1、1009-6582(2013)03-0108-081前言刀盘是盾构机实现隧道开挖功能的核心部件之一。归纳起来，刀盘具有三大功能：在刀盘扭矩和推进力的共同作用下切削岩土体；在开挖和停机时支撑开挖面；在开挖过程中改良岩土体。刀盘的开挖过程是刀盘与岩土体相互作用的过程，只有与岩土体地质特征相适应的刀盘才能很好地开挖岩土体，否则将导致盾构机掘进困难，产生相关的工程问题。因此，盾构机刀盘的设计必须根据隧道的地质条件“量体裁衣”进行针对性的设计，即刀盘的地质适应性设计。刀盘设计的主要内容包括刀盘的结构设计、刀具选型布置和碴土改良装置设计。根据刀盘工作的机械原理，刀盘设计应满足结构的强度和刚度要求、刀盘的抗
2、倾覆要求、刀盘重心与轴心基本重合的要求、刀具受力均一化的要求。这些要求均属于刀盘设计的基本要求，与工程条件无关。而刀盘的地质适应性设计则要求在此基础上，针对地质条件对刀盘结构、刀具选型布置和碴土改良装置设计所提出的地质适应性要求进行设计，而盾构机设计人员大多不具备地质和岩土工程方面的知识，也缺少盾构施工的经验，他们不知如何根据岩土工程勘察报告分析刀盘设计的地质适应性要求，导致设计的刀盘不能应对隧道的地质条件，而给施工带来了严重影响。北京、成都、广州和深 圳等地区的盾构施工过程中遇到的问题大多是因为盾构机刀盘设计不合理造成的。虽然国外拥有丰富的刀盘设计经验，但刀盘设计的相关文献资料很难见到。随着
3、盾构机在我国大规模的应用，特别是盾构机设计制造逐步国产化，施工单位和高校开展了刀盘设计的相关研究。文献8根据施工经验总结了刀盘设计要点和典型地质条件的刀具选型。文献9依据刀具磨损的等寿命原则，基于阿基米德螺旋线研究了刀具的布置方法。文献10研究了刀盘开口率对出土率的影响，提出了定量分析刀盘开口率对地层适应性的计算方法。文献5针对成都的地质条件，对盾构刀盘刀具的布置提出了建议。文献11根据长春的地质条件，对盾构刀盘的结构设计进行了探讨。文献12提出17108摘要关键词为了提高盾构机的地质适应性，减少盾构施工过程中因地质因素造成的工程问题，盾构机刀盘必须根据地质条件进行地质适应性设计。文章基于多个
4、盾构隧道施工实践，分析了国内外盾构隧道施工中出现的掘进困难、刀盘刀具快速磨损、结泥饼和开挖面失稳等工程问题，发现刀盘对岩土类型、岩土物理力学性质和水文地质条件不适应是产生这些工程问题的根本原因。基于岩土体与刀盘相互作用的机理和盾构施工经验，文章分别总结了刀盘结构、刀具选型布置和刀盘碴土改良装置在地质适应性方面的设计经验。盾构机刀盘设计地质适应性中图分类号：文献标识码：U455.39A+（1辽宁省建筑设计研究院岩土工程公司，沈阳110005；2北方重工集团有限公司盾构机公司，沈阳110141）盾构机刀盘的地质适应性设计研究王旭张海东边野李天明1122盾构机刀盘的地质适应性设计研究修改稿返回日期：
5、基金项目：作者简介：2012-06-10国家国际科技合作项目（2011DFB70230）和国家重点基础研究发展规划(973)项目（2010CB736007）.王旭1982 （-），男，硕士，工程师，主要从事全断面掘进机设计和施工相关的工程地质研究工作，E-mail：risingsunwx .109盾构机刀盘的地质适应性设计研究了复合地层刀盘的设计特点，总结了复合地层刀盘的设计流程与方法。这些研究多为总结典型地层中刀盘的一些设计经验，或者从机械设计理论角度研究刀盘刀具的布置方式，而系统深入地对地质因素如何影响刀盘设计的研究却很少见。本文在前述研究的基础上，分析了国内外多个工程盾构法施工中出现的掘
