盾构机刀具如何选型与制造6.doc

海量资料 超值下载盾构机刀具配置盾构机刀具如何选型与制造1、盾构机选型依据20盾构机刀具配置盾构机刀具配置是盾构机刀具设计中是非常重要的内容。 本论文着重介绍了刀具的种类和切削原理,同时针对不同的地层情况,提出刀具的具体配置方式。针对盾构机在复合地层隧道掘进,解释了刀具配置的差异性、刀具配置的“矛盾”现象。结合工程实例,在砂卵石地层中(尤其是含大直径漂石)长距离隧道掘进的工况下,提出了盾构机生产厂家关于刀具配置新的设计理念和思路。最后提出了刀具配置设计中应考虑的因素。关键词:刀具种类;切削原理;配置方式;刀具设计Abstract: TBM(Tunnel Boring Machine) Cutting Tools Configuration is one of the most important factor during TBM cutting tool design. This article focus on describe the type of cutting tools and cutting theory, Meanwhile, the detail cutting tools configuration has been proposed due to different geologic condition. Analyzed the discrepant cutting tool configuration and “the Contradictory Phenomenon”. According to the reference project, a new cutting tools configuration design thought & theory is proposed from TBM manufacture for long distance tunnel excavation in gravel geologic condition(especially content big boulder). At the end of this article, the necessary consideration factor is provided during cutting tools configuration design.Key words: Type of Cutting Tools; Cutting Theory; Cutting Tools Configuration; Cutting Tools Design0 引言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 刀具种类和切削原理1.1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,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的砂、卵石、粘土等松散体地层。1.2先行刀( 超前刀)先行刀是先行切削土体的刀具,超前切刀布置。先行刀在设计中主要考虑与其它刀具组合协同工作。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,为切刀创造良好的切削条件。先行刀的切削宽度一般比切刀窄,切削效率较高。采用先行刀,可显着增加切削土体的流动性,大大降低切刀的扭矩,提高切刀的切削效率,减少切刀的磨耗。在松散体地层,尤其是砂卵石地层先行刀的使用效果十分明显。1.3贝型刀贝型刀实质上是超前刀,盾构机穿越砂卵石地层,特别是大粒径砂卵石地层时,若采用滚刀型刀具,因土体屑松散体,在滚刀掘进挤压下会产生较大变形,大大降低滚刀的切削效果,有时甚至丧失切削破碎能力。将其布置在刀盘盘圈前端面,专用于切削砂卵石。1.4 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。1.5 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、对周边土体干扰小的条件下,实现曲线推进和顺利转弯及纠偏。1.6 滚刀和刮碴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。1.6.1 滚刀分为齿形(球齿、楔齿)滚刀和盘形滚刀1.6.2 滚刀刀圈的材质是滚刀能否胜任掘进硬岩的关键。盘形滚刀根据刀圈不同一般有以下4种类型(1)耐磨层表面刀圈 :适用于掘进硬度40MPa的紧密地层,硬度80100MPa的断裂砾岩、砂岩、砂粘土等地层。