盾构刀盘设计综述.doc

盾构刀盘设计综述摘 要：最近十年来泥水盾构和土压平衡盾构得到了快速发展和广泛应用。通过对开挖面进行可靠的支撑，这2种类型的盾构都能在地下水位以下的不稳定地层中开挖隧道。盾构系统最重要的部分在于开挖面的开挖过程，或从工程的角度而言，最重要的部分在于刀盘和刀具的布置。本文对泥水盾构和土压平衡盾构刀盘设计的共同点及不同点进行讨论。关键词：盾构；刀盘；设计1 开挖面支撑原理 对于应用于软弱地层的盾构刀盘，应考虑以下2种情况： （1）隧道开挖面稳定，没有涌水或者涌水很少，绝大部分在地下水位以上。 （2）隧道开挖面不稳定，涌水严重，处于地下水位以下。 对于上述第（1）种情况，可采用全断面（旋转刀盘）开挖或分步开挖（臂式挖掘机或悬臂式掘进机开挖）。采用这种开挖方法，应在掘进停顿期间采用支撑挡板对开挖面进行机械支撑，或采用压缩空气对开挖面进行支撑。 对于上述第（2）种情况，需要在开挖期间、开挖停顿期间及人员进入开挖仓时对开挖面进行可靠的支撑。 对开挖面进行可靠的支撑，即采用加压泥浆（泥水盾构）或改良碴土（土压平衡盾构）对开挖面进行支撑，而加压泥浆与改良碴土的不同之处在于加压支撑介质的密度不同。支撑介质的压力是通过流量（无压缩空气的土压平衡盾构或泥水盾构）或独立的气垫（带气垫的泥水盾构，即混合盾构）控制的。 土压平衡盾构的压力是通过开挖的碴土和注入改良材料的流量控制实现的，无压缩空气的泥水盾构的压力是通过循环的膨润土泥浆和开挖碴土的流量控制实现的。 带压缩空气的泥水盾构的压力控制与流量无关，完全是通过空气压力控制的。 碴土流量越高，通过流量控制压力就越困难。与碴土流量控制无关的空气压力控制，是最快捷、最准确的压力控制方式。 对于土压平衡盾构和泥水盾构这2种盾构，以尽可能合适的方式把支撑介质的控制压力传递到整个开挖面是极为重要的。因此，对于没有控制的开挖面，采用封闭的刀盘把开挖面与支撑介质隔离开，是极其危险的。在地层不稳定情况下，要想在开挖期间获得开挖面机械支撑，是不会成功的。在任何情况下，在隧道开挖面和刀盘前面板之间都存在刀具的工作间隙。即使把刀具的工作间隙限制到最小，也存在足够的间隙，可以造成5%或更大的潜在地层损失。 采用土压平衡盾构或泥水盾构，在很大程度上会受地层条件的制约。关于土压平衡盾构和泥水盾构的适用范围，许多刊物已进行了广泛讨论，在此不再赘述。2 刀盘设计的发展演变2.1 泥水盾构 20世纪70年代末和80年代初，欧洲制造第一台带远程压缩空气的泥水盾构时，其设计原则是尽量使支撑开挖面的泥浆流体与隧道开挖面充分交换和接触。这台盾构用于开挖地下水位以下的透水砂层和砂砾层，因此刀盘采用“星形”设计，并在轮辐中间设置方形刀具或在轮辐的外缘设置切削刀具（见图1，用于砂层、砾石层和漂石开挖）。这种刀盘设计在砂层和砂砾层中工作效果很好，甚至在后来设计第一台混合开挖面盾构刀盘时，也在轮辐上安装了盘形滚刀。 考虑到这种刀盘的设计原理，对于较小直径的轮辐，无法安装背装式刀具。图1 德国汉堡HERA工程采用盾构 对用于Grauholz工程的大直径盾构（1988年），其轮辐的横断面较大，人员可以接近轮辐，因此可以在整个断面安装全背装式刀具（见图2，用于冰碛层、磨砾层和漂石开挖）。该原理后来应用于常压更换刀具，使轮辐内部保持常压。这种类型的刀盘在开挖期间对开挖面的支撑效果良好，其缺点是在压缩空气条件下进入开挖仓时，开挖面大面积处于暴露状态。图2 Grauholz隧道采用的盾构 即使“泥膜+压缩空气”对开挖面的支撑效果很好，但是，对于工人来说，没有额外的机械防护，会形成一种“不安全感”，特别是对于直径超过67m的盾构。因此，开发了可伸出的开挖面支撑面板，用于人员进入开挖仓时提供机械防护。 