1  引言

     盾构是一种用于隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，济南市冶金科学研究所有限责任公司,冶金科学研究所,在钢壳体掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的机械。盾构按掘进方式分为人工、半机械和机械化形式，目前机械化盾构发展较快，它由刀盘旋转切削地层，采用螺旋输送机或泥浆管运送碴土，在壳体内拼装预制管片，依靠液压千斤顶推进。

     盾构在地下开挖中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。在开挖中刀盘受力复杂，工作环境恶劣。刀盘的结构关系到盾构工程的成败、开挖效率、使用寿命及刀具费用。盾构的刀盘结构形式与工程地质情况有着密切的关系，不同的地层应采用不同的刀盘结构形式，盾构刀盘设计是盾构的关键技术。

2  刀盘的主要功能

     刀盘主要具有三大功能：

     1）开挖功能    刀盘旋转时，刀具切削隧道掌子面的土体，对掌子面的地层进行开挖，开挖后的碴土通过刀盘的开口进入土仓；

     2）稳定功能    支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能；

     3）搅拌功能    对于土压平衡盾构，刀盘对土仓内的碴土进行搅拌，使碴土具有一定的塑性，然后通过螺旋输送机将碴土排出；对于泥水盾构，通过刀盘的旋转搅拌作用，将切削下来的碴土与膨润土泥浆充分混合，优化了泥水压力的控制和改善了泥浆的均匀性，然后通过排泥管道将开挖碴土以流体的形式泵送到设在地面上的泥水分离站。

3  刀盘的设计要点

3.1 刀盘的结构形式

     刀盘的结构形式有面板式和辐条式两种，具体应用时应根据施工条件和土质条件等因素决定。泥水盾构采用面板式刀盘；土压平衡盾构根据土质条件可采用面板式或辐条式。对于土压平衡盾构，采用面板式刀盘时，由于泥土流经刀盘面板的开口进入土仓，盾构掘进时土仓内的土压力与开挖面的土压力之间产生压力降，且压力降的大小受面板刀开口的影响不易确定，从而使得开挖面的土压力不易控制。辐条式刀盘仅有几根辐条，切削下来的土体直接进入土仓，没有压力损失，同时在辐条后设有搅拌叶片，自贡盾构刀厂家排名，土、砂流动顺畅，土压平衡容易控制。因此幅条式刀盘对砂、土等单一软土地层的适应性比面板式刀盘较强；但由于幅条式刀盘不能安装滚刀，在风化岩及软硬不均地层或硬岩地层掘进时，应采用面板式刀盘。

3.2 刀盘结构的设计

     1）开口率    刀盘开口率是刀盘面板开口部分的面积与刀盘面积的比值，刀盘切削下来的碴土通过刀盘的开口槽流往土仓。刀盘的开口必须根据地质条件、开挖面的稳定性和挖掘效率来决定其形状、尺寸、配置。对于泥水盾构，自贡盾构刀厂家排名，刀盘的开口率一般取10%～30%；土压平衡盾构的开口率范围较宽。对于胶结粘性土之类的高粘附性土质，宜加大开口率；对于易坍塌性围岩，开口率需慎重选择。刀盘开口位置应尽量靠近刀盘中心，以防止碴土在刀盘的中心部位流动不畅而形成泥饼。同时，由于刀盘中心部位的线速度较低，粘土、粉土、膨润土等粘稠土体在中心部位的流动性较差，自贡盾构刀厂家排名，粘性土容易在中心部位沉积，因此应适当加大中心部位开口率。刀盘开口槽一般设计成楔形结构，使开口逐渐变大，以利于碴土向土仓内流动。

2）泡沫管的布置    土压平衡盾构主要适用于粘稠土壤的施工，当含砂量超过某一限度时，泥土的塑流性明显变差，土仓内的土体因固结作用而被压密，导致碴土难以排送，可向土仓内注水或泡沫、膨润土等，然后进行强制搅拌，使砂质土泥土化。泡沫是一种塑流化改性剂，除具有改善开挖土体的塑流性外，还具有润滑刀盘、刀具、螺旋输送机，降低刀盘扭矩，保持开挖面稳定，提高开挖土体的止水性的作用。通过刀盘上布置的泡沫管也可以用来加注膨润土或泥浆，采用泡沫注入系统，拓宽了土压平衡盾构的地质适应范围。泡沫注入管的位置和数量直接影响着土体的改良效果和刀具的润滑效果。北京地铁五号线是国内引进的德国海瑞克盾构，布置了4个泡沫注入口，而南京地铁引进同一厂家的第五台盾构却布置有6个注入口，这说明制造商在不断进行泡沫注入系统的技术改进。同时，泡沫的注入还能有效地防止刀盘中心形成泥饼。泡沫注入口一般设置在刀盘的中心部位及刀盘的背面。泡沫注入管通过旋转接头引入，在刀盘上的布置有内置式和外置式两种，外置式泡沫管清理较容易，但由于与土体直接摩擦，易损坏；内置式不易磨损，但堵塞时清理较困难；目前一般采用内置式泡沫管。

     3）刀盘倒角及边滚刀的布置     刀盘的切削直径最终由安装在刀盘外周上的刀具来实现。在软土地层掘进时，由周边刮刀实现；在硬岩地层掘进时，由边滚刀来实现。边滚刀的径向与刀盘的面板需成一定的角度，刀盘形状在边缘处需倾斜一定的角度，从而形成刀盘倒角。在刀盘切削过程中，由于边滚刀靠近刀盘的边缘，其旋转速度比靠近中心部位的滚刀要快，且切削岩层的直线距离较长，因此边滚刀的磨损量大于中心滚刀和正滚刀，在设计时应增加边滚刀的布置数量。同时由于边滚刀与刀盘轴线存在一定角度，因此受力比中心滚刀和正滚刀要复杂，且这个角度的大小直接影响边滚刀的寿命，因此应根据岩石的硬度慎重确定刀盘倒角的大小和边滚刀的安装角度。