(2)标准钢刀圈 :适用于掘进硬度50150MPa的砾岩、大理石、砂岩、灰岩地层。(3)重型钢刀圈:适用于掘进硬度120250MPa的硬岩,硬度80150MPa的高磨损岩层,如花岗岩、闪长岩、斑岩、蛇纹石及玄武岩等地层。(4)镶齿硬质合金刀圈 适用于掘进硬度高达150250MPa的花岗岩、玄武岩、斑岩及石英岩等地层。1.6.3 刮碴板的作用是将滚刀破碎的岩碴,及时排出,防止滚刀对岩碴的二次破碎,保护滚刀。前刮碴板主要铲装刀盘前方的落碴,铲装量大,磨损较快,后刮碴板主要铲装下护盾推进中从隧道底部堆积起来的碴石,铲装量小,磨损较小。2 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。2.1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,覆盖了整个进碴口的长度。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。2.2 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。2.3 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(150-200Mpa), 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)。2.4 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碴刮刀板。3 刀具配置的差异性在复合地层施工中,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175mm和140mm,三菱公司刀盘滚刀和固定先行刀高出面板90mm和70mm。两种刀具的高差为35mm和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100120mm(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)。4 复合地层中刀具配置的“矛盾”现象硬岩地层只需滚刀,但有时必须安装切刀(或刮碴板),切刀在破硬岩过程中几乎没有作用,由于贯入度和高度差的原因,产生瞬间冲击荷载,切刀被磨平或被崩断。在复合地层中,有些砂、卵石地层或同一断面中有硬岩和软岩,所以刀盘必须配备切刀和先行刀以对应非硬岩的需要。同理,在软岩和软土地情况下,本不需安装滚刀,但在由于可能存在部分硬岩,又必须安装滚刀,导致滚刀严重损坏,失去破岩功能。5 砂卵石地层中(尤其含大直径漂石)长距离隧道掘进的工况下,刀具配置新的设计理念和思路北京地铁9号线06标段,盾构单线隧道长度约为1238m,地层主要为卵石层、圆砾层、强风化中风化砾岩层、强风化粘土岩,局部为粉质粘土层和细砂层。开挖面围岩不稳定,粘土岩和强风化砾岩的单轴抗压强度为0.32.0Mpa,为极软岩。详勘报告中推测大于400mm粒径卵石含量为盾构机刀具配置,关键词是刀具种类,切削原理,配置方式,刀具设计, 15%40%,隧道附近基坑内有15002000mm漂石,不排除有粒径更大的漂石存在,且随机分布。随机取样卵石和砾石的单轴抗压强度为120187 Mpa,石英和长石含量为70%95%。 盾构厂家针对本标段的地层在刀具配置方面提出了新的设计理念和思路。为了使刀具能够充分发挥作用,盾构机设计使用了3130 mm大直径轴承,配备了1200kw的驱动动力,使刀盘的托困扭矩为774t.m,转速可达03.2rpm,同时在刀盘面板和周边焊接碳化铬超硬耐磨板和耐磨网。刀具布置方面(初步预案),开口槽密排宽幅切刀100把(带耐磨合金头)、面板上配备大横断面高耐磨双层碳化钨重型撕裂刀(先行刀)31把、刀盘外周和边缘位置配备双刃(17”)滚刀10把,中心锥形刀1把。滚刀和重型撕裂刀采用刀盘后装式,可通过刀盘内的转接箱方便地进行拆卸、互换。刀具的破岩原理,利用刀盘高速转速产生的冲击惯性能量,通过滚刀和大横断面重型撕裂刀进行卵石、砾石和漂石的刀盘前“锤击”破碎。但由于是在软岩地层中掘进,卵石、砾石和漂石在基岩内不能被固定,不能提供给滚刀足够的转动力矩和滚刀切岩的支撑力,导致滚刀破岩失效。