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4.2.6 滚刀

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。

图4-11滚刀刀刀具示意图

安装在刀盘上的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，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。滚刀在刀盘的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圆沟槽。当推力超过岩石的强度时，盘形滚刀刀尖下的岩石直接破碎，刀尖贯入岩石，形成压碎区和放射状裂纹;进一步加压，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。目前，破岩滚刀中使用较多的是盘形滚刀。

图4-12滚刀破岩机理图

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4.2.7 齿刀

在岩石较软的情况下掘进时，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产生弦磨，滚刀不能滚动将失去有效的破岩功能。因此，在较软的岩层中应将部分盘形滚刀更换成齿刀，利用齿刀进行破岩。由于齿刀上装有2个切削刃，因此刀盘正反转时齿刀都能进行破岩。

图4-12 齿刀和齿刀破岩机理图

4.3 刀具布置与配置 4.3.1 刀具的布置

刀具布置有两种方式：

第一种为刀具整体连续排列方式，因其切削阻力较大，盾构机密封舱内土体流动性差，现已很少使用，仅偶尔在切削阻力小的淤泥质地层中采用；

第二种为刀具牙型交错连续排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌而被广泛使用。目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。

盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。根据不同地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合，实现刀具配置的灵便性，提高刀盘的开挖效率。目前盾构机上常用的主要刀具有切刀、刮刀、齿刀、双刃滚刀、单刃滚刀、扩孔刀等。 4.3.2 刀具配置方式

刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况，进行针对性设计，不同的工程地质特点，采用不同的刀具配置方案，以获得良好的切削效果和掘进速度。根据地质条件特点，可以大致分为四种地层：软弱土地层；砂层、砂卵石地层；风化岩及软硬不均地层；单纯的纯硬岩地层。

1、软弱土地层

其地质条件主要以淤泥、粘土和粉质粘土为主， 在软弱土地层一般只需配置切削型刀具，如：切刀、周边刮刀、中心刀、先行刀和超挖刀。在软弱土地层刀盘可以采用面板

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式结构，装有1把鱼尾形中心刀，120把切刀，16把周边刮刀及1把仿形刀。切刀安装在开口槽的两侧，覆盖了整个进碴口的长度。刮刀安装在刀盘边缘。由于刀盘需要正反旋转，因此切刀的布置也在正反方向布置，为了提高切刀的可靠性，在每个轨迹上至少布置2把。在周边工作量相对较大，磨损后对盾构切口环尺寸影响较大，在正反方向各布置了8把刮刀。考虑到刀盘的受力均匀性，刀具布置具有对称性。刀具安装采用螺栓固定，便于更换。在切刀或刮刀的刃口和刃口背面镶嵌有合金和耐磨材料，以延长刀具的使用寿命，切刀的破岩能力为20MPa，可以顺利地通过进出洞端头的加固地层。

2、砂层、砂卵石地层

其地质条件主要以砂，卵石地层为主，如遇到粒径较大的砾石或漂石，应配置滚刀进行破碎。在砂层、砂卵石地层施工时，需设置（宽幅）切刀、周边刮刀、先行刀（重型撕裂刀）、中心刀、仿形刀等刀具。切刀是主刀具，用于开挖面大部分断面的开挖；周边刮刀也称保径刀，用于切削外周的土体，保证开挖断面的直径；先行刀在开挖面沿径向分层切削，预先疏松土体，降低切刀的冲击荷载，减少切削力矩，同时重型撕裂刀用于破碎强度较低和粒径较小的卵石和砾石；中心刀用于开挖面中心断面的开挖，起到定心和疏松部分土体的作用；仿形刀用于曲线开挖和纠偏。滚刀用于破碎粒径较大的砾石或漂石。

3、风化岩及软硬不均地层

上软下硬、地质不均的复合地层，且局部岩石的单轴抗压强度较高（150-200Mpa）， 除配置切削型刀具外包括宽幅切刀、先行刀，还需配置滚刀，因而刀盘结构相对复杂。对于岩层首先通过滚刀进行破岩，且滚刀的超前量应大于切刀的超前量，在滚刀磨损后仍能避免切刀进行破岩，确保切刀的使用寿命。在曲线半径小的隧道掘进时，为了保证盾构的调向和避免盾壳被卡死，需要有较大的开挖直径，因此刀盘上需配置滚刀型的仿形刀（或超挖刀）。

