盾构刀盘设计综述

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1、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

2、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

3、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

4、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   2

5、0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

6、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6~7m

7、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

8、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