6 刀具配置设计时应考虑的因素6.1 实际施工时会遇到各种复杂地层,地质资料提供的只是部分的钻探资料,不能完全准确反映实际地质情况,因此在进行刀具配置设计时必须考虑对地质进行充分的分析和研究,刀具配置要有一定的富余和能力储备;6.2 不同的工程地质需配置不同的刀具,软土地层只需配置切削型刀具;砂卵石地层除配置切刀外,还需配置先行刀;风化岩及软硬不均地层除配置切削型刀具外,还需配置先行刀、滚刀;在复合地层中,要保证不同种类刀具相互可换性;6.3 刀具配置要覆盖整个开挖断面,为保证刀盘受力均衡,运转平稳,刀具要对称性布置;切刀要正反方向布置,同时要确保每个轨迹有2把切刀;对切刀排列方式进行选择,整体连续排列或牙型交错排列;通过周边刀保证开挖直径;保证滚刀纯滚动,要考虑周边滚刀的安装角度,同时增加周边滚刀的数量;6.4 刀具安装通过螺栓固定或设计转接箱,便于安装、拆装、更换和修理方便;6.5 通过合理选择耐磨材料和合金镶嵌技术;对刀盘和开口槽进行耐磨处理;对加泥、加泡沫系统进行合理设计,减少刀具掘进磨损和冲击,提高刀具的耐久性,延长刀具的使用寿命;6.6 适应城市繁华地区施工的需要,综合合理选择刀具种类和尺寸,确定刀具的超前量、相互高差,尽可能减少刀盘旋转刀具切削土体过程对周边土体及环境的扰动,尽量使各种刀具磨损均匀,充分发挥各种刀具的切削性能;6.7 配备刀具磨损监测和报警装置,如液压式、电磁式、超声波探测式。7 结束语刀具配置关系到盾构能否顺利掘进,必须根据地质状况认真研究分析。在盾构施工中合理的选取掘进参数(如总推力、刀具贯入度、刀盘转速、扭矩等),最大程度的延长刀具的使用寿命,减少换刀频率,降低施工中频繁换刀的风险,做好对刀具监控、分析、比较、摸索,总结刀具的使用经验,将结果反馈,指导施工。参 考 文 献1 竺维彬 鞠世健.复合地层中的盾构施工技术.中国科学技术出版社2 Michael A.DIPonio Jay Dee-Michels-JV David Chapman Lachel,Felice & AssociatesCraig Bournes Lovat,Inc EPB Tunnel Boring Machine Design for Boulder Condition/P盾构机刀具如何选型与制造 适应两种工程条件下盾构机主要结构设计分析摘要本文根据天津和沈阳地铁工程实际特点，提出适合两个地区地铁隧道施工用的盾构机基本配置的技术要求，同时就盾构机的驱动方式、扭矩和刀盘布置等关键技术问题提出设计思路。力求在两种不同工程条件下盾构机主要结构设计合理优化、科学配置，满足两种不同工程条件下施工需要，减少投资、节约成本。本文就此问题进行探讨。中铁四局集团公司先后中标天津、沈阳地铁工程项目施工，为使工程施工顺利进行，经过慎重决策决定购置两台盾构机投人天津施工，完工后对盾构机局部进行简单改造再投人沈阳地铁施工。为完成此任务实现一种机型适应两种地质施工条件，笔者对天津和沈阳两地区地质特征、盾构机机型及适应工程地质的特点等进行了分析，提出满足要求的盾构机主要结构设计特点。一、天津、沈阳地区地质情况简介及地铁隧道结构形式1.1工程地质及水文条件天津区间地下水位较高，埋深一般在12m可见潜水，埋深约20m有承压水。从地表向下12m为人工填土；37m为Qaal陆相河流沉积层，黄褐灰黄色粘性土，可塑软塑。而放淤区、坑塘、古河道填土厚度不等，土质很差。712m为浅海沉积层Q，Zalm，灰色粉质粘土、粉土、粉砂，土中含有贝壳和黑色有机质，土质较好；1230m为中部陆沉积层Q4Ia1Q30a1有黑色沼泽沉积层，自15m以下大致情况呈黄褐色粘土，可塑到硬塑状态，土质致密，性质稳定等；30m以下为下部陆相层Qsal粘性土硬塑，粉细砂中密到密实。沈阳区间地层主要有：(1)第四系人工堆积层：以杂填土为主，局部见素填土；(2)浑河老扇：冲洪积为主，上部为冲洪积粉质粘土，局部为粉土，向下为砂土及碎石土，粒度由细变粗，埋深和厚度变化大，常见有粗细不同的夹层和透镜体；(3)第四系冰债物：以碎、砾石为主，含20%30%的粘性土，原岩呈强风化全风化；隧道主要位于强透水的中、粗砂、砾砂、圆砾层中，其综合渗透系数k=82.lm/d，地下水丰富一极丰富，同时隧道穿过地层为密实状态，穿越的砾砂层、圆砾层含5.0%35.0%的卵石，最大颗粒直径约100mm，母岩成份为中、微风化花岗岩和石英岩等，强度较高(表l)。表11.2地铁隧道结构形式天津与沈阳两地区地铁隧道结构形式基本相同，管片环设计为5+l模式，分标准环、左转弯环、右转弯环三种形式，采用CSO钢筋混凝土预制，宽度1200mm，厚度350mm。管片间采用螺栓连接，环向每个接缝有2个螺栓，共12个，纵向共设16个螺栓。管片环宽为12m。管片环与环之间采用错缝拼装方式，管片端采用平面式，环向设置凹凸桦槽(表2)。