6、进困难、刀盘刀具快速磨损、结泥饼和开挖面失稳等工程问题，发现刀盘对岩土类型、岩土力学性质和水文地质条件不适应是产生这些工程问题的原因。因此，刀盘的地质适应性设计则是采取相应措施，避免因岩土类型、岩土力学性质和水文地质条件可能带来的工程问题。基于盾构施工经验，本文分别总结了刀盘结构、刀具选型布置和刀盘碴土改良装置的地质适应性设计经验。刀盘结构设计包括结构形式设计、开口率设计和刀盘外缘筒体形状设计。如果这些设计对地质条件的考虑不够，将会导致刀盘结构对地质条件的不适应，在施工过程中会引发一系列工程问题，给施工带来严重影响，如图1所示。2刀盘结构的地质适应性设计从图1可以看出，刀盘结构设计不适应岩土类
7、型时，将发生开挖面失稳、刀盘刀具快速磨损、刀盘结泥饼以及刀盘、螺旋卡死等工程问题；刀盘结构不适应岩土物理力学性质时，将发生开挖面失稳、刀盘刀具快速磨损和刀盘结构损坏等工程问题；刀盘结构不适应水文地质时，易导致开挖面失稳等工程问题。因此，刀盘结构设计应根据图1中地质因素与工程问题的连线有针对性地进行地质适图1刀盘结构相关的工程问题Fig.1Theengineeringproblemsrelatedtothecutterheadstructure应性设计。刀盘结构形式有辐板式和辐条式两种，结构形式应根据岩土类型、岩土物理力学性质和水文地质进行选择。对于粉土和粘土以及地下水压较低的软土地层，一般应选
8、择辐条式刀盘；而对于含有粒径较大的砂卵石地层，特别是富水地层，应该选择辐板式刀盘，不宜选择辐条式刀盘。主要原因有以下几个方面：1砂卵石地层，特别是富水的砂卵石地层，土体自稳性差，如果没有面板支撑开挖面，容易造成地面沉降过大，甚至塌陷。2由于辐条式刀盘的开口率很大，漂石、孤石和大石块容易进入开挖舱，而无法被螺旋输送机排出，造成螺旋输送机卡死。3对于密实的卵砾石地层，刀具切削岩土体需要较大的推力和扭矩，辐条式刀盘的强度不能满足刀具切削力的需要。对于复合地层，即上软下硬或软硬交替的地层，由于需要安装破碎岩层的滚刀，且刀具需要较大的切削力，应将刀盘设计为辐板式，以满足滚刀安装位置和刀盘强度的要求。对于
9、坚硬的地层，如果刀盘结构的强度不够，则会造成刀盘解体的事故。如在广州地铁三号线，辐板式盾构机刀盘在珠江主航道下方的风化岩地层中解体，该刀盘的4号辐条和6号辐条之间除牛腿外，其余部分几乎全部缺失。刀盘开口率是表征盾构机地质适应性的一个重要参数。刀盘 开口率不仅对土舱压力控制和刀盘扭矩有明显的影响，还影响碴土从刀盘进入土舱的流通性，也限制进入土舱中土粒的最大粒径。辐条式刀盘的开口率较大，一般不存在碴土流动性差、刀盘扭矩大的问题，故刀盘开口率的地质适应性设计主要还是针对辐板式盾构机来说的。辐板式刀盘开口率相对较低，如果刀盘开口率过小，开口位置设置不合理，碴土不能及时进入土舱，则会加速刀盘刀具的磨损。
10、如在成都砂卵石地铁施工的7台土压平衡盾构中，有两台盾构开口率小，刀具和刀盘磨损比其他几台严重。类似的情况在新加坡Kranji隧道的风化花岗岩地层中也发生过，经过提高刀盘开口率，解决了刀具磨损过快的问题。如果刀盘的开口率较低，碴土中粘粒含量较高()()()111102.12.2刀盘结构形式的地质适应性设计刀盘开口率的地质适应性设计开挖面失稳刀盘刀具快速磨损刀盘结泥饼刀盘、螺旋卡死刀盘结构损坏工程问题岩土类型岩土物理力学性质水文地质地质因素刀盘结构刀具选型布置110盾构机刀盘的地质适应性设计研究且流动性较差，碴土不能及时进入土舱中。在高温、高压的作用下，碴土中的细颗粒压实固结而形成泥饼。刀盘结泥饼
11、后，不仅会造成刀盘的扭矩和推力增加，掘进速度降低，还会加速刀盘刀具的磨损，导致地面沉降过大或者隆起。在沈阳地铁一号线某工地，由于刀盘中心区域结泥饼，碴土长时间停留刀盘前方，并随着刀盘一起旋转，导致在中心区域刀具和刀盘本体严重磨损。在广州地铁施工工地，因刀盘结泥饼，掘进速度极慢，且刀盘的扭矩大幅度增加，刀盘周围的土体严重扰动，开挖面失稳，造成地面沉降或者隆起。因此，辐板式刀盘的开口率，特别是中心开口率应尽量大。当土体中含有大粒径颗粒，如卵石和漂石时，为了保证较大的开口率，并防止大粒径颗粒进入土舱卡住螺旋输送机，可以在刀盘开口处设置格栅板，控制进入土舱中土体的粒径。刀盘本体外缘一般分为倒锥体和圆柱