1990年，首个密闭型刀盘应用于Mulheim的Ruhr隧道工程所采用的盾构（见图3，用于砂岩和泥岩开挖），该盾构主要用于开挖硬岩地层；1991 年，密闭型刀盘又应用于Strasbourg的Tramway隧道工程所采用的盾构（见图4，用于砂层和砾石层开挖），该盾构用于开挖全砂层和砾石层。之后，大量采用密闭型刀盘的盾构广泛应用于各种地质情况，证明泥浆支撑开挖面原理也适用于安装盘形滚刀的刀盘和密闭型刀盘。图3 Mulheim的Ruhr隧道采用的盾构图4 Strasbourg的Tramway隧道采用的盾构 这些认识为盾构刀盘设计的进一步改进（如对背装式刀具的改进，尤其是对于混合地层（泥水盾构甚至采用硬岩刀盘布置等）打开了大门。在开发各种类型刀盘设计的同时，对泥浆循环管路进行了改进，新型泥水盾构不仅可以把泥浆注入到压缩空气仓，而且可以把泥浆注入到开挖仓内及刀盘的前方，从而可以采用多种冲洗管路布置方法（见图5，用于冰川沉积层。岩层和漂石开挖）。图5 美国Portland的West Side CSO工程采用的盾构2.2土压平衡盾构 土压平衡盾构的刀盘设计用于开挖透水性较低的细粒土层，因此不仅要承载用于开挖土体的刀具，而且要用作“搅拌机”来制作支撑开挖面的土膏。由于土压平衡盾构的刀盘要具有上述双重功能，因此土压平衡盾构的刀盘大部分为密闭盘形设计，从而在隧道开挖面和刀盘前面板之间形成一级开挖和搅拌区，并在刀盘后面板和盾构压力隔板之间形成搅拌仓室。在很软的理想地层条件下，由于碴土仅需要很少量的搅拌和改良作业，因此有时也采用“星形”刀盘。 由于需要具有开挖和搅拌双重功能，因此对土压平衡盾构的刀盘提出了额外的设计要求，包括向刀盘前面的区域和刀盘后面的区域注入碴土改良材料及各种促使碴土流动的措施，以便对碴土的搅拌和改良过程进行优化。实际施工中，碴土的搅拌和改良过程发挥得越好，就越容易对开挖面和沉降进行控制（见图6）。图6 台湾台北地铁工程采用的盾构 与上述泥水盾构一样，在碴土改良材料和施工技术取得巨大进步的基础上，土压平衡盾构的应用范围逐渐扩大到由粗颗粒组成的混合地层，甚至开挖面混合地层。这样，盾构刀盘需要设计成安装混合刀具的刀盘，即刀盘既需要安装盘形滚刀，又需要安装开挖软弱地层的刀具，这对碴土的搅拌和流动造成困难。 目前，一些土压平衡盾构的刀盘设计为全硬岩刀盘，以开挖从软弱地层到硬岩变化幅度很大的地层。一般情况下，这样的盾构在硬岩区段采用敞开模式掘进，在混合地层和软弱地层区段采用闭合带压模式掘进。 由于土压平衡盾构需要满足开挖硬岩的设计要求，因此其闭合带压模式不得不在碴土搅拌和碴土流量等方面采取妥协方案。与在软弱地层区段采用单纯的土压平衡盾构和在这种复杂多变的地质情况下采用泥水盾构相比，采用土压平衡盾构的闭合带压模式的掘进效率低、磨损高。3开口和开口率 开口率指开口面积占整个刀盘面积的百分比。与泥水盾构相比，开口率对土压平衡盾构更为重要。最常采用的开口率为25%35%。刀盘开口的大小和位置取决于下列因素： （1）开口要足够大，以保证开挖出的位于刀盘前的预处理土料能够穿过刀盘进入后部的搅拌仓，并且不会造成大幅度的压力下降。在搅拌仓的后壁安装压力传感器，对支撑压力进行测量。如果要求精确的开挖面压力控制，则不允许刀盘前后的土压发生较大的波动。过去曾在刀盘的前面板上安装压力传感器，但是其读数不很精确，不能用作土压控制的初步输入信号。 （2）单个开口的大小将限制进入搅拌仓的颗粒或漂石的大小。其基本原则是，大多数情况下单个开口的大小应允许通过其后输送设备。通常是螺旋输送机）的颗粒能够进入搅拌仓。对于中、小型土压平衡盾构，由于其只能配备较小尺寸的螺旋输送机，因此这一基本原则常常会造成矛盾。在这种情况下，通常采用格筛条来限制开口的尺寸，但是在小的进口处也易造成堵塞。 开口的位置（即沿刀盘半径设置的开口的比率）比开口率更为重要，刀盘的中心区域是最容易堵塞的区域。对于土压平衡盾构，在刀盘的中心区域几乎没有搅拌动力；对于泥水盾构，可以在刀盘的中心区域设置冲洗喷嘴，从而可以在一定程度上缓解这一问题。