盾构法施工-盾构的基本构造

刀具切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，盾构向前推进的同时，刀刃和到头部分插入到地层内部，随刀盘旋转对开挖面土体进行切削。适用于软土及泥岩地层。一般情况下，β(前角)与α(后角)值随切削地层特性不同变化，取值范围在5～20度之间，粘土地层稍大，砂卵石地层稍小。切削刀一般形状示意图

切削刀为盾构机开挖非岩质地层的基本刀具，其形状、布局将对开挖效果有重要影响。切削刀切削土体的示意见下图。对于软土地层或经滚刀破碎后的碴土将通过切刀和刮刀进行开挖。碴土随切刀、刮刀正面进入碴槽，因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有装载的功能。切削刀切削土体示意图

刀具先行刀即为先行切削土体的刀具。超前刀在设计中主要考虑与切削刀组合协同工作。刀具切削土体时，超前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。据其作用与目的，先行刀断面一般比切削刀断面小。采用先行刀，一般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，减少切削刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层使用效果十分明显。先行刀先行刀与切削刀协同工作示意图

贝壳刀实质上是先行刀，盾构机穿越砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层时，采用盘圈贝型刀，将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石)的难题。贝壳刀实物照片贝壳刀示意图

采用大刀盘全断面切削土体，布置在刀盘不同位置的切削刀，从刀盘外周至中心，运动圆周逐渐减小，中心点理论上可以视为零，相应土体流动状态也是越来越差。而且中心支撑部位(直径约1.5m)不能布置切削刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可考虑在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。鱼尾刀示意图

鱼尾刀：其一让盾构机分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面(直径约1.5m)土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其他切削刀不在一个平面上，一般鱼尾刀超前600mm左右，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(如同犁地一般)。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，又大大提高盾构机整体掘进水平。鱼尾刀切削土体示意图

仿形刀布置在辐条的两端。盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从辐条两端径向伸出和缩回仿形刀，达到仿形切削的目的，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏。盾构区间不仅需穿越常见的软弱地层，同时还需在部分硬岩地段中通过。因此在刀具选择上既要考虑在软岩中开挖的需要，也要考虑在硬岩中的要求。一般认为刮刀适用于土层及部分软岩，盘形滚刀适用于硬岩，其中单刃滚刀能用在强度很高的岩石中，国外曾有在抗压强度超过200MPa岩石中应用的工程记录。盘形滚刀圈盘形滚刀盘形滚刀适用于硬岩，根据岩体性质和安装位置不同，可选择单刃、双刃、三刃及四刃滚刀。三刃及四刃滚刀只用于刀盘中心，以适应刀盘中心小半径旋转；双刃滚刀通常用于泥岩、页岩等软岩。盘形滚刀在千斤顶的作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，一边绕刀盘中心轴公转，一边绕自身轴线自转，在掌子面上切出一系列的同心圆沟槽。在盾构机推力的作用下，盘形滚刀刀尖刀尖贯入岩石，形成压碎区和放射状裂纹；当滚刀间距S满足一定条件时，相邻滚刀间岩石内裂纹延伸并相互贯通，形成岩石碎片而崩落，盘形滚刀完成一次破岩过程。挤压、起裂阶段

破碎阶段

齿刀上装有2个切削刃，刀盘正反转时都能进行破岩。另外，在软岩中掘进时，由于盘形滚刀与岩石掌子面之间不能产生一定的附着力，将导致滚刀不能滚动而失去有效的破岩功能，可将部分盘形滚刀更换成齿刀，进行破岩。齿刀破岩机理图齿刀示意图

刀具磨损机理序号磨损类型磨损外观磨损机理1粘着磨损麻点材料的相互作用是主要因素。粘着磨损的过程实际上是摩擦副双方间原子键的形成（显微熔接）和分离过程2磨料磨损擦伤、沟纹、条痕硬颗粒或硬突起引起摩擦表面破坏，分离出屑或形成擦伤的过程3疲劳磨损裂纹、点蚀摩擦副材料微体积受循环接触应力，产生重复变形，导致裂纹和分离出微片或颗粒的过程4摩擦化学磨损反应产物（膜、微粒）在摩擦作用促进下，摩擦副的一方或双方与中间物质或环境介质中的某些成分发生化学或电化学反应的过程5微动磨损磨屑的研磨由上述四种机理叠加而成。如果两接触固体彼此以振幅小于100μm的摆动运动方式作相对运动的过程，则会出现细小磨屑的研磨作用刀具磨损机理-磨料磨损的形式显微切削：硬颗粒或硬凸起与材料产生相对运动，引起的材料损伤。当磨粒的形状与运动方向合适，有利于切削时，磨粒在切向力的作用下，在料表面刮起一层薄片，形成一次切削，脱离材料表面。这种切削沟的宽度和深很小，切屑也非常小。刀具磨损机理-磨料磨损的形式疲劳(微观犁皱或微观压入):表面微观部分受循环变应力产生重复变形导致裂纹形成，最终使表面产生破损。压入刀具磨损机理-磨料磨损的形式粘着：两接触表面局部的粘着使材料由一表面转移到另一表面所引起的磨损。P刀具磨损机理-磨料磨损的形式龟裂：材料表面受到垂直应力的反复作用，产生显微裂纹。裂纹压入砂卵石地层切削刀具失效分析

