1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理

　　盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理就是一個圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進(jìn)邊對土壤進(jìn)行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護(hù)盾，它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時文撐的作用，承受周圍土層的壓力，有時還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行。

　　1.1盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)

　　液壓馬達(dá)驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)，同時開啟盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸，將盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)，隨著推進(jìn)油缸的向前推進(jìn)，刀盤持續(xù)旋轉(zhuǎn)，被切削下來的碴土充滿泥土倉，此時開動螺旋輸送機(jī)將切削下來的渣土排送到皮帶輸送機(jī)上，后由皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸至渣土車的土箱中，再通過豎井運(yùn)至地面。

　　1.2控制排土量與排土速度

　　當(dāng)泥土倉和螺旋輸送機(jī)中的碴土積累到一定數(shù)量時，開挖面被切下的渣土經(jīng)刀盤開口進(jìn)入泥土倉的阻力增大，當(dāng)泥土倉的土壓與開挖面的土壓力和地下水的水壓力相平衡時，開挖面就能保持穩(wěn)定，開挖面對應(yīng)的地面部分也不致坍塌或隆起，這時只要保持從螺旋輸送機(jī)和泥土倉中輸送出去的渣土量與切削下來的流人泥土倉中的渣土量相平衡時，開挖工作就能順利進(jìn)行。

　　1.3管片拼裝

　　盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一環(huán)的距離后，拼裝機(jī)操作手操作拼裝機(jī)拼裝襯砌管片，使隧道—次成型。

　　1.4盾構(gòu)機(jī)的組成

　　盾構(gòu)機(jī)的開挖直徑為6.28m，總長75m，其中盾體長8.5m，后配套設(shè)備長66.5m，總重量約520t，總配置功率1743kW，最大掘進(jìn)扭矩5300kNm，最大推進(jìn)力為34210kN，最大掘進(jìn)速度可達(dá)8cm/min。盾構(gòu)機(jī)主要由9大部分組成，他們分別是刀盤、盾體、刀盤驅(qū)動、雙室氣閘、管片拼裝機(jī)、排土機(jī)構(gòu)、后配套裝置、電氣系統(tǒng)和輔助設(shè)備。

　　2 滾刀的分類

　　2.1滾刀分為齒形(球齒、楔齒)滾刀和盤形滾刀

　　2.1.1滾刀刀圈的材質(zhì)是滾刀能否勝任掘進(jìn)硬巖的關(guān)鍵。盤形滾刀根據(jù)刀圈不同一般有以下4種類型

　　1)耐磨層表面刀圈 ：適用于掘進(jìn)硬度40MPa的緊密地層，硬度80～100 MPa的斷裂礫巖、砂巖、砂粘土等地層。

　　(2)標(biāo)準(zhǔn)鋼刀圈 ：適用于掘進(jìn)硬度50～150MPa的礫巖、大理石、砂巖、灰?guī)r地層。

　　(3)重型鋼刀圈：適用于掘進(jìn)硬度120～250MPa的硬巖，硬度80～150MPa的高磨損巖層，如花崗巖、閃長巖、斑巖、蛇紋石及玄武巖等地層。

　　(4)鑲齒硬質(zhì)合金刀圈 適用于掘進(jìn)硬度高達(dá)150～250MPa的花崗巖、玄武巖、斑巖及石英巖等地層。

　　2.1.2

　　刮碴板的作用是將滾刀破碎的巖碴，及時排出，防止?jié)L刀對巖碴的二次破碎，保護(hù)滾刀。前刮碴板主要鏟裝刀盤前方的落碴，鏟裝量大，磨損較快，后刮碴板主要鏟裝下護(hù)盾推進(jìn)中從隧道底部堆積起來的碴石，鏟裝量小，磨損較小