当然，刀盘中心区域的开口比刀盘外围区域的开口更重要。4碴土流量 对于泥水盾构和土压平衡盾构的刀盘而言，开挖仓内的碴土流量极为重要。盾构在粘性土层中开挖时，刀盘或开挖仓堵塞是主要施工风险之一。刀盘的设计在任何时候都必须避免可能造成碴土附着的“死角”或凹槽，并且刀盘的前面板和后面板都应当尽可能地平滑。在刀盘的中心区域，刀具转速和搅拌动力很低，甚至为零，因此刀盘的中心区域尤其易发生堵塞。 鉴于这个特殊原因，为泥水盾构开发了主动中心刀具，一些主动中心刀具还设有自身的送排泥管线，以提高刀盘中心区域的刀具转速和搅拌动力（见图7）。采取该措施后，盾构在粘性土层中的掘进速度提高了30%，并且刀盘转矩降低了25%。图7 荷兰Westerschelde隧道采用的设有主动中心刀具的泥水盾构 在西班牙马德里M30工程采用的直径为15.2m的土压平衡盾构中，首次实现了采用独立中心刀盘的基本原理（见图8）。采用直径为7m的独立中心刀盘，可以提高这台目前最大的土压平衡盾构中心刀具的转速和搅拌动力。通过内刀盘和外刀盘以不同的方向旋转，实现与部分转矩补偿相关的额外效应。图8 西班牙马德里M30工程采用的设有内刀盘和外刀盘的土压平衡盾构 把刀盘设计为单向旋转，对优化碴土流动有利，但由于刀盘仅能单向旋转，因此不能用改变刀盘旋转方向的方法对盾构姿态进行纠正。已经制造了数台用于软弱地层的刀盘单向旋转的盾构，在采用这种盾构施工时，为了抵消推进油缸偏斜所造成的力矩，必须在一定程度上把力矩传递给隧道衬砌。这对隧道衬砌提出了额外的要求，一般采用的解决办法是采用双向旋转的刀盘。5漂石 对土压平衡盾构和泥水盾构而言，穿越岩层和漂石掘进隧道都是件十分困难却很常见的事情。在这种情况下，盾构刀盘通常既需要安装盘形滚刀，又需要安装适用于软弱地层的刀具。根据风险评估结果和预测的漂石出现频率，确定是否在刀盘的中心区域安装盘形滚刀。由于在刀盘的中心区域安装了盘形滚刀，因此一般情况下就无法在刀盘的中心区域设置刀盘开口，从而造成无法对碴土流动进行优化（见图9）。图9 西班牙巴塞罗那采用的大型土压平衡盾构遇到的混合开挖面 众多施工现场的实践经验显示，只要大的漂石适当固定在地层中，盘形滚刀就可以把大漂石开挖下来。根据漂石的大小，隧道开挖过程为有规律的切削（如硬岩开挖）或把漂石破碎成小块。对于盾构操作，需要认识到由于开挖面存在漂石，限制了岩层开挖所允许的最大贯入度。当盾构开挖花岗岩漂石时，即使漂石（或岩石面）仅占开挖面的百分之几，在极端冲击荷载的作用下，开挖贯入度也不会达到1525mm，否则将会对盘形滚刀造成损坏。这种情况经常会发生，造成刀盘因漂石的磨耗而受到严重损坏（见图10）。图10 盘型滚刀破裂造成的刀盘损坏 盾构加压闭合模式作业所使用的盘形滚刀起初设计为类似于硬岩掘进机的滚刀，后来开发了具有高能力、低摩擦的密封结构，并且在约0.4MPa的压力下成功使用。因此，对于较高的开挖面压力，推荐采用压力补偿式盘形滚刀。 采用刀圈不可更换的整体式盘形滚刀取得了很好的施工效果。整体式盘形滚刀较贵，但是不易二次磨损或损坏（见图11）。只要地质条件允许，还可以采用双盘形滚刀，从而降低盘形滚刀在软弱地层中不旋转的风险。图11 美国Portland的West Side CSO工程采用的泥水盾构的14英寸整体式盘型滚刀 盾构安装了可以破碎直径为500mm 的颚式碎石机后，一般情况下就不再需要工人进入开挖仓取出漂石。泥水盾构开挖含有岩石和漂石的砂砾层的大量工程实践显示，在大多数情况下，对于安装了颚式碎石机的盾构来说，直径大于500mm的漂石及其残余块不会从开挖面上落下并进入开挖仓（见图12）。图12 美国Portland的West Side CSO工程的隧道开挖面所显示的盘型滚刀和膨润土泥饼的痕迹 由于没有有效的方法在土压平衡盾构中安装碎石机，因此对土压