北京地铁某线砂卵石地层中石英含量高达45%以上，石英砂是“很好”的磨料，使刀具磨损速度加快。该线应用的德国海瑞克盾构机的刀盘转速可以达到3rpm(转数/分钟)，直径6m刀盘外围刀具的线速度可以达到1m/s。北京地区地层中含有大量不同粒径的卵石，使得刀具的刃口部位承受很大的冲击荷载。北京地铁某线盾构试验段砂卵石地层渣土

砂卵石地层切削刀具失效分析

如北京地铁某线盾构试验段雍和宫站至张自忠站左线1510m隧道掘进为砂卵石及粘土混合地层,掘进过程中更换了5批刀具；而在北京地铁某线16合同段宋家庄站至刘家窑站右线隧道1320m的粉质粘土为主地层掘进则没有更换过刀具，这充分表明了砂砾、乱石对盾构刀具的巨大破坏作用。盾构试验段盾构机刀具磨损和折断严重，开仓后刀具的形貌见下图。

硬质合金刀片折断的齿刀周边刀掘进70米后磨损情况周边刀磨损后的形貌砂卵石地层切削刀具失效分析从扫描电镜照片可以看出：刃口位的斜坡（内侧）为典型的犁沟式磨损。

砂卵石地层切削刀具失效分析从扫描电镜照片可以看出：外侧硬质合金球齿失效形为脆性塌陷+犁沟式磨损。

球齿表面磨损形貌

砂卵石地层切削刀具失效分析从扫描电镜照片可以看出：外侧的球齿镶嵌部分的磨损形式为犁沟式+碾压磨损。周边刀刀体迎土面磨损情况滚刀的磨损正常磨损是指刀圈的磨损量超过了规定值，磨损量可用专用的量具进行测量。刀圈偏磨，滚刀在掘进工作面不转动，由于刀圈和掘进工作面的相对运动就会形成刀圈的偏磨。滚刀的磨损刀圈断裂，推力过大或刀圈在比较硬的岩石上滚动就有可能使刀圈断裂，若一个刀圈有两处断裂，断裂的部分刀圈就有可能掉到土舱。边缘滚刀和正面区滚刀经常有此现象。滚刀的磨损滚刀的多边形磨损在掘进时滚刀时转时不转，或者在某个点转动时间长在其它点转动时间短，就会产生这样的磨损。滚刀的磨损预防滚刀异常磨损的措施择择合理的掘进参数掘进参数包括掘进推力、刀盘转速、扭矩、推进速度、切削量等，影响刀具磨损的最直接参数是掘进推力，推力的大小直接决定了刀具所承受的载荷。推力过大，虽然短期内掘进速度很快，但长时间刀盘刀具所承受的载荷也比较大，过大的载荷会使滚刀轴承受挤压产生变形，继而影响滚刀的自转最终造成滚刀刀圈的偏磨或断裂。一般在岩石中风化带岩石微风化带地层最大的推力不要超过1000ton。刀盘转速也是影响刀具磨损的另一个主要因素，过大的刀盘转速在硬岩地层会造成盾构机振动颠簸，加剧刀具的磨损。一般在硬岩地层刀盘转速设置为1.5rpm为合适值。预防滚刀异常磨损的措施根据不同的地层选择不同的刀具根据地质资料和对出土情况的判断来确定刀具的更换，特别是两种地层的交界处。从岩石微风化带地层向岩石强风化带转换,如不能及时将齿刀更换为滚刀，就会很快加剧齿刀地磨损；从硬岩地层向软土地层转换，如不及时将滚刀换回齿刀，也有可能出现滚刀偏磨的现象。定期对刀具进行检查在硬岩区地层中，如果出现推力过大推进速度小扭矩也偏小，盾构机姿态纠正很难的现象时，就要考虑刀具是否磨损严重，安排开舱检查刀具。如果连续出现刀盘或螺旋输送机被卡住、驱动电机熄火的现象时，应立即停机进行检查。一般要在不超过二十环时对刀具进行一次检查，检查看是否有刀圈磨损超限、刀圈断裂、刀圈变形、固定刀圈的螺帽是否松动或掉落、刀座是否有裂纹等，如果一旦发现应立即采取补救措施。