　　3 盾構(gòu)機(jī)球齒滾刀的產(chǎn)生

　　隨著近十年來地鐵在國內(nèi)的飛速發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)被廣泛應(yīng)用于地鐵施工中。目前國內(nèi)盾構(gòu)掘進(jìn)中的滾刀多采用合金工具鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼制造的鋼刀圈，這種鋼刀圈對地層的適應(yīng)范圍較廣，從軟土到軟巖甚至硬巖均能一定程度的適應(yīng)，但受刀圈材料性能的限制其耐磨性有一定的限度，同時這種鋼刀圈在較軟的地層中掘進(jìn)時由于掌子面提供給滾刀的主動轉(zhuǎn)矩不足以克服滾刀轉(zhuǎn)動的被動轉(zhuǎn)矩，滾刀轉(zhuǎn)動不起來進(jìn)而使?jié)L刀產(chǎn)生偏磨。而在廣州、深圳地區(qū)，存在大量的粉砂巖、砂巖、粉沙質(zhì)泥巖等風(fēng)化程度較高的軟巖(土)地層，這種地層的磨礪性較強(qiáng)、穩(wěn)定性較差，常常不具備換刀條件或換刀成本高，盾構(gòu)施工單位總希望找到一種耐磨性好的刀圈來減少盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的換刀次數(shù)，于是就產(chǎn)生了堆焊球齒刀圈。

　　盾構(gòu)機(jī)破碎巖石的機(jī)理是：在掘進(jìn)時盤型滾刀沿巖面滾動，同時對巖面施加壓力，形成滾動擠壓切削而實現(xiàn)破巖。刀盤每轉(zhuǎn)動一圈，將貫入巖面一定的深度，在盤型刀刃與巖石接觸處，巖石被擠壓成粉末，由此產(chǎn)生的裂縫向相鄰的切割槽擴(kuò)展，進(jìn)而形成片狀石碴。刀間距必須科學(xué)合理，如果刀間距太大，相鄰盤型刀的破巖范圍不能相接，就不能開挖出片狀石碴，從而降低開挖效率;反之，如果刀間距太小，則會使石碴塊太小，也會降低開挖效率。

　　4 盾構(gòu)機(jī)球齒滾刀的應(yīng)用

　　4.1盾構(gòu)機(jī)球齒滾刀的優(yōu)勢

　　我公司盾構(gòu)掘進(jìn)施工的廣州市軌道交通五號線〖潭~員盾構(gòu)區(qū)間〗主要地質(zhì)為隧道洞身主要在<7>、<8>、<9>地層中穿過，局部在〈3-2〉、〈5-1〉、〈5-2〉、〈6〉地層中穿過。前期掘進(jìn)中采用普通鋼刀圈滾刀掘進(jìn)，但使用后發(fā)現(xiàn)滾刀偏磨嚴(yán)重，隧道頂部多軟土很難常規(guī)狀態(tài)下?lián)Q刀，給正常掘進(jìn)帶來許多困難。為解決盾構(gòu)掘進(jìn)中滾刀的偏磨及提高滾刀刀圈的耐磨性，我公司采用了部分球齒滾刀，在上述地層中一次性掘進(jìn)了500多米后隧道開倉檢查，發(fā)現(xiàn)球齒滾刀轉(zhuǎn)動良好未發(fā)生偏磨現(xiàn)象，同時刀圈的磨損并不嚴(yán)重還能繼續(xù)使用，與同時裝機(jī)的普通鋼刀圈滾刀相比具有明顯的優(yōu)勢。

　　4.2球齒滾刀工作原理

　　現(xiàn)就球齒滾刀的有關(guān)制造工藝、工作原理、應(yīng)用等介紹如下：

　　球齒滾刀刀圈就是在刀圈上鑲嵌鎢鈷合金球齒，具體制造工藝主要包括：合金鋼下料→鍛造毛坯→毛坯預(yù)處理→刀圈粗加工→熱處理→刀圈刃口兩側(cè)堆焊耐磨層→鉆球齒孔→壓入合金球齒(鎢鈷硬質(zhì)合金)→刀圈精加工→產(chǎn)品檢測→合格產(chǎn)品出廠。

