土压平衡式盾构机

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1、土压平衡式盾构机——刀盘土压平衡盾构是以20世纪70年代刀盘切削机械为基础发展起来的一种新型盾构方法，其施工方法是为保持开挖面的稳定，在切削刀盘后的密封腔内充填开挖下来的土砂，并保持一定压力，并由螺旋输送机出土。土压平衡盾构机就是依据该原理生产的，其原理是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。土压平衡式盾构机主要有盾体、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九

2、大部分组成。以下我们主要介绍土压平衡式盾构机的刀盘系统：土压平衡式盾构机刀盘刀盘是盾构机的核心部件，其结构形式、强度和整体刚度都直接影响到施工掘进的速度和成本，并且出了故障维修处理困难。不同的地质情况和不同的制造厂家，刀盘的结构也不相同，其常见的结构有：平面圆角刀盘、平面斜角刀盘、平面直角刀盘。盾构机刀盘应满足以下要求：（1）刀盘应有足够的强度和刚度。（2）刀盘应有较大的开口率。（3）针对地层的变化，能够方便地更换硬岩滚刀和软岩齿刀。（4）刀盘结构应有足够的耐磨强度。（5）刀盘上应配置足够的渣土搅拌装置。（6）刀盘上应配置足够的注入口，各口并装有单向阀，以满足刀具的冷却、润滑和

3、渣土改良。要满足这些条件，就要从刀具的配置和生产工艺上都下功夫。刀具的配置：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：单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀（双刃以上的一般都是中心滚刀）、齿刀、切刀、刮刀和方形刀（超挖刀）。为适应不同的地层，滚刀和齿刀可以互换，所以它们的刀座相同。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）

4、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。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600mm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

5、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。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70～150mm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。滚刀超

6、挖刀柱形超挖刀滚刀和刮碴板 ：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。滚刀分为齿形（球齿、楔齿）滚刀和盘形滚刀（2）刀具的破岩机理：分软岩切削机理和硬岩破岩机理。软岩切削机理是刀具对土层的

7、挤压所产生的剪切力来破坏土层而达到切削效果。软土刀具切削机理示意图硬岩破岩机理是利用硬质材料的易脆性质，采用滚刀的滚动对岩石挤压产生的剪切力和（冲击力）碾碎岩石的机械破岩方法。要实现连续破岩就要在滚刀上施加一个正压力和一个使滚刀滚动的水平推力。正压力是来自于盾构的推进力，水平推力是刀盘转动施加在滚刀轴上与开挖面平行的推力。所以滚刀破岩要想达到满意效果，必须满足两个条件：①工作面的岩层要有一定强度；②滚刀的启动扭矩要小。因为以下因素很难满足以上条件：①地质因素；②滚刀的制造质量及工艺；③滚刀质