12、体，如图2所示。对于复合地层和砂卵石地层，刀盘需要装配边滚刀，而边滚刀径向要与刀盘轴线有夹角，即边滚刀倾角。因此，刀盘的外缘一般要根据边滚刀倾角设计为倒角，如图2a所示。而一般砂土、粘土和粉土地层，刀盘装配撕裂刀，刀具焊接在刀盘上，没有刀箱，刀盘本体外缘设计为圆柱体结构，如图2b所示。61()()2.3 刀盘外缘筒体形状设计如果在砂卵石地层中刀盘本体外缘为倒锥体结构，由于刀盘与前盾切口环的间隙较大，一定尺寸的卵石容易卡在刀盘边缘与盾体之间的间隙中，造成刀盘卡住，如图3所示。如在北京地铁十号线二图3卵石卡住刀盘边缘Fig.3Thecutterheadedgesstuckoncobbles图2刀盘
13、结构示意Fig.2Invertedconetypecutterhead(left)andcolumntypecutterhead(right)a倒锥体刀盘结构() ()b圆柱体刀盘结构期工程某盾构区间，该区间地层为砂卵石地层，刀盘的初装刀为滚刀，故刀盘外缘为倒锥体结构。正是这种结构导致了在盾构掘进过程，发生了刀盘被卵石卡死的问题。后将刀盘外缘改造为圆柱体结构后，刀盘边缘与切口环的边缘间隙减小，该问题得以解决。因此，对于砂卵石地层，如果安装边滚刀，应根据地层条件慎重确定刀盘倒角大小和边滚刀的安装角度，尽量将刀盘外缘设计为圆柱体结构。3刀具选型布置的地质适应性设计刀具是使刀盘具备切削土体功能的主要
14、部件，刀具的选型和布置是决定刀盘地质适应性的一个重要设计内容。如果刀具的选型和布置不适应岩土类型，则会产生掘进困难、刀盘刀具快速磨损和刀盘结泥饼等工程问题；如果刀具的选型和布置不适应岩土的物理力学性质，则会产生掘进困难和刀盘刀具快速磨损等工程问题，如图4所示。为了避免相关工程问题发生，提高刀盘的地质适应性，刀具的选型和布置必须根据图4中的地质因素与工程问题的连线有针对性地进行地质适应性设计。图4刀具选型布置相关的工程问题Fig.4Theengineeringproblemsrelatedtotheselectionandlayoutofcutters刀盘刀具快速磨损掘进困难工程问题刀盘结泥饼岩
15、土类型岩土物理力学性质地质因素111盾构机刀盘的地质适应性设计研究3.13.2刀具的地质适应性选型刀具布置的地质适应性设计刀具主要分为先行刀、刮刀和超挖刀。超挖刀分为仿形刀和扩挖刀，一般来说，较软的砂土和粘土地层选择仿形刀，岩石地层选择扩挖刀。如果所开挖的地层磨蚀性强，且换刀比较困难，则需要选择具备磨损监测功能的刀具。先行刀在开挖面沿径向分层切削，预先疏松土体或破碎岩石，降低刮刀的冲击荷载，减少刮刀的切削力矩，延长刮刀的寿命；先行刀的另外一个重要功能是对土体进行初步搅拌，以提高碴土的改良效果。对于较软的砂土、粘土地层，选择齿刀为先行刀，如在沈阳、武汉、南京、天津和北京部分软土地区的地铁施工，先
16、行刀多选择齿刀，对于砂卵石地层，先行刀选择为贝形刀或重型撕裂刀。由于砂卵石地层的强磨蚀性，且容易对刀片形成冲击，重型撕裂刀和重型刮刀刀片尺寸应该较大，且采用嵌入式焊接。所选的刀具必须与岩土类型相适应，否则会带来刀具异常磨损、掘进困难的后果。如在成都地铁的砂卵石地层中，部分刀盘初装刀为滚刀，但实践证明滚刀在该类地层中磨损严重。在成都地铁一号线某区间，隧道穿越的地层主要为卵石土，卵石粒径大部分为49cm，部分大于12cm，并含有少量的漂石，卵石含量占75%85%，刀盘的初装刀为滚刀，盾构机掘进395m，共换刀两次，刀 具崩断、偏磨严重。在北京地铁五号线、九号线和十号线二期隧道工地也发生过类似的问题