表2二、适应两种工程条件下盾构机结构设计基本原则由于两个地区地质结构相似，隧道结构形式相同，笔者认为适应天津和沈阳两种工程条件下地铁隧道盾构法施工，盾构机的配置及参数设计要以沈阳地质条件(砾砂)进行，考虑到天津主要地段中含有粉细砂、砂层，因此，刀盘刀具的布置及对开挖面的土体改善设备(泡沫及膨润土等添加剂注人设备)需要进行针对性的设计，盾构机外径根据天津管片外径小62O0mm、宽度1200mm进行，因此，天津使用后，只需对盾构机刀盘、刀具、壳体外形尺寸等进行改造就能满足沈阳地铁的施工，为此提出用于本项目盾构机结构设计需要遵循的几项基本原则。(l)盾构机结构设计简单可靠，技术水平先进，满足两种工程条件下施工需要；(2)盾构机首先应满足天津地区隧道所穿越地层不同地质与水文条件的施工需要，之后仅对盾构机部分结构尺寸进行改造就能够满足沈阳地铁施工的需要，盾构机需能满足从砂层到软土层的土压平衡盾构，改造方案要经济可行，易于实现；(3)要求盾构机对控制地表沉降配备足够的功能和具有良好的操控性能。三、本项目盾构机选型需要重点考虑的要素盾构选型合理与否直接影响盾构推进的成败，也关系到盾构设备费用投人。盾构选型首先要适应工程水文地质条件，还要综合考虑其它选型条件，如顶进线性(顶进曲率半径)、断面尺寸、地面沉降的控制、扭矩系数及工程所处的周边环境与工期要求，合理选择盾构机，对保证施工质量，保护地面与地下建筑物安全和加快施工进度是至关重要的。盾构推进时受到千斤顶推力和土体对盾构的反作用力，盾构推进是在不断调整这两个力的相对关系之中向前推进，由于土质软硬误差或土质变化都会影响控制盾构轴向高程的技术指标；盾构掘进切削断面内的粘土粒含量、含砂率及卵石直径都会对盾构排土机构、切削机构的正确设计、刀盘、刀具和排土机构的耐磨性都有重要影响；地下水位、承压水大小、施工深度也都影响到盾构机防水密封的合理设计，这表明盾构结构必须要适应工程水文地质条件。以上分析都关系到设备投资费用，盾构施工各条隧道所在位置的地层情况是复杂的，即使同一条隧道也会遇到不同地层情况，因此，天津地区选用盾构机，除了适应具体工程条件外还要考虑今后到沈阳等其它地区的普遍地质状况，还应考虑到施工中会遇到一定粒径卵石等。3.1工程地属条件对盾购机技术参数配置的影响3.1.1粘性土及粉土层天津地区属于该种性质的地质，盾构机在此地层中施工时，一般较容易控制，但常会发生刀盘粘附导致增大阻力和螺旋输送机的粘附堵塞，因而需要注重考虑刀盘形式、开口率、刀具、加泥位置等解决方法。3.1.2砂性土层盾构机在砂性土层中施工比在粘土层施工稍为困难。砂性土一般摩擦阻力大，渗透性好，在盾构机推进挤压下水分很快排出，土体强度提高，故不仅盾构机推进摩擦阻力大，而且开挖面土压力也较大，常会导致盾构机刀盘扭矩和总推力不足。另外，盾构机密封舱内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体，特别是在无水砂性土层中施工，有时甚至实现不了与开挖面土压力保持动态平衡的需要，操作不当会出现开挖面上方的局部坍塌。砂性土层对刀具磨损较严重，并伴有损坏盾尾密封系统的现象。因此盾构机选型时，应将设备的推力、刀盘的扭矩、形式、开口率，以及加泥加泡沫系统等内容作为重点统筹考虑。3.1.3粉质粘土、粘质粉土、中细砂互层对于此类地层，盾构机施工比较容易，有时甚至不用加泥只需加水即能顺利施工。3.1.4中砂、粉质粘土、砂卵石互层对于此类地层，盾构机施工比砂性土层困难，而远比砂卵石层容易，所需注重问题与前三项类似，但因为几类地质交互的原因，情况有较大变化。四、盾构机机型选择4.1盾构机机型的确定根据国内盾构机实际应用现状及盾构机结构特点，笔者认为泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机，均能满足天津、沈阳地铁隧道的施工，但究竟采用那一种机型技术经济更合理，必须从盾构机的工作原理、适用地质领域的宽窄、经济指标以及对环境的影响等综合均衡比较之后，才能做出正确的选择。泥水式平衡盾构机的工作原理是通过向密封舱内加人泥水(浆)来平衡开挖面的水、土压力，其开挖面的平衡稳定性及控制地面沉降性能较好，盾构机内部空间较大，特别是大直径隧道施工具有一定技术优势，但施工弃土需进行泥水分离处理，设备系统繁杂，占地面积大，价格昂贵。加泥式土压平衡盾构机的工作原理则是向密封舱内加人塑流化改性材料，与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌，形成具有一定塑流性和透水性低的塑流体，同时通过伺服控制盾构机推进千斤顶速度与螺旋输送机向外排土的速度相匹配，经舱内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力，实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进。