刀盤設計理念及變遷概要

1、盾構刀具盾構機刀具配置是盾構機刀具設計中是非常重要的內(nèi)容。本論文著重介紹了刀具的種類和切削原理，同時針對不同的地層情況，提出刀具的具體配置方式。針對盾構機在復合地層隧道掘進，解釋了刀具配置的差異性、刀具配置的矛盾”現(xiàn)象。結(jié)合工程實例，在砂卵石地層中（尤其是含大直徑漂石）長距離隧道掘進的工況下，提出了盾構機生產(chǎn)廠家關于刀具配置新的設計理念和思路。最后提出了刀具配置設計中應考慮的因素。1、引言盾構機刀具的配置是盾構機刀具設計中是非常重要的內(nèi)容，其配置是否適合應用工程的地質(zhì)條件，直接影響盾構機的刀盤的使用壽命、切削效果、出土狀況、掘進速度和施工效率。2、刀具種類和切削原理2.1、切刀（齒刀，刮刀）切

2、刀是軟土刀具，布置在刀盤開口槽的兩側(cè)，其切削原理是盾構機向前推進的同時，切刀隨刀盤旋轉(zhuǎn)對開挖面土體產(chǎn)生軸向（沿隧道前進方向）剪切力和徑向（刀盤旋轉(zhuǎn)切線方向）切削力，在刀盤的轉(zhuǎn)動下，刀刃和刀頭部分插入到地層內(nèi)部，不斷將開挖面前方土體切削下來。切削刀一般適用于粒徑小于400mm的砂、卵石、粘土等松散體地層。2.2、先行刀（超前刀）先行刀是先行切削土體的刀具，超前切刀布置。先行刀在設計中主要考慮與其它刀具組合協(xié)同工作。先行刀在切刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切刀創(chuàng)造良好的切削條件。先行刀的切削寬度一般比切刀窄，切削效率較高。采用先行刀，可顯著增加切削土體的流動性，大大降低切刀的扭矩，

3、提高切刀的切削效率，減少切刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層先行刀的使用效果十分明顯。2.3、貝型刀貝型刀實質(zhì)上是超前刀，盾構機穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時，若采用滾刀型刀具，因土體屑松散體，在滾刀掘進擠壓下會產(chǎn)生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時甚至喪失切削破碎能力。將其布置在刀盤盤圈前端面，專用于切削砂卵石。2.4、中心刀（魚尾刀、雙刃或三刃滾刀、錐形刀、中心羊角刀）在軟土地層掘進時，因刀盤中心部位不能布置切刀，為改善中心部位土體的切削和攪拌效果，可在中心部位設計一把尺寸較大的魚尾刀（羊角刀），一般魚尾刀超前600mm左右。魚尾刀的設計和配置方式如下：其一讓盾構分兩步

4、切削土體，利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面土體，而后擴大到全斷面切削土體，即將魚尾刀設計與其它切刀不在一個平面上，即魚尾刀超前切刀布置，保證魚尾刀最先切削土體；其二是將魚尾刀根部設計成錐形，使刀盤旋轉(zhuǎn)時隨魚尾刀切削下來的土體，在切向、徑向運動的基礎上，又增加一項翻轉(zhuǎn)運動，這樣既可解決中心部分土體的切削問題和改善切削土體的流動性和攪拌效果，又大大提高盾構整體掘進效果。在純硬巖地層掘進時，到盤中心位置布置雙刃或三刃滾刀。2.5、仿形刀（或超挖刀）盾構機一般設計兩把仿形刀（一把備用），布置在刀盤的邊緣上。施工時可以根據(jù)超挖多少和超挖范圍的要求，從邊緣徑向伸出和縮回仿形刀。仿形刀伸出最大值一般在701

5、50mm之間。盾構機在曲線段推進、轉(zhuǎn)彎或糾偏時，通過仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構機在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下，實現(xiàn)曲線推進和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏。滾刀超挖刀柱形超挖刀2.6、滾刀和刮碴板在純硬巖地層掘進時，采用滾刀破巖。滾刀破巖的原理是依靠刀具滾動產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達到破碎巖石的目的。滾刀的類型、數(shù)量、布置方式、位置、超前量根據(jù)巖層的強度和整體性、掘進距離、含砂量等特點確定。穿越松散地層但有大粒徑的礫石（粒徑大于400mm）、并且含量達到一定比例時，也可采用滾刀型刀具。在隧道地質(zhì)條件復雜多變、巖石（強度不算太高）與一般土體（或粘土或砂土）交錯頻繁出現(xiàn)的情況，也有可能采用滾