17、。后来采用以排为主，以破为辅的思路，将滚刀更换为重型撕裂刀，并设置合理的刀盘开口率，使得粒径较小的卵石直接进入土舱而从螺旋中排出，粒径大的卵石被重型撕裂刀破碎后再排出。另外，所选的刀具也应该适应岩土的强度，否则刀具的破岩效率将很低。如在北京地下铁路直径线，开挖的砂卵石粒径较大，且很密实N12014，初装的先行撕裂刀无法松动地层，后根据实际揭露的地质条件，将先行刀改为滚刀和重型撕裂刀相配合的立体切削刀具，改造后的盾构顺利完成了1.8km的掘进，取得了满意的结果。而对于强度更高的岩层，则必须选择滚刀。虽然滚刀在广州和深圳的复合地层中容易发生偏磨，但鉴于其它先行刀无法破碎硬岩地层，只能选择滚刀。13
18、4()刀盘上的先行刀和刮刀是主刀具，中心刀、超挖刀和周边刮刀在刀盘上有固定的位置，因此，刀具的布置设计主要是指对先行刀和刮刀的布置。根据先行刀和刮刀的工作原理，刀具布置设计的内容包括设计刀具的先行量和先行刀的间距。刀具的先行量是指先行刀和刮刀组合的高度差，它取决于刀具的磨损长度和岩土类型，并且应不小于刀具的磨损长度。刀具的先行量设计是否合理直接影响刀盘的切削效果、刀具对碴土的搅拌效果和刮刀的寿命。对于砂土地层，细颗粒含量较高，碴土易改良，且易切削，故先行刀高出刮刀长度较短，先行量一般为1015m 。该设计参数在沈阳、北京和武汉等城市的地铁隧道盾构施工中得到了验证。在砂卵石地层中，由于砂卵石地层
19、相对较硬，且不容易进行碴土改良，要求先行量较大，从而保证先行刀将土层破碎，并对碴土有更好的搅拌。在北京地铁九号线盾构工地，重型撕裂刀先行量高达50mm。在硬岩地层中，则应根据岩石的力学性质，确定滚刀的先行量。广州和深圳地区复合地层盾构施工的实践表明，复合地层中，特别是在软岩地层中掘进时，刀具先行量在3040mm之间比较合理。先行刀的刀间距是指相邻刀具的安装半径之差。齿刀、贝型刀和重型撕裂刀安装在刮刀 刀片宽度的中点位置处，一般刮刀的安装半径之差等于其刀片的宽度，故齿刀或者贝型刀的安装半径之差取决于刮刀刀片的宽度。滚刀的破岩机理与其它先行刀有本质的区别，因此，滚刀刀间距的设计则必须考虑岩层的力学
20、性质。一般的经验是，正刀刀间距在50120mm之间，对于软岩层取大值，对于硬岩地层取小值。文献2研究了在广州地铁盾构施工实践中滚刀刀间距的设置效果。研究发现，对于微风化的花岗岩，刀间距为812cm效果差，建议为58cm；微风化的片麻岩，刀间距为812cm效果一般，建议为69cm；而对于微风化的泥岩、砂砾岩和混合岩，刀间距为812cm效果较好。在盾构施工过程中，需要根据开挖地层的土体性质进行碴土改良，改良的最终效果是，压力舱内的混合土体能达到理想的“流塑性状态”，以降低24刀盘碴土改良装置的地质适应性设计112盾构机刀盘的地质适应性设计研究刀盘扭矩和主推进力，并避免碴土在土舱内发生“闭塞”、“结
21、饼”，在螺旋出口发生“喷涌”和开挖面失稳等工程事故。而碴土的改良效果除了与改良剂有关，还与刀盘上喷注口的位置、数量以及搅拌棒设置相关。如果这些设计与岩土类型不适应，碴土改良效果较难保证，可能发生土舱闭塞、刀盘结泥饼和螺旋出口喷涌等工程问题；如果这些设计与水文地质的适应性不好，碴土的渗透系数不能降低，很可能发生螺旋出口喷涌的工程问题，如图5所示。因此，要想避免相关工程地质问题发生，必须针对岩土类型和水文地质进行刀盘喷注口的位置和数量设计，并设计有效地碴土改良辅助装置如搅拌棒。搅拌棒可以有效的将改良剂与碴土进行搅拌，以保证碴土的改良效果，可以避免相关工程问题发生。文献5中介绍的左右线两台盾构机，就
22、因右线盾构机刀盘没有安装搅拌棒，碴土改良效果差，导致右线盾构机刀盘刀具磨损严重；而左线盾构机刀盘几乎没有磨损，刀具磨损正常。对于特殊地层，特别是大直径刀盘，仅设计改良剂喷出口和搅拌棒是不够的，还需要在刀盘上增加新的碴土改良辅助装置。如在荷兰Westerschelde隧道工程中，针对粘土地层中掘进速度慢、扭矩大且中心区域容易结泥饼的问题，所采用的泥水盾构机刀盘中心设有主动中心刀具，并带有独立的泥浆刀盘土改良装置碴水文地质地质因素岩土类型土闭塞舱工程问题螺旋出口喷涌刀盘结泥饼图5刀盘碴土改良装置相关的工程问题Fig.5Theengineeringproblemsrelatedtotheequipm