由于加泥式土压平衡盾构机可以根据不同地层的地质条件，设计和配制出与之相适应的塑流化改性剂(如泡沫等)，极大地拓宽了该类机型的施工领域，特别是在砂卵石地层中施工优势最为明显。故近年来该机成为盾构机应用的主流机型，在隧道工程中得到广泛应用。加泥式土压平衡盾构机适应不同地质条件(粘性土、砂性土、砂砾石甚至软岩)的能力最强，特别是在砂砾地层(最大粒径超过5mm)中的应用占绝对优势。鉴于两种机型技术特性的比较结果，笔者认为，对于天津、沈阳地铁隧道盾构法施工，加泥式土压平衡盾构机的技术经济比较合理，选型时宜优先考虑。五、加泥式土压平衡盾构机的基本结构技术配置就天津和沈阳两地区地铁隧道工程特点，笔者重点分析盾构机的基本结构技术配置选择和要求。5.1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，大致可分为面板式和辐条式(复合式刀盘由这两种形式派生而出)刀盘两种形式。针对天津的地质条件以及目前地铁隧道埋深25m左右的情况，采用什么形式的刀盘将直接影响盾构机的掘进效果，而且造价相差约为盾构机造价的4%8%。因此笔者对两种形式的刀盘特性进行了比较(表3)。 比较结果表明，采用辐条式刀盘既能满足工程施工需要，保证有较好的掘进性能，又能节省设备投资。采用辐条式刀盘结构设计需要充分考虑粘土及砂层的掘进要求以满足两种地质掘进特点：(1)具有足够的刚度和强度用于支撑开挖面和承受掘进中的推力及扭矩；(2)尽可能保证盘面上有足够的刀具数量、种类和合适的安装位置有效开挖，并且保证足够的寿命；(3)合适的刀盘开口率(40%左右)以保证碴土进人土仓的顺畅性；(4)刀盘配置较多的先行刀，提高刀盘的耐磨性；(5)刀盘上合理配置添加剂注人口，保证添加剂均匀的注人到开挖面。为实现上述功能要求，对刀盘进行以下结构设计。刀盘主体为面板式，钢板焊接结构；为保证刀盘主体结构整体强度要求，刀盘由辐条、面板、侧板、筋板、外缘板、后盖板、耐磨合金条和支撑梁焊接而成，为使刀盘对本工程中的粘土、砂层等土质都能很好地适应，考虑到如果在粘性土层中施工，可能会产生粘性土粘附在刀盘及缝隙上从而引起堵塞，刀盘设计为6根辐条加封板型辐条面板(见图1)，中间支持方式，在各辐条及面板上设置了切削刀具及先行刀，可以顺时针或逆时针回转对开挖面进行掘削的构造。为了防止中央部位的堵塞，在有限中央部位尽可能增加开口。图l刀盘结构图刀盘对开挖面的支护性能；土压平衡盾构机其原理主要是依靠土仓中的受压碴土与开挖面水土压力保持平衡，但刀盘面也可以起到一定的平衡开挖面稳定的作用，为此，辐条设计为6条，设定开口幅度550mm，开口率40%，刀盘60%的面积可用于支撑开挖面的稳定。但当开挖面失稳时刀盘支撑面积只是起到迟缓坍塌的作用，并不能真正支撑开挖面的稳定，所以在整个施工过程中必须要在土仓中建立稳定的土压以平衡开挖面的水土压。刀盘的抗磨损性能。结合天津地质条件含砂量大的特点，刀盘设计需充分考虑地层对刀盘具有较大的磨损性，因此，在刀盘上配置了先行刀、在刀盘面板外周、搅拌棒、刀盘边缘板和滚刀刀座等处磨损量较大部位堆焊了大量的网格状耐磨硬质合金，安装有刀盘外周保护刀具，大大提高了刀盘的耐磨性能，延长其使用寿命。在刀盘上配置了用于软土层切削的刀具包括正面切削刀、周边刮刀、中心切削刀、先行刀，可以切削破碎天然单轴抗压强度在10MPa以下的各类风化岩和软土，考虑到本工程在砂砾层和软弱的土质中使用，参照许多同类土质的施工实例，本工程采用耐冲击性及耐磨性优越的刀具。5.2刀盘驱动方式刀盘驱动方式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搅拌密封舱内土体的任务。刀盘驱动系统也是盾构机消耗功率较大的部件之一。过去为了保证刀盘旋转切削土体的能力和效果，盾构机刀盘驱动方式多为液压驱动。但随着变频电机技术的不断发展，盾构机的设计越来越多的采用变频技术，而且由于其具有明显的技术优势，同时价格也在不断下降，应用于盾构机呈扩大的趋势。变频驱动具有一般液压驱动所不能比的优点，笔者对盾构机刀盘常用驱动方式特性比较见表4。表4刀盘3种驱动方式比较由表4可以看出采用变频电动机驱动，传动效率高、噪音小、发热量小和占用较少的设备空间，并且在地质变化较大、刀盘启动停止较为频繁和在较硬的岩土中掘进时刀盘承受较大冲击力等状况下，变频电动机驱动完全能满足要求。所以选用变频电动机驱动是较为合理的，且变频电动机驱动具有转速连续可调的功能，更便于操作人员控制。 