6、刀型刀具，即在復合式盾構機中采用。滾刀分為齒形（球齒、楔齒）滾刀和盤形滾刀2.6.2、滾刀刀圈的材質(zhì)是滾刀能否勝任掘進硬巖的關鍵。盤形滾刀根據(jù)刀圈不同一般有以下4種類型（1）耐磨層表面刀圈：適用于掘進硬度40MPa的緊密地層，硬度80100MPa的斷裂礫巖、砂巖、砂粘土等地層。（2）標準鋼刀圈：適用于掘進硬度50150MPa的礫巖、大理石、砂巖、灰?guī)r地層。（3）重型鋼刀圈：適用于掘進硬度120250MPa的硬巖，硬度80150MPa的高磨損巖層，如花崗巖、閃長巖、斑巖、蛇紋石及玄武巖等地層。（4）鑲齒硬質(zhì)合金刀圈適用于掘進硬度高達150250MPa的花崗巖、玄武巖、斑巖及石英巖等地層。2.6.

7、3、刮碴板的作用是將滾刀破碎的巖碴，及時排出，防止?jié)L刀對巖碴的二次破碎，保護滾刀。前刮碴板主要鏟裝刀盤前方的落碴，鏟裝量大，磨損較快，后刮碴板主要鏟裝下護盾推進中從隧道底部堆積起來的碴石，鏟裝量小，磨損較小。3、刀具配置方式刀具的布置方式需要充分考慮工程地質(zhì)情況，進行針對性設計，不同的工程地質(zhì)特點，采用不同的刀具配置方案，以獲得良好的切削效果和掘進速度。根據(jù)地質(zhì)條件特點，可以大致分為四種地層：軟弱土地層；砂層、砂卵石地層；風化巖及軟硬不均地層；單純的純硬巖地層。3.1、軟弱土地層如南京、上海、杭州等地，其地質(zhì)條件主要以淤泥、粘土和粉質(zhì)粘土為主，在軟弱土地層一般只需配置切削型刀具，如：切刀、周邊

8、刮刀、中心刀、先行刀和超挖刀。以南京地鐵盾構為例，刀盤采用面板式結(jié)構，裝有1把魚尾形中心刀，120把切刀，16把周邊刮刀及1把仿形刀。切刀安裝在開口槽的兩側(cè)，覆蓋了整個進碴口的長度。刮刀安裝在刀盤邊緣。由于刀盤需要正反旋轉(zhuǎn)，因此切刀的布置也在正反方向布置，為了提高切刀的可靠性，在每個軌跡上至少布置2把。在周邊工作量相對較大，磨損后對盾構切口環(huán)尺寸影響較大，在正反方向各布置了8把刮刀?？紤]到刀盤的受力均勻性，刀具布置具有對稱性。刀具安裝采用螺栓固定，便于更換。在切刀或刮刀的刃口和刃口背面鑲嵌有合金和耐磨材料，以延長刀具的使用壽命，切刀的破巖能力為20MPa,可以順利地通過進出洞端頭的加固地層。3

9、.2、砂層、砂卵石地層如北京、成都其地質(zhì)條件主要以砂，卵石地層為主，如遇到粒徑較大的礫石或漂石，應配置滾刀進行破碎。在砂層、砂卵石地層施工時，需設置（寬幅）切刀、周邊刮刀、先行刀（重型撕裂刀）、中心刀、仿形刀等刀具。切刀是主刀具，用于開挖面大部分斷面的開挖；周邊刮刀也稱保徑刀，用于切削外周的土體，保證開挖斷面的直徑；先行刀在開挖面沿徑向分層切削，預先疏松土體，降低切刀的沖擊荷載，減少切削力矩，同時重型撕裂刀用于破碎強度較低和粒徑較小的卵石和礫石；中心刀用于開挖面中心斷面的開挖，起到定心和疏松部分土體的作用；仿形刀用于曲線開挖和糾偏。滾刀用于破碎粒徑較大的礫石或漂石。3.3、風化巖及軟硬不均地層