软土区在掘进100环时要对刀具进行一次检查。预防滚刀异常磨损的措施盾构机姿态应保持正常姿态在硬岩地层如果不断的调整盾构机姿态就会使滚刀受力不均匀，在某个方向上过大的推力有可能导致滚刀变形。在硬岩地层绝不可只片面追求进度，应该在保证刀盘和刀具不被严重磨损的前提下安排生产进度。为了一时的进度而忽视刀具的例行检查是得不偿失的。更换刀圈后的刀具要进行扭矩试验，根据不同的地质条件和岩石强度进行扭矩调整。在硬岩地层注意观察螺旋输送机出渣情况，如果出渣不是均匀的碎片石，而是伴有大块的石头出现，就可能有滚刀刀圈掉落，要立即停机检查。预防滚刀异常磨损的措施主要技术参数的计算㈠盾构外径盾构外径取决于管片外径、保证管片安装的富裕量、盾构结构形式、盾尾壳体厚度及修正蛇形时的最小余量等。盾尾外径为：式中：——管片外径；t

——盾尾壳体厚度；——盾尾间隙。

盾尾间隙主要考虑保证管片安装和修正蛇形时的最小富裕量。盾尾间隙要求在施工时既可以满足管片安装、又可以满足修正蛇形的需要，同时应考虑盾构施工中一些不可预见的因素。盾尾间隙一般为25～40mm。

㈡刀盘开挖直径刀盘开挖直径应考虑刀盘外圈防磨板的磨损后仍能保证正确的开挖直径。在软土地层施工时，刀盘开挖直径一般大于前盾外经0～10mm；在砂卵石地层或硬岩地层施工时，刀盘的磨损较严重刀盘开挖直径一般应大于前盾外径30mm。㈢盾壳长度盾壳长度L由前盾（切口环）、中盾（支承环）、盾尾三部分组成。盾尾长度主要取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖方式、运转操作、衬砌形式及封顶块的插入方式。L=ξD式中：ξ——盾构灵敏度；D——盾构外径。根据国外盾构设计经验，一般在盾构直径确定后，盾构灵敏度值ξ的参考值如下：①小型盾构（D≦3.5m）：ξ=1.2～1.5；②中型盾构（3.5m＜D≦9m）：ξ=0.8～1.2；③大型盾构（D＞9m）：ξ=0.7～0.8。

㈣盾构重量

盾构的重量是盾壳、刀盘、推进油缸、铰接油缸、管片安装机、人仓、螺旋输送机（泥水盾构为碎石机及送排泥管路）等安装在盾壳内的所有设备的重量的总和。一般地，盾构重量W与盾构直径D的关系如下：

★对手掘式盾构或半机械式盾构：W=(25～40)

★对机械式盾构：W=(45～55)

★对泥水盾构：W=(45～65)★对土压平衡盾构：W=(55～70)式中：D——盾构外径，m；

W——盾构主机重量，kN。㈤盾构推力在设计盾构推进装置时，必须考虑的主要阻力有6项：盾构推进时的盾壳与周围地层的阻力F1；刀盘面板的推进阻力F2；管片与盾尾间的摩擦阻力F3；切口环贯入地层的贯入阻力F4；转向阻力（曲线施工和纠偏）F5；牵引后配套拖车的牵引阻力F6。推力必须留有足够的余量，总推力一般为总阻力的1.5~2倍。

Fe=AFd式中：Fe——盾构装备总推力，kN；

A——安全储备系数，一般为1.5~2；

Fd——盾构推进总阻力，Fd=F1+F2+F3+F4+F5+F6

有时也可按下式估算：Fd=0.25πPJD为盾构外径；PJ为单位切削面上的经验推力，也称比推力，一般比推力装备的标准为敞开式盾构为700~1100kN/，闭胸式盾构为1000~1500kN/。⑴盾构推进时的周边反力▲对砂性土而言式中：——盾构推进时的周边反力，kN；

D——盾构外径，m；

L——盾构总长度，m；

——作用在盾构上顶部的竖直土压强度，kPa；

K——开挖面上土体的静止土压系数；

——开挖面上土体的浮重度，；

——地层与地壳的摩擦系数，通常取，为土体的内摩擦角。

W——盾构主机的重量，kN。▲对黏性土而言

式中：D,L同上；C为开挖面土体的内聚力，kPa。刀具⑵刀盘面板的推进阻力手掘式、半机械式盾构上，为开挖面支护反力；机械式盾构上，为作用于刀盘上的推进阻力；闭胸式盾构上为土仓内压力。

式中：——刀盘上的推进阻力，kN；

D——盾构外径，m；

——开挖面前方的压力；泥水盾构为土仓内的设计泥水压力，土压平衡盾构为土仓内的设计土压力kPa。⑶管片与盾尾间的摩擦阻力式中：——管片与盾尾间的摩擦阻力，kN；

——盾尾内管片的环数；

——一环管片的重量，kN；

——盾尾刷与管片的摩擦系数，通常为0.3~0.5；

——管片外径，m；

b——每道盾尾刷与管片的接触长度，m；

——盾尾刷内的油脂压力，kPa；

——盾尾刷的层数。⑷切口环贯入地层的贯入阻力

☆对砂质土而言

式中：D——前盾外径，m;

——前盾内径，m；

——切口环插入处的地层平均土压，kPa；

t——切口环插入地层的深度，m；

——被动土压系数；