削型刀具还需要配置双刃滚 刀或齿刀；硬岩地层除配置切削型刀具还需要配置单刃滚刀或齿刀。 酉亩窒道盔鲎亟塑窒篁茎焦迨塞簋21 亟 第3 章刀盘设计参数及刀具受力分析 3 1 基本参数的确定 3 1 1 开口率的计算 刀盘开口率是刀盘面板开口部分所占面积与刀盘面板总面积的比值【1 9 】， 刀盘切削下来的碴土通过刀盘的开口槽流入土仓。刀盘的开口必须根据地质 条件、开挖面的稳定性和挖掘效率来决定其形状、尺寸、配置。对于泥水盾 构，刀盘的开口率一般取1 0 , - - - , 3 0 1 ：o j ；土压平衡盾构的开口率范围较宽。 对于胶结粘性土之类的高粘附性土质，宜加大开口率；对于易坍塌性围岩， 开口率需慎重选择。刀盘开口位置应尽量靠近刀盘中心，以防止碴土在刀盘 的中心部位流动不畅而形成泥饼。同时，由于刀盘中心部位的线速度较低， 粘土、粉土、膨润土等粘稠土体在中心部位的流动性较差，粘性土容易在中 心部位沉积，因此应适当加大中心部位开口率。 3 1 2 刀盘扭矩的计算 盾构刀盘所需总扭矩t 与围岩条件、盾构形式、盾构构造和盾构直径等 因素确定。当缺乏足够的工程经验时，通常是参照日本盾构隧道标准规范建 议的土压平衡式盾构刀盘扭矩经验计算公式【2 l 】： t = c r d 3( 3 1 ) 式中t 一刀盘装备总扭矩； 卜刀盘外径； 口一扭矩系数，a , = a 1 a o ； “一支承系数，由刀盘支承方式决定【2 2 】。就中心支承式刀盘而言， q = o 8 1 ；对于中间支承方式而言，磁= 0 9 1 2 ；对周边支承式而言， “= 1 1 1 4 ； 识一土质系数：对密实、泥岩而言，砺= 0 8 1 ；对固结粉砂、粘土 而言，= 0 8 0 9 ；对松散砂而言，= o 7 0 8 ；对软粉砂土而言， 2 0 6 - 0 7 ； 一稳定掘削扭矩系数：对土压盾构而言，o ：o = 1 4 2 3 k n m 2 ；对泥 水盾构而言，= 9 1 8 k n m 2 。 但在通常情况下，为了计算的准确性，还可以采用以下方法计算扭矩 2 3 】： t = 五+ 五十五+ t + 互- 4 - 瓦+ 乃 ( 3 - 2 ) 式中丁一刀盘总扭矩； z 一为刀盘正面、侧面与开挖面土体的摩擦阻力扭矩； 兀一刀盘背面与压力舱内土体的摩擦阻力扭矩； z 一压力舱内刀盘和搅拌叶片的搅拌扭矩； 正一刀具切削土体时的地层抗力扭矩； 正一刀盘密封的摩擦阻力扭矩； 疋一轴承的摩擦阻力扭矩； z 一减速装置的机械损失扭矩。 根据施工资料和相关研究文献【2 4 】，刀具切削土体时的地层抗力扭矩疋在 刀盘扭矩中所占比例小于5 ，盾构机自身的摩耗损失也在5 以内。因此影 响刀盘扭矩大小的主要因素是刀盘正面、侧面与土体之间的摩阻力扭矩互、 刀盘背面与压力舱内土体的摩阻力扭矩正、压力舱内刀盘和搅拌叶片的搅拌 扭矩互，即： 丁= 互+ 正+ 互 ( 3 - 3 ) 3 1 3 盾构推力的计算 盾构推进力的设计原则是总推进力必须大于各种推进阻力的总和。盾构 的推进阻力由以下力组成f 2 5 】： ( 1 ) 盾构四周与土壤间的摩擦阻力或粘结阻力( f ) ； 酉壶童道太堂亟塑窒圭堂焦迨塞筮2 圣亟 ( 2 ) 推进时，在刃脚前端产生的贯入阻力( 五) ； ( 3 ) 作用在切削刀盘上的推进阻力( e ) ； ( 4 ) 变向阻力( 曲线段施工、修正蛇行、对稳定翼及阀门的阻力等) ( ) ； ( 5 ) 在盾构内的衬砌与盾尾板问的摩擦阻力( e ) ； ( 6 ) 后方台车的牵引阻力( 瓦) 。 这样总推力可以表示为： 民= f = e + e + e + 只+ e + 圪 ( 3 - 4 ) 在实际设计与施工中，一般采取经验公式幢”，如下： f i = 二万d 2 p ， ( 3 - 5 ) ， 爿 式中p ，一单位掘削断面上的经验推力，p ，的取值范围为7 0 0 1 2 0 0 k n m 2 。 d 一刀盘本体直径。 装备推力的选定要考虑