10、如廣州、深圳，上軟下硬、地質(zhì)不均的復合地層，且局部巖石的單軸抗壓強度較高（150-200Mpa）,除配置切削型刀具外包括寬幅切刀、先行刀，還需配置滾刀，因而刀盤結(jié)構相對復雜。對于巖層首先通過滾刀進行破巖，且滾刀的超前量應大于切刀的超前量，在滾刀磨損后仍能避免切刀進行破巖，確保切刀的使用壽命。在曲線半徑小的隧道掘進時，為了保證盾構的調(diào)向和避免盾殼被卡死，需要有較大的開挖直徑，因此刀盤上需配置滾刀型的仿形刀（或超挖刀）。3.4、單純的純硬巖地層如秦嶺1線隧道，隧道斷面范圍內(nèi)以混合片麻巖和混合花崗巖兩種巖石為主，刀具全部選用滾刀，無任何齒刀。有時，在刀盤面板周邊開口處配備刮碴刮刀板。4、刀具配置的差

11、異性在復合地層施工中，刀具配置的差異性主要表現(xiàn)在滾刀和先行刀的配置數(shù)量和刀具的高度、組合高度差等方面。例如，海瑞克公司刀盤滾刀和固定先行刀高出面板175mm和140mm,三菱公司刀盤滾刀和固定先行刀高出面板90mm和70mm。兩種刀具的高差為35mm和20mm,前者的設計較好，具體表現(xiàn)為刀具高對防止泥餅的形成有利，高度差大有利于破巖。滾刀的刀間距過大和過小都不利于破巖，間距過大，滾刀間會出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象，間距過小，滾刀間會出現(xiàn)小碎塊現(xiàn)象，降低破巖功效。在復合地層中周邊滾刀的間距一般小于90mm,正面滾刀的間距為100120mm（參照國內(nèi)外施工實例，巖石強度高時，滾刀的間距應控制在7090mm的

12、范圍內(nèi)比較合理）。5、復合地層中刀具配置的“矛盾”現(xiàn)象硬巖地層只需滾刀，但有時必須安裝切刀（或刮碴板），切刀在破硬巖過程中幾乎沒有作用，由于貫入度和高度差的原因，產(chǎn)生瞬間沖擊荷載，切刀被磨平或被崩斷。在復合地層中，有些砂、卵石地層或同一斷面中有硬巖和軟巖，所以刀盤必須配備切刀和先行刀以對應非硬巖的需要。同理，在軟巖和軟土地情況下，本不需安裝滾刀，但在由于可能存在部分硬巖，又必須安裝滾刀，導致滾刀嚴重損壞，失去破巖功能。6、砂卵石地層中（尤其含大直徑漂石）長距離隧道掘進的工況下，刀具配置新的設計理念和思路北京地鐵9號線06標段，盾構單線隧道長度約為1238m,地層主要為卵石層、圓礫層、強風化中風

13、化礫巖層、強風化粘土巖，局部為粉質(zhì)粘土層和細砂層。開挖面圍巖不穩(wěn)定，粘土巖和強風化礫巖的單軸抗壓強度為0.32.0Mpa,為極軟巖。詳勘報告中推測大于400mm粒徑卵石含量為15%40%，隧道附近基坑內(nèi)有1500 x2000mm漂石，不排除有粒徑更大的漂石存在，且隨機分布。隨機取樣卵石和礫石的單軸抗壓強度為120187Mpa，石英和長石含量為70%95%。盾構廠家針對本標段的地層在刀具配置方面提出了新的設計理念和思路。為了使刀具能夠充分發(fā)揮作用，盾構機設計使用了3130mm大直徑軸承，配備了1200kw的驅(qū)動動力，使刀盤的托困扭矩為774t.m，轉(zhuǎn)速可達03.2rpm，同時在刀盤面板和周邊焊接