23、entformuckconditioning管和高压清洗系统，以提高刀盘中心区域的刀具转速和搅拌能力，避免了刀盘中心结泥饼，使得盾构机在粘土地层中的掘进速度提高了30%，刀盘扭矩降低了25%。在西班牙马德里M30工程，针对大直径刀盘中心区域的线速度更低、搅拌性能更差、更容易结泥饼的问题，该工程采用的直径为15.2m的土压平衡盾构机刀盘，首次采用了直径为7m的独立中心刀盘，从而提高了刀盘中心区域刀具的转速和搅拌性。在上海外滩通道工程，所采用的盾构机刀盘直径为14.27m，为了确保大直径刀盘对土体的改良效果，在土舱内设置了一个机械搅拌器，使得土舱内的碴土都处于搅拌棒的混合范围内，没有搅拌死角，取得
24、了较好的碴土改良效果。基于多个盾构施工实践，本文分析了与刀盘相关的工程问题，发现刀盘产生相关工程问题的根本原因在于刀盘的结构设计、刀具选型布置，以及刀盘碴土改良装置设计与岩土类型、岩土物理力学性质和水文地质等地质因素不适应。因此，刀盘结构设计应该根据岩土类型、岩土物理力学性质和水文地质条件进行地质适应性设计；刀具选型布置应该根据岩土类型和岩土物理力学性质进行地质适应性设计；刀盘碴土改良装置设计应该根据岩土类型和水文地质进行地质适应性设计。基 于岩土体与刀盘相互作用的机理和盾构施工经验，本文还分别总结了刀盘结构、刀具选型布置和刀盘碴土改良装置如何进行地质适应性设计的经验。既然地质条件对盾构机刀盘
25、设计有着决定性的作用，那么在盾构隧道的岩土工程勘察过程中，勘察设计单位应该将地质勘察与刀盘设计结合起来，对岩土类型、岩土物理力学性质和水文地质进行专门的研究，分析可能存在的工程问题、机械问题和工程地质问题，为盾构刀盘设计人员提供准确、清晰的地质适应性设计要求，从而确保盾构机的地质适应性，避免盾构施工相关工程问题的发生。13,1414155结论113盾构机刀盘的地质适应性设计研究参考文献References1 竺维彬,鞠世健.地铁盾构施工风险源及典型事故的研究M.广州:暨南大学出版社,2010ZhuWeibin,JuShijian.ResearchonConstructionRiskResour
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34、ImprovementduringSuperLargeDiameterEarthPressureBalancedShieldJ.Modern TunnellingTechnology,2011,48(4):65-7123891065471112131415114盾构机刀盘的地质适应性设计研究AbstractKeywordsToimprovethegeologicaladaptabilityofshieldmachinesandreducetheengineeringproblemscausedbygeologicalfactorsduringshieldexcavation,thecutter
35、headofashieldmachineshouldbedesignedaccordingtothegeologicalconditions.Basedonmultipleshieldtunnelingcases,thispaperanalyzestheproblemsencounteredind o-mesticandoverseasshieldconstruction,suchasexcavatingdifficulties,acceleratedwearofthecutterheadandc ut-ters,mudcakes,andtheinstabilityofworkingfaces