4、单纯的纯硬岩地层

隧道断面范围内以混合片麻岩和混合花岗岩两种岩石为主，刀具全部选用滚刀，无任何齿刀。有时，在刀盘面板周边开口处配备刮碴刮刀板。 4.3.3 刀具配置的其他注意事项

1、当岩石抗压强度较低，盘形滚刀破岩效果不理想时，则利用滚刀刀座安装齿刀进行破岩，齿刀轨迹完全与滚刀相同，齿刀刀刃是对称的，因此刀盘正反转时都可以很好地破碎软岩。

2、刀盘直径应考虑刀具磨损后开挖直径仍能大于盾构切口环的直径，以保证盾构姿态的调整。边滚刀的允许磨损量为15mm，因此开挖洞径的允许变化量为3Omm。当边刀不

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采用滚刀时，盾构开挖洞径的允许变化量为20mm。

3、在曲线半径小的隧道掘进时，为了利于盾构的调向，需要有较大的开挖直径，因此根据地质情况的差异，可在刀盘上选择配置扩孔刀或滚刀型、齿刀型的仿形刀。

4、刀具布置的防泥饼措施

盾构机通过粘性土层时容易在刀盘中心区和土舱中心区形成泥饼。刀盘中心区的泥饼会造成刀盘能够转动，但是盾构机却不能掘进的现象。土舱中心区的泥饼，则会造成刀盘转动负荷加大，甚至停止转动，同时导致舱体内温度急剧升高，影响主轴承密封的寿命，甚至毁坏轴承密封。

为了提高碴土的流动性，防止上述现象的发生，刀具布置采取了针对性较强的防泥饼措施，即确保刀具凸出刀盘的较大间距。所有正面滚刀都高出刀盘面175mm，为开挖面破除下来的碴土留出了足够的出碴空间；齿刀高出刀盘面16Omm，刮刀高出刀盘面140mm。

这样盾构在复合地层中掘进时，能使刀盘前方切削下来的碴土有较大的流动空间，有利于刀盘前方碴土的流动。同时，由于滚刀高出刮刀35mm，齿刀高出刮刀20mm，因此，在硬岩地段掘进时刮刀受到滚刀和齿刀的保护，正面滚刀的最大磨损量为可达50mm，切刀的最大磨损量则为20mm。

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第五章 盾构机始发与接收

5.1 盾构始发的工艺流程

盾构始发是盾构施工的关键环节之一，其主要内容包括：端头地层加固、安装盾构机始发基座、盾构机组装就位和调试、安装洞门密封圈、安装反力架、安装洞门密封帘布橡胶板、拼装负环管片（含钢环、钢支撑）、拆除洞门围护结构、盾构机贯入作业面加压和掘进等。根据南昌地铁1号线长～蛟区间长江路站盾构始发，始发流程见图5-1盾构始发流程图。

安装反力架 端头洞门凿除 安装始发基座 盾构机组装、空载调试 端头加固

盾构负载调试 盾构机推进 安装负环 盾尾通过洞口密封 No 注浆回填 盾构掘进和管片安装 图5-1 盾构始发流程图

5.2 盾构始发的施工技术

5.2.1 始发洞门的地层处理和降水

在盾构始发之前，一般要根据洞口地层的稳定情况评价地层，并采取有针对性的处理措施。本工程盾构在长江路站北端头设盾构工作井，为明挖结构，始发端头隧道穿越的地层为粉砂土，粉性土的透水性较好，易引起流砂、管涌等不良地质现象，因此需要进行端头加固。加固后土体强度需要达到以下指标：无侧限抗压强度Qu=1.0～1.2Mpa，渗透系数K≤1×10-7米/秒。

盾构始发加固范围为：加固长度为11m，加固宽度为盾构外径两侧和底部各3m。 始发前对端头进行持续降水，直到水位到达盾构机底部以下并达到稳定。下图5-2为端头井加固范围和降水井位置图。

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