14、碳化鉻超硬耐磨板和耐磨網(wǎng)。刀具布置方面（初步預案），開口槽密排寬幅切刀100把（帶耐磨合金頭）、面板上配備大橫斷面高耐磨雙層碳化鎢重型撕裂刀（先行刀）31把、刀盤外周和邊緣位置配備雙刃（17”）滾刀10把,中心錐形刀1把。滾刀和重型撕裂刀采用刀盤后裝式，可通過刀盤內(nèi)的轉(zhuǎn)接箱方便地進行拆卸、互換。刀具的破巖原理，利用刀盤高速轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的沖擊慣性能量，通過滾刀和大橫斷面重型撕裂刀進行卵石、礫石和漂石的刀盤前“錘擊”破碎。但由于是在軟巖地層中掘進，卵石、礫石和漂石在基巖內(nèi)不能被固定，不能提供給滾刀足夠的轉(zhuǎn)動力矩和滾刀切巖的支撐力，導致滾刀破巖失效。7、刀具配置設計時應考慮的因素7.1、實際施工時會遇到

15、各種復雜地層，地質(zhì)資料提供的只是部分的鉆探資料，不能完全準確反映實際地質(zhì)情況，因此在進行刀具配置設計時必須考慮對地質(zhì)進行充分的分析和研究，刀具配置要有一定的富余和能力儲備；7.2、不同的工程地質(zhì)需配置不同的刀具，軟土地層只需配置切削型刀具；砂卵石地層除配置切刀外，還需配置先行刀；風化巖及軟硬不均地層除配置切削型刀具外，還需配置先行刀、滾刀；在復合地層中，要保證不同種類刀具相互可換性；7.3、刀具配置要覆蓋整個開挖斷面，為保證刀盤受力均衡，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，刀具要對稱性布置；切刀要正反方向布置，同時要確保每個軌跡有2把切刀；對切刀排列方式進行選擇，整體連續(xù)排列或牙型交錯排列；通過周邊刀保證開挖直徑；保證

16、滾刀純滾動，要考慮周邊滾刀的安裝角度，同時增加周邊滾刀的數(shù)量；7.4、刀具安裝通過螺栓固定或設計轉(zhuǎn)接箱，便于安裝、拆裝、更換和修理方便；7.5、通過合理選擇耐磨材料和合金鑲嵌技術；對刀盤和開口槽進行耐磨處理；對加泥、加泡沫系統(tǒng)進行合理設計，減少刀具掘進磨損和沖擊，提高刀具的耐久性，延長刀具的使用壽命；7.6、適應城市繁華地區(qū)施工的需要，綜合合理選擇刀具種類和尺寸，確定刀具的超前量、相互高差，盡可能減少刀盤旋轉(zhuǎn)刀具切削土體過程對周邊土體及環(huán)境的擾動，盡量使各種刀具磨損均勻，充分發(fā)揮各種刀具的切削性能；7.7、配備刀具磨損監(jiān)測和報警裝置，如液壓式、電磁式、超聲波探測式。8、結(jié)束語刀具配置關系到盾構

17、能否順利掘進，必須根據(jù)地質(zhì)狀況認真研究分析。在盾構施工中合理的選取掘進參數(shù)（如總推力、刀具貫入度、刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩等），最大程度的延長刀具的使用壽命，減少換刀頻率，降低施工中頻繁換刀的風險，做好對刀具監(jiān)控、分析、比較、摸索，總結(jié)刀具的使用經(jīng)驗，將結(jié)果反饋，指導施工。盾構刀盤設計綜述摘要：最近十年來泥水盾構和土壓平衡盾構得到了快速發(fā)展和廣泛應用。通過對開挖面進行可靠的支撐，這2種類型的盾構都能在地下水位以下的不穩(wěn)定地層中開挖隧道。盾構系統(tǒng)最重要的部分在于開挖面的開挖過程，或從工程的角度而言，最重要的部分在于刀盤和刀具的布置。本文對泥水盾構和土壓平衡盾構刀盤設計的共同點及不同點進行討論。關鍵詞：盾構