刀盘采用变频电动机驱动，具有良好的对应地质的转速与扭矩输出曲线，刀盘转速在0.301.1rpm时，恒扭矩输出，在1.1一2.2rpm时，恒功率输出，因此，能满足各种地质条件对扭矩和转速的要求，例如，在高扭矩时需要低转速(如粘土层)，在低扭矩时需要高转速(如砾砂层)，符合天津与沈阳地质特点。刀盘驱动扭矩一转速输出特性见图2。图2刀盘扭矩一转速输出特性图因为大直径盾构机前盾空间较大，驱动马达空间设置限制少，低噪音、适中的工作温度、对施工环境的影响极少的优点，同时，为了提高效率，减低起动扭矩，简化后方台车设备，改善隧道内环境等，采用变频电机驱动切削刀盘是首选。驱动电机的变频控制可使刀盘变速运转，随施工状况和土质的软硬自行调整，所以能广泛适应各种土质。笔者从盾构机刀盘驱动效率的高低，后续配备设备的多少，设备维护、保养的难易以及作业人员工作环境的优劣等方面综合考虑，认为本项工程隧道施工用盾构机，刀盘的驱动方式采用变频电机驱动方式能够满足天津和沈阳两地掘进要求。5.3盾构机刀盘驱动力矩盾构机刀盘驱动力矩确定原则是需满足天津和沈阳两种地质条件的掘进要求，按照略有储备，在最恶劣的条件下设计计算驱动力拒。5.3.1盾构机刀盘所需扭矩的计算根据日本小松公司的长期经验，切削刀的切削抵抗系数在粘土、淤泥质粘土土层(水土不分离)中最大(见表：切削阻力系数)。因此采用最恶劣的粘土淤泥质粘土土层(水土不分离)以及隧道上方的土体松弛高度以全覆土来计算盾构机各主要参数。表切削阻力系数5.3.2计算条件参数(按水、土不分离情况计算)(l)土质粘土、淤泥质粘土(2)覆土H30m(3)土的单位体积质量水位上部1.9t/(4)土的单位体积质量水位下部1.9.gt/(5)标准贯人试验值N0(6)内摩擦角0deg(7)地面载荷S6t/(8)侧方土压系数Kl0.7(9)松弛土的粘着力c49.05kN/(10)盾构机外径d6.34m(n)盾构机半径r3.17m(12)壳体长L9.005m(13)盾构机质量G260t(14)掘削断面积A31.57(15)刀盘开口率40%(16)刀盘半径rc3.15m(17)刀盘厚10.4m(18)切削阻力系数(见表)es1.2(19)切削刀刃宽度Bo12cm(20)切深t23cm(21)切削刀刃的前角0.262rad(22)主刀具数量(安装总数的一半)nt40个(23)主刀具平均安装半径(d/4)Rk1.585m(24)刀盘支撑梁数na6个(25)刀盘支撑梁平均安装半径ra1.56m(26)刀盘支撑梁外径da0.46m(27)刀盘支撑梁长度la0.712m5.3.3所需扭矩计算盾构机刀盘扭矩(T)是由刀具的切削阻力矩(Tl)、刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩(T2)、刀盘面板 外周与地层间的摩擦阻力矩(T3)、搅拌翼的阻力矩(T4)组成。(l)刀具的切削阻力矩Tl一个切削刀刃所需的阻力矩Ha根据日本村山田经验公式计算(2)刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩T2(3)刀盘面板外周与地层间的摩擦阻力矩T3(4)搅拌翼的阻力矩T4(5)所需扭矩T(6)装备扭矩余量装备扭矩To(100%时)515IkNm526tf.m安全率S=T0/T=1.4倍装备扭矩To(120%时)618IkNm63ltfm安全率S=T0/T=1.7倍由计算可知，本盾构机配置了充分的扭矩。并且，本盾构机在100%扭矩时(=526tf.m)是理论计算的1.4倍，有充足的余量，特别是在120%扭矩时(=631tf.m)是理论计算的1.7倍，足以保证工程的需要。5.4加泥及加泡沫系统加泥系统是加泥式土压平衡盾构机的基本配置。正是采用该系统，对于不同地质的条件，通过添加塑流化改性材料，改善盾构机密封舱内切削土体的塑流性，既可实现平衡开挖面水、土压力又能向外顺畅排土，大大拓宽了盾构机的适应范围。天津大部分地区应用盾构法施工时，仅采用加泥系统就可满足隧道施工的要求。为此，在刀盘结构设计上考虑改善砂层的塑流性、止水性的结构及措施。 由于砂层塑流性、止水性差，在掘进中会产生排土不畅或造成砂层固结，造成土仓土压不稳定以及推力增大，为了防止这种现象出现，采用以下措施来改善砂层掘进中碴土的塑流性、止水性差特性：(l)为了防止“砂层塑流性差”现象的发生，刀盘配置自动泡沫和添加剂注人系统，可根据需要向开挖面注人泡沫和膨润土及其他聚合物，改善碴土的流动性；(2)为了防止砂层流塑性、止水性差的现象发生，在掘进中会产生排土不畅或造成砂层固结，造成土仓土压不稳定以及推力增大，刀盘开口的设计使碴土进人土仓的通道流畅；土仓空间较大，中心障碍物少，表面平滑，可有效增加添加剂与碴土的混合效率；为防止粘粒含量大的饱和粘性土粘着盾构刀盘或造成管路堵塞，通过添加水、膨润土或泡沫来改善土体的粘性，降低其对施工设备的不利影响。