　　盾構(gòu)機(jī)滾刀在推進(jìn)油缸的推力作用下，滾刀刀圈刃部貫入掌子面(貫入度一般10mm左右)，同時滾刀隨刀盤繞刀盤軸心公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動，滾刀在掌子面巖土主動摩擦力的作用下繞滾刀刀軸自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動，通過滾刀繞刀盤中心的公轉(zhuǎn)、滾刀繞刀軸的自轉(zhuǎn)及推進(jìn)油缸的推進(jìn)作用形成對掌子面巖土的切削，完成盾構(gòu)的掘進(jìn)。滾刀刀圈對掌子面巖土切削的同時，滾刀刀圈也受到巖土的摩擦作用，也就是在掘進(jìn)過程中，刀圈會被巖土慢慢地磨蝕掉，尤其在刀圈刃口頂部。為提高刀圈的耐磨性，在刀圈外緣周圍鑲?cè)雸A球齒形鎢鈷硬質(zhì)合金，而且球形頂部露出刀圈母體5mm,同時在刀圈母體兩側(cè)堆焊耐磨層，這樣刀圈對巖土的切削主要通過球形鎢鈷硬質(zhì)合金齒及耐磨層部分來實現(xiàn)的。由于這兩種目前用來鑿巖最耐磨的材料被巧妙地運(yùn)用在滾刀刀圈上，提高了整個刀圈的耐磨性，從而使刀圈在掘進(jìn)中不易被磨損，盾構(gòu)掘進(jìn)的長距離換刀成為可能，節(jié)約了盾構(gòu)施工成本。

　　球齒刀圈的凹凸不平作用能增加掌子面巖土對滾刀的主動轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而減少滾刀偏磨發(fā)生的幾率。滾刀在空載狀態(tài)下滾刀的啟動轉(zhuǎn)矩(阻力矩)主要由兩部分組成：浮動密封金屬面間的摩擦阻力矩(當(dāng)它的安裝槽等因素固定后，一般不能調(diào)節(jié)，每對浮動密封間的阻力轉(zhuǎn)矩約為7牛米，若還有防塵密封，防塵密封還可能產(chǎn)生部分阻力矩);軸承內(nèi)外圈與滾柱的摩擦阻力矩(通過調(diào)節(jié)兩個軸承間的隔環(huán)厚度或鎖緊端蓋的松緊，可調(diào)節(jié)其摩擦阻力矩，但根據(jù)軸承的使用要求軸承的預(yù)緊力不能過大或過小)，所以理論上每把正滾刀的啟動轉(zhuǎn)矩可調(diào)節(jié)為大于14牛.米的某數(shù)值。滾刀在掘進(jìn)時還要受到渣土產(chǎn)生的摩擦阻力矩(當(dāng)隧道埋深較深時，此摩擦阻力矩較大)，所以滾刀要靈活轉(zhuǎn)動必須是滾刀的主動轉(zhuǎn)矩大于以上三個阻力矩之和，才能防止發(fā)生刀圈偏磨。而滾刀的主動轉(zhuǎn)矩主要滾刀刀圈隨刀盤轉(zhuǎn)動時掌子面上巖土提供給刀圈的摩擦力等產(chǎn)生的，球齒刀圈由于球齒的凹凸不平作用，有利于增加滾刀的主動轉(zhuǎn)矩，從而使?jié)L刀轉(zhuǎn)動的主動轉(zhuǎn)矩大于滾刀的被動轉(zhuǎn)矩，使?jié)L刀轉(zhuǎn)動靈活，減少偏磨發(fā)生的幾率。

　　4 盾構(gòu)機(jī)球齒滾刀的適用范圍

　　經(jīng)過工程使用證明，球齒滾刀在地質(zhì)較軟(巖石的單軸抗壓強(qiáng)度不超過60Mpa)的復(fù)合地層一般掘進(jìn)距離在500米以上，具有較好的耐磨性，同時還能減少滾刀的偏磨，從而克服普通鋼刀圈使用過程中的易磨損和偏磨等缺點，節(jié)約施工成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)性及推廣價值。但是球齒刀圈制造工藝較復(fù)雜、材料成本高，造成刀圈的價格高。同時球齒刀圈對地層的適應(yīng)性不強(qiáng)，經(jīng)使用證明對單軸抗壓強(qiáng)度超過60Mpa的硬巖巖石地層不適應(yīng)，發(fā)生球齒崩裂及母體強(qiáng)度不夠等故障。所以下一目標(biāo)是開發(fā)既適合軟土又適合硬巖的球齒滾刀，充分發(fā)揮球齒滾刀的優(yōu)越性。