18、；刀盤；設計開挖面支撐原理對于應用于軟弱地層的盾構刀盤，應考慮以下2種情況：（1）隧道開挖面穩(wěn)定，沒有涌水或者涌水很少，絕大部分在地下水位以上。（2）隧道開挖面不穩(wěn)定，涌水嚴重，處于地下水位以下。對于上述第（1）種情況，可采用全斷面（旋轉(zhuǎn)刀盤）開挖或分步開挖（臂式挖掘機或懸臂式掘進機開挖）。采用這種開挖方法，應在掘進停頓期間采用支撐擋板對開挖面進行機械支撐，或采用壓縮空氣對開挖面進行支撐。對于上述第（2）種情況，需要在開挖期間、開挖停頓期間及人員進入開挖倉時對開挖面進行可靠的支撐。對開挖面進行可靠的支撐，即采用加壓泥漿（泥水盾構）或改良碴土（土壓平衡盾構）對開挖面進行支撐，而加壓泥漿與改良碴土

19、的不同之處在于加壓支撐介質(zhì)的密度不同。支撐介質(zhì)的壓力是通過流量（無壓縮空氣的土壓平衡盾構或泥水盾構）或獨立的氣墊（帶氣墊的泥水盾構，即混合盾構）控制的。土壓平衡盾構的壓力是通過開挖的碴土和注入改良材料的流量控制實現(xiàn)的，無壓縮空氣的泥水盾構的壓力是通過循環(huán)的膨潤土泥漿和開挖碴土的流量控制實現(xiàn)的。帶壓縮空氣的泥水盾構的壓力控制與流量無關，完全是通過空氣壓力控制的。碴土流量越高，通過流量控制壓力就越困難。與碴土流量控制無關的空氣壓力控制，是最快捷、最準確的壓力控制方式。對于土壓平衡盾構和泥水盾構這2種盾構，以盡可能合適的方式把支撐介質(zhì)的控制壓力傳遞到整個開挖面是極為重要的。因此，對于沒有控制的開挖面

20、，采用封閉的刀盤把開挖面與支撐介質(zhì)隔離開，是極其危險的。在地層不穩(wěn)定情況下，要想在開挖期間獲得開挖面機械支撐，是不會成功的。在任何情況下，在隧道開挖面和刀盤前面板之間都存在刀具的工作間隙。即使把刀具的工作間隙限制到最小，也存在足夠的間隙，可以造成5%或更大的潛在地層損失。采用土壓平衡盾構或泥水盾構，在很大程度上會受地層條件的制約。關于土壓平衡盾構和泥水盾構的適用范圍，許多刊物已進行了廣泛討論，在此不再贅述。刀盤設計的發(fā)展演變2.1泥水盾構20世紀70年代末和80年代初，歐洲制造第一臺帶遠程壓縮空氣的泥水盾構時，其設計原則是盡量使支撐開挖面的泥漿流體與隧道開挖面充分交換和接觸。這臺盾構用于開挖地

21、下水位以下的透水砂層和砂礫層，因此刀盤采用“星形”設計，并在輪輻中間設置方形刀具或在輪輻的外緣設置切削刀具（見圖1，用于砂層、礫石層和漂石開挖）。這種刀盤設計在砂層和砂礫層中工作效果很好，甚至在后來設計第一臺混合開挖面盾構刀盤時，也在輪輻上安裝了盤形滾刀?？紤]到這種刀盤的設計原理，對于較小直徑的輪輻，無法安裝背裝式刀具。圖1德國漢堡HERA工程采用盾構對用于Grauholz工程的大直徑盾構（1988年），其輪輻的橫斷面較大，人員可以接近輪輻，因此可以在整個斷面安裝全背裝式刀具（見圖2，用于冰磧層、磨礫層和漂石開挖）。該原理后來應用于常壓更換刀具，使輪輻內(nèi)部保持常壓。這種類型的刀盤在開挖期間對開

22、挖面的支撐效果良好，其缺點是在壓縮空氣條件下進入開挖倉時，開挖面大面積處于暴露狀態(tài)。圖2Grauholz隧道采用的盾構即使“泥膜+壓縮空氣”對開挖面的支撐效果很好，但是，對于工人來說，沒有額外的機械防護，會形成一種“不安全感”，特別是對于直徑超過67m的盾構。因此，開發(fā)了可伸出的開挖面支撐面板，用于人員進入開挖倉時提供機械防護。1990年，首個密閉型刀盤應用于Mulheim的Ruhr隧道工程所采用的盾構（見圖3,用于砂巖和泥巖開挖），該盾構主要用于開挖硬巖地層；1991年，密閉型刀盤又應用于Strasbourg的Tramway隧道工程所采用的盾構（見圖4,用于砂層和礫石層開挖），該盾構用于開挖