(3)刀盘上设置搅拌棒，随着刀盘一起转动，辅以仓壁上的固定搅拌棒可起到搅拌碴土的功能，对土仓中的废弃土体进行强制搅拌，使注人在开挖面上或土仓中的添加材料(加泥、水、气泡)与切削下来的土体在土仓中进行充分的搅拌，提高土体的塑性流动性，使在园滑土仓中的废弃土体具有良好的流动性和止水性。由于天津地铁规划所穿越地层有大量的砂土及砂卵石地层，而且不少地区地下水位较低，甚至隧道穿越无水砂卵石地层，根据施工经验，盾构机在这种地质环境中掘进时，仅考虑采用加泥措施来改善切削土体流动性往往效果不佳，密封舱内切削土体寓析严重，盾构机经常堵塞不能正常掘进，而且加泥量过大降低了掘进效率，增加施工费用。为适应前述地质环境的施工，可在加泥的基础上增加泡沫系统。利用加人泡沫改善土体粒状构造，吸附在土体颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒的摩擦，增加切削土体的粘聚力，同时降低土体渗透性，达到既能平衡开挖面土压又能连续向外顺畅排土的目的。实际施工中，根据地质的变化，加泥或加泡沫或同时加人泥浆和泡沫的混合液，施工效果良好。5.5螺旋输送机螺旋输送机是加泥式土压平衡盾构机的重要组成部分，主要有以下三个功能：(l)将盾构机密封舱内开挖出来的土体向外连续排出；(2)切削土体在螺旋输送机内向外排出过程中形成密封土塞，阻止土体中的水分散失，保持密封舱内土压稳定；(3)将盾构机密封舱内土压值的高低，自动(也可手动)与设定土压值比较，随时调整向外排土速度，控制盾构机密封舱内实现连续的动态土压平衡过程，确保盾构机连续正常向前掘进。根据螺旋输送机的构造不同，可分为有中心轴的螺旋杆式螺旋输送机和无中心轴的带式螺旋输送机。比较国内外盾构法施工的业绩，可认为前者适用于一般性土、砂运输，后者适用于较大颗粒的砂卵石和块石的运输。在本工程中，考虑到在砂层中施工，所以采用对止水性更为有利的有轴螺旋机，出土口在螺旋机尾部设置了二道闸门。螺旋机的输出扭矩按照在粘性土及砂性土中最大要求考虑：根据日本小松公司的工程实绩，粘性土及砂性土中的扭矩系数=100200，盾构机所需回转扭矩为：T=D3=(100200)0.653=27.554.9kNm根据上述计算及小松公司的经验，螺旋输送机配置扭矩：T=85.7kNm(=312)实践证明，螺旋机扭矩完全能满足天津和沈阳地铁施工要求。5.6壁后同步注浆系统壁后注浆技术在盾构法隧道施工中的有着重要作用：(l)同步填充盾构机向前推进过程中管片逐渐脱出盾尾所产生的间隙；(2)改善管片结构防水和抗渗性能；(3)促进隧道管片结构及早稳定；(4)限制隧道结构蛇行。当隧道覆土深度不大、地面建筑物结构性差、沉降控制要求严格、以及隧道穿越地层地质不良、稳定性差时，必须采用壁后同步水泥一水玻璃双液注浆。所注人浆液不仅要求能够同步及时填满整个盾尾间隙，而且要求浆液迅速固结达到设计强度，满足抵抗土体变形下沉的需要；当施工环境条件与前相反时，则可采用壁后同步单液(包括惰性)注浆，也能达到及时饱满填充盾尾间隙的要求和控制沉降的目的，这样做，技术经济上比较合理。砂层中由于渗透系数较大，同步浆液容易向砂层中渗透，因此可以采用双液注浆，在淤泥质、粉质粘土可以采用单液注浆，针对天津、沈阳地质条件、地铁隧道的埋深和隧道穿越地区地面建筑物的状况，为了满足天津和沈阳两地区对壁后注浆的不同要求，笔者认为，在设计盾构机壁后注浆系统时，需采用既能单液注浆也能双液注浆的设计。盾构法隧道施工中能否及时填充盾尾间隙，是控制土体沉降的关键。通常每环浆量为建筑空隙200%250%，建筑空隙v按下式计算。实际每推进一环同步注浆量为3.324.15。六、刀具的选择6.1刀具形状和刀具布置刀具形状及刀具布置方式是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。6.1.1刀具形状及其作用刀具的形状必须适应施工地质的特点，并且刀具在切削断面不同的位置其作用及要求均不同，因此应对刀具进行针对性设计。设计刀具时需考虑以下几个要素。第一，刀具在砂、砂卵石地层中的切削效率，即如何减少切削阻力，保证切削土体的流动性；第二，通过刀具形状的改变，减少刀具掘进磨损，提高刀具的耐久胜；第三，适应城市繁华地区施工的需要，尽可能减少刀具切削土体过程对周边土体及环境的干扰，如振动、噪音等；第四，如何从材料和设计方面，降低盾构机在砂卵石地层掘进时刀具的磨损(包括撞击掉块等)，保证盾构机刀具长距离掘进的可靠性。(1)刀具类型的确定。盾构机刀具按切削原理分为切削刀和滚刀两种类型。