第三章 盾构掘进参数的设定
盾构掘进过程中，各项施工参数因地质状况和盾构隧道的埋深不同而产生变化。以下是根据南昌红谷滩地区地质条件，结合本标段工程的隧道掘进技术要求对各项掘进参数进行的分析和计算，当盾构因坡度变化、埋深发生变化时，盾构的各项参数结合工程实际情况重新调整。
南昌红谷滩地区的地质情况，以砂土、粉土和粉质粘土为主。盾构推进参数确定时，以不利因素考虑，而后根据掘进过程中的实际情况再做调整。现以盾构直径为6250mm的海瑞克复合式土压平衡盾构在南昌红谷滩地区施工为依据，进行分析总结。 3.1 盾构掘进土压的确定
盾构推进时，开挖面土体的稳定性主要取决于推进土压的合理性。盾构推进参数的确定时，以不利因素考虑，而后根据掘进过程中的实际情况再作调整。盾构的正面阻力由作用于开挖面的土压和泥水压组成。在盾构施工中，确定合理的土压值是重要的环节之一，也是地面隆起或沉降的重要决定因素，一般先通过理论计算，算出土压值，再在盾构掘进过程中，不断调整，确定合理的土压值。
根据经验盾构掘进土压一般介于主动土压与被动土压之间。越接近主动土压时，盾构掘进时对周围地层的扰动范围越小，一般在粘性土中采用下式进行计算上部土压力P：
P=K×r×H
其中，K为土体侧压力系数（K=0.45～0.8）；r为土体平均容重；H为地面至土仓上部覆土厚度。
3.2 刀盘扭矩计算
变频调速电机驱动刀盘工作示意图见图3-1。
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第四章 刀具配置与地质的适应性
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，而且选择的差异对盾构机造价也有着很大的影响,刀盘选型可以影响到总造价的 4％～8％。 4.1 刀具的分类
盾构机刀具可根据运动方式、布置位置和方式及形状等进行分类。按切削原理划分，盾构机的刀具一般分为切削刀和滚刀两种，其余形式的刀具为辅助刀具。切削刀又分为齿刀、刮刀和先行刀等。
固定式 刀具 旋转式
图4-1 按运动方式分类 图4-2 按安装方式分类
盾构机刀具按照安装位置可以分为修边刀、外沿保护刀、超前刀、掘削刀、加泥口保护刀、导向钻具、中心刀等，如图4-3所示。
图4-3 刀具按安装位置分类
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4.2 不同地质条件下刀具的选择
对于不同地层的开挖，盾构的刀具通常采用不同型式：开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀；地层为较软岩石时，采用齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采用切刀(或刮刀)。 4.2.1 切削刀
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）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。
图4-4 切削刀示意图
切削刀为盾构机开挖非岩质地层的基本刀具，其形状、布局将对开挖效果有重要影响。切削刀切削土体的示意见图4-5。对于软土地层或经滚刀破碎后的碴土将通过切刀和刮刀进行开挖。碴土随切刀、刮刀正面进入碴槽，因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有装载的功能。
图4-5 切削刀切削土体示意图
4.2.2 先行刀
先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置。先行刀在设计中主要考虑与其它刀具组合协同工作。先行刀在切刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创造良好的切削条件。先行刀的切削宽度一般比切刀窄，切削效率较高。采用先行刀，可显著增加切削土体的流动性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。
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在松散体地层，尤其是砂卵石地层先行刀的使用效果十分明显。
图4-6先行刀刀具形状及与切削刀协同切削土体的示意图
4.2.3 贝型刀
盘圈贝型刀实质上是超前刀，盾构机穿越砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层时，若采用滚刀型刀具，因土体属松散体，在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，大大降低滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。采用盘圈贝型刀，将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石)的难题。
图4-7贝型刀刀具
4.2.4 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600 mm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，刀盘中心位置布置双刃或三刃滚刀。
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图4-8中心刀刀具
图4-9中心刀切削土体示意图
4.2.5 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。
图4-10仿形刀示意图
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