23、全砂層和礫石層。之后，大量采用密閉型刀盤的盾構廣泛應用于各種地質(zhì)情況，證明泥漿支撐開挖面原理也適用于安裝盤形滾刀的刀盤和密閉型刀盤。圖3Mulheim的Ruhr隧道采用的盾構圖4Strasbourg的Tramway隧道采用的盾構這些認識為盾構刀盤設計的進一步改進（如對背裝式刀具的改進，尤其是對于混合地層（泥水盾構甚至采用硬巖刀盤布置等）打開了大門。在開發(fā)各種類型刀盤設計的同時，對泥漿循環(huán)管路進行了改進，新型泥水盾構不僅可以把泥漿注入到壓縮空氣倉，而且可以把泥漿注入到開挖倉內(nèi)及刀盤的前方，從而可以采用多種沖洗管路布置方法（見圖5，用于冰川沉積層。巖層和漂石開挖）。圖5美國Portland的Wes

24、tSideCSO工程采用的盾構2.2土壓平衡盾構土壓平衡盾構的刀盤設計用于開挖透水性較低的細粒土層，因此不僅要承載用于開挖土體的刀具，而且要用作“攪拌機”來制作支撐開挖面的土膏。由于土壓平衡盾構的刀盤要具有上述雙重功能，因此土壓平衡盾構的刀盤大部分為密閉盤形設計，從而在隧道開挖面和刀盤前面板之間形成一級開挖和攪拌區(qū)，并在刀盤后面板和盾構壓力隔板之間形成攪拌倉室。在很軟的理想地層條件下，由于碴土僅需要很少量的攪拌和改良作業(yè)，因此有時也采用“星形”刀盤。由于需要具有開挖和攪拌雙重功能，因此對土壓平衡盾構的刀盤提出了額外的設計要求，包括向刀盤前面的區(qū)域和刀盤后面的區(qū)域注入碴土改良材料及各種促使碴土流

25、動的措施，以便對碴土的攪拌和改良過程進行優(yōu)化。實際施工中，碴土的攪拌和改良過程發(fā)揮得越好，就越容易對開挖面和沉降進行控制（見圖6）。圖6臺灣臺北地鐵工程采用的盾構與上述泥水盾構一樣，在碴土改良材料和施工技術取得巨大進步的基礎上，土壓平衡盾構的應用范圍逐漸擴大到由粗顆粒組成的混合地層，甚至開挖面混合地層。這樣，盾構刀盤需要設計成安裝混合刀具的刀盤，即刀盤既需要安裝盤形滾刀，又需要安裝開挖軟弱地層的刀具，這對碴土的攪拌和流動造成困難。目前，一些土壓平衡盾構的刀盤設計為全硬巖刀盤，以開挖從軟弱地層到硬巖變化幅度很大的地層。一般情況下，這樣的盾構在硬巖區(qū)段采用敞開模式掘進，在混合地層和軟弱地層區(qū)段采用

26、閉合帶壓模式掘進。由于土壓平衡盾構需要滿足開挖硬巖的設計要求，因此其閉合帶壓模式不得不在碴土攪拌和碴土流量等方面采取妥協(xié)方案。與在軟弱地層區(qū)段采用單純的土壓平衡盾構和在這種復雜多變的地質(zhì)情況下采用泥水盾構相比，采用土壓平衡盾構的閉合帶壓模式的掘進效率低、磨損高。開口和開口率開口率指開口面積占整個刀盤面積的百分比。與泥水盾構相比，開口率對土壓平衡盾構更為重要。最常采用的開口率為25%35%。刀盤開口的大小和位置取決于下列因素：（1）開口要足夠大，以保證開挖出的位于刀盤前的預處理土料能夠穿過刀盤進入后部的攪拌倉，并且不會造成大幅度的壓力下降。在攪拌倉的后壁安裝壓力傳感器，對支撐壓力進行測量。如果要