36、.Itwasfoundthatthemaincausesfortheseproblemswerethein-elasticity ofthecutterheadtothetypesofrocksoil,physicalandmechanicalissues,andhydrogeologicalconditions.Basedontheinteractionmechanismbetweenthecutterheadandrock-soilbodyandshielddrivingconstructionexpe-rience,thispapersummarizesthedesignofcutter
37、headstructures,aswellastheselectionandlayoutofcuttersandequipmentformuckconditioningregardingadaptabilitytogeologicalconditions.Shieldmachine;Cutterheaddesign;GeologicaladaptabilityOntheGeologicalAdaptabilityofShieldCutterheadDesignsWangXuZhangHaidongBianYeLiTianming1122（1LiaoningProvincialBuildingD
38、esign2NHIGroupTBMCompany,Shenyang110141）AbstractKeywordsConsideringtheconstructionofafoundationpitaboveanexistingshieldtunnelanditsactualworkingcon-ditions,aplanestrainfiniteelementsimulationoftheexcavationandsupportingmeasureswascarriedoutandamod i-fiedCam-claymodelwasemployedforthesoilbody.Theresu
39、ltsshowthatduetothetunnelexcavation,anX-shapedplasticzoneemergesfromthesurroundingsoilbody,thediaphragmwallhasasheltereffectonthedevelopmentofthi szone,almostnohorizontaldisplacementoccursforatunneljustbelowtheexcavationcenterline,andtheeffectoft hefoundation pitconstructionontheverticaldisplacement
40、ofthetunnelbuiltbelowisgreaterthanthatofthehorizontaldisplacement.Thus,providedthereissufficientverticaldistancebetweentheendofthediaphragmwallandthetun -nel,thehorizontaldisplacementsofcrownandbottomtendtowardsequalization.Foundationpitconstruction;Numericalsimulation;StructuraldeformationofexistingtunnelAnalysisoftheEffectsofFoundationPitConstructionontheStructuralDeformationofanExistingUnderlyingShieldTunnelZhuFengbinWangYuexiang（SchoolofCivilEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215011）100