切削刀的切削原理主要是盾构机向前推进的同时，刀具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，不断将开挖面前方土体切削下来，一般适用于粒径小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散体地层。滚刀的切削原理主要是刀具依靠挤压破岩，一般用于岩石隧道的掘进。当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，可采用滚刀型刀具。另在地质条件复杂多变、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，也可以采用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。天津地区一般采用切削刀而不需要采用滚刀型刀具。(2)主要刀具形状及作用。切削刀在刀盘上配置了用于软土层切削的刀具包括80把正面切削刀、12把周边刮刀、1把中心切削刀、60把焊接式先行刀，切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀一般形状如图所示。一般情况下，(前角)与(后角)值随切削地层特性不同变化，取值范围在520之间，粘土地层稍大，砂卵石地层稍小。针对天津市地层特点，(前角)和(后角)值建议采用15。先行刀先行切削土体的刀具为先行刀。刀具切削土体时，先行刀在切削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。天津地铁盾构机刀盘上配置了60把先行刀及12把周边先行刀，先行刀高于面板110mm，比主切削刀(80mm高)高30mm，切削时，先对开挖面进行切削，减轻对主切削刀及面板的磨损，可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率。在松散地层，尤其是砂卵石地层使用效果十分明显。先行刀形状示意见图4。6.1.2刀具布置根据天津地铁隧道施工中可能碰到的主要地质条件，刀具按照牙型交错连续排列的原理布置，确保盾构机刀具的切削轨迹布满开挖全断面。刀具牙型交错连续排列布置将刀盘分成内、中、外三部分，80把主切削刀配置：内部1条掘削轨迹上配置l把切削刀，中间部1条掘削轨迹上配置2把切削刀及外周部1条掘削轨迹配置3把切削刀；60把先行刀配置：内部1条掘削轨迹上配置1把先行刀、中间部1条掘削轨迹上配置1.5把先行刀及外周部1条掘削轨迹配置2把先行刀，最外周1条掘削轨迹配置3把先行刀，另外在最外周配置了12把周边先行刀，通过这样的配置可以大大减轻刀具及面板的磨损，并且能有效的保证开挖直径，减小切削阻力、提高切削效率、增加密封舱内土体流动性及搅拌特性。6.2盾构机在砂卵石地层掘进的耐磨损(耗)措施根据我局在天津砂卵石地层进行盾构法施工的经验，通常盾构机的刀盘、刀具、密封舱内壁以及螺旋输送机的磨损(构比较大，特别是在石英砂含量较多、卵石(砾石)粒径较大的情况下，磨损极为严重。为保证盾构机在砂卵石地层掘进时刀具切削正常，实现长距离掘进，笔者提出盾构机设计时应采取以下措施。(l)使用耐磨及韧性好的矿用刀具材料，除在刀具刀口部分考虑嵌入超硬材料(如碳化钨合金等)外，切削土砂(卵句沿刀具向后流动所经过的刀具表面也适当给予加强。(2)考虑采用主副切削刀(主副超前刀)联合切削土体，利用主副刀不同的切削高度差(高差值约为20mm，可经过磨损计算确定)，延长刀具使用寿命。当主切削刀(主超前刀)的高度磨损大于20mm后，副切削刀(副超前刀)开始工作。这样延长了刀具的磨损长度，大大提高了刀具整体抗磨损(耗)能力。(3)在盾构机刀盘盘圈后端、搅拌棒、刀盘边缘板、刀座、密封舱内壁以及螺旋输送机取土端的外壳、螺旋叶片边缘均采用耐磨材料或堆焊有网格状耐磨硬质合金，并考虑便于维修和更换的结构措施。七、盾构机改造设计方案为了尽可能在天津地铁施工后，通过简单少量的改造来满足沈阳地铁施工，笔者设计以下改造方案。7.1刀盘在适应沈阳地铁6240mm刀盘直径的外环上焊上1个厚度为45mm的园环，这样刀盘直径就能满足天津地铁的6330mm的要求。以后，用于沈阳时，只需切割掉外周园环，经过少量改造即可。7.2切口环、支撑环与刀盘相似，通过焊接厚度为45mm圆筒使适应沈阳地铁6250mm切口环、支撑环直径能够满足天津地铁的小6340mm盾壳的直径。7.3盾尾根据沈阳地质条件，壳体上的同步注浆管路必须为内置式，对于沈阳地质施工盾尾新做。7.4刀具由于天津与沈阳地质条件完全不同，所以用于天津的刀具不能用于沈阳，所以必须新做。八、结束语盾构机作为盾构法施工的大型专用机械设备，其选型正确与否，无