27、求精確的開挖面壓力控制，則不允許刀盤前后的土壓發(fā)生較大的波動。過去曾在刀盤的前面板上安裝壓力傳感器，但是其讀數(shù)不很精確，不能用作土壓控制的初步輸入信號。（2）單個開口的大小將限制進入攪拌倉的顆?；蚱拇笮?。其基本原則是，大多數(shù)情況下單個開口的大小應允許通過其后輸送設備。通常是螺旋輸送機）的顆粒能夠進入攪拌倉。對于中、小型土壓平衡盾構，由于其只能配備較小尺寸的螺旋輸送機，因此這一基本原則常常會造成矛盾。在這種情況下，通常采用格篩條來限制開口的尺寸，但是在小的進口處也易造成堵塞。開口的位置（即沿刀盤半徑設置的開口的比率）比開口率更為重要，刀盤的中心區(qū)域是最容易堵塞的區(qū)域。對于土壓平衡盾構，在刀盤

28、的中心區(qū)域幾乎沒有攪拌動力；對于泥水盾構，可以在刀盤的中心區(qū)域設置沖洗噴嘴，從而可以在一定程度上緩解這一問題。當然，刀盤中心區(qū)域的開口比刀盤外圍區(qū)域的開口更重要。碴土流量對于泥水盾構和土壓平衡盾構的刀盤而言，開挖倉內(nèi)的碴土流量極為重要。盾構在粘性土層中開挖時，刀盤或開挖倉堵塞是主要施工風險之一。刀盤的設計在任何時候都必須避免可能造成碴土附著的“死角”或凹槽，并且刀盤的前面板和后面板都應當盡可能地平滑。在刀盤的中心區(qū)域，刀具轉(zhuǎn)速和攪拌動力很低，甚至為零，因此刀盤的中心區(qū)域尤其易發(fā)生堵塞。鑒于這個特殊原因，為泥水盾構開發(fā)了主動中心刀具，一些主動中心刀具還設有自身的送排泥管線，以提高刀盤中心區(qū)域的刀

29、具轉(zhuǎn)速和攪拌動力（見圖7）。采取該措施后，盾構在粘性土層中的掘進速度提高了30%，并且刀盤轉(zhuǎn)矩降低了25%。圖7荷蘭Westerschelde隧道采用的設有主動中心刀具的泥水盾構在西班牙馬德里M30工程采用的直徑為15.2m的土壓平衡盾構中，首次實現(xiàn)了采用獨立中心刀盤的基本原理（見圖8）。采用直徑為7m的獨立中心刀盤，可以提高這臺目前最大的土壓平衡盾構中心刀具的轉(zhuǎn)速和攪拌動力。通過內(nèi)刀盤和外刀盤以不同的方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)與部分轉(zhuǎn)矩補償相關的額外效應。圖8西班牙馬德里M30工程采用的設有內(nèi)刀盤和外刀盤的土壓平衡盾構把刀盤設計為單向旋轉(zhuǎn)，對優(yōu)化碴土流動有利，但由于刀盤僅能單向旋轉(zhuǎn)，因此不能用改變刀盤旋

30、轉(zhuǎn)方向的方法對盾構姿態(tài)進行糾正。已經(jīng)制造了數(shù)臺用于軟弱地層的刀盤單向旋轉(zhuǎn)的盾構，在采用這種盾構施工時，為了抵消推進油缸偏斜所造成的力矩，必須在一定程度上把力矩傳遞給隧道襯砌。這對隧道襯砌提出了額外的要求，一般采用的解決辦法是采用雙向旋轉(zhuǎn)的刀盤。漂石對土壓平衡盾構和泥水盾構而言，穿越巖層和漂石掘進隧道都是件十分困難卻很常見的事情。在這種情況下，盾構刀盤通常既需要安裝盤形滾刀，又需要安裝適用于軟弱地層的刀具。根據(jù)風險評估結(jié)果和預測的漂石出現(xiàn)頻率，確定是否在刀盤的中心區(qū)域安裝盤形滾刀。由于在刀盤的中心區(qū)域安裝了盤形滾刀，因此一般情況下就無法在刀盤的中心區(qū)域設置刀盤開口，從而造成無法對碴土流動進行優(yōu)化（見圖9）。圖