1 土壓平衡盾構機的基本工作原理

　　盾構機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邊對土壤進行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護盾，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、襯砌等作業在護盾的掩護下進行。

　　1.1盾構機的掘進

　　液壓馬達驅動刀盤旋轉，同時開啟盾構機推進油缸，將盾構機向前推進，隨著推進油缸的向前推進，刀盤持續旋轉，被切削下來的碴土充滿泥土倉，此時開動螺旋輸送機將切削下來的渣土排送到皮帶輸送機上，后由皮帶輸送機運輸至渣土車的土箱中，再通過豎井運至地面。

　　1.2控制排土量與排土速度

　　當泥土倉和螺旋輸送機中的碴土積累到一定數量時，開挖面被切下的渣土經刀盤開口進入泥土倉的阻力增大，當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，開挖面就能保持穩定，開挖面對應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行。

　　1.3管片拼裝

　　盾構機掘進一環的距離后，拼裝機操作手操作拼裝機拼裝襯砌管片，使隧道—次成型。

　　1.4盾構機的組成

　　盾構機的開挖直徑為6.28m，總長75m，其中盾體長8.5m，后配套設備長66.5m，總重量約520t，總配置功率1743kW，最大掘進扭矩5300kNm，最大推進力為34210kN，最大掘進速度可達8cm/min。盾構機主要由9大部分組成，他們分別是刀盤、盾體、刀盤驅動、雙室氣閘、管片拼裝機、排土機構、后配套裝置、電氣系統和輔助設備。

　　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滾刀刀圈的材質是滾刀能否勝任掘進硬巖的關鍵。盤形滾刀根據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)標準鋼刀圈 ：適用于掘進硬度50～150MPa的礫巖、大理石、砂巖、灰巖地層。

　　(3)重型鋼刀圈：適用于掘進硬度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)鑲齒硬質合金刀圈 適用于掘進硬度高達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，防止滾刀對巖碴的二次破碎，保護滾刀。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盾推進中從隧道底部堆積起來的碴石，鏟裝量小，磨損較小

　　3 盾構機球齒滾刀的產生

　　隨著近十年來地鐵在國內的飛速發展，盾構機被廣泛應用于地鐵施工中。目前國內盾構掘進中的滾刀多采用合金工具鋼或合金結構鋼制造的鋼刀圈，這種鋼刀圈對地層的適應范圍較廣，從軟土到軟巖甚至硬巖均能一定程度的適應，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時由于掌子面提供給滾刀的主動轉矩不足以克服滾刀轉動的被動轉矩，滾刀轉動不起來進而使滾刀產生偏磨。而在廣州、深圳地區，存在大量的粉砂巖、砂巖、粉沙質泥巖等風化程度較高的軟巖(土)地層，這種地層的磨礪性較強、穩定性較差，常常不具備換刀條件或換刀成本高，盾構施工單位總希望找到一種耐磨性好的刀圈來減少盾構掘進過程中的換刀次數，于是就產生了堆焊球齒刀圈。

　　盾構機破碎巖石的機理是：在掘進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破巖。刀盤每轉動一圈，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，由此產生的裂縫向相鄰的切割槽擴展，進而形成片狀石碴。刀間距必須科學合理，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 盾構機球齒滾刀的應用

　　4.1盾構機球齒滾刀的優勢

　　我公司盾構掘進施工的廣州市軌道交通五號線〖潭~員盾構區間〗主要地質為隧道洞身主要在<7>、<8>、<9>地層中穿過，局部在〈3-2〉、〈5-1〉、〈5-2〉、〈6〉地層中穿過。前期掘進中采用普通鋼刀圈滾刀掘進，但使用后發現滾刀偏磨嚴重，隧道頂部多軟土很難常規狀態下換刀，給正常掘進帶來許多困難。為解決盾構掘進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了500多米后隧道開倉檢查，發現球齒滾刀轉動良好未發生偏磨現象，同時刀圈的磨損并不嚴重還能繼續使用，與同時裝機的普通鋼刀圈滾刀相比具有明顯的優勢。

　　4.2球齒滾刀工作原理

　　現就球齒滾刀的有關制造工藝、工作原理、應用等介紹如下：

　　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→毛坯預處理→刀圈粗加工→熱處理→刀圈刃口兩側堆焊耐磨層→鉆球齒孔→壓入合金球齒(鎢鈷硬質合金)→刀圈精加工→產品檢測→合格產品出廠。

　　盾構機滾刀在推進油缸的推力作用下，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轉動，滾刀在掌子面巖土主動摩擦力的作用下繞滾刀刀軸自轉轉動，通過滾刀繞刀盤中心的公轉、滾刀繞刀軸的自轉及推進油缸的推進作用形成對掌子面巖土的切削，完成盾構的掘進。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，在刀圈外緣周圍鑲入圓球齒形鎢鈷硬質合金，而且球形頂部露出刀圈母體5mm,同時在刀圈母體兩側堆焊耐磨層，這樣刀圈對巖土的切削主要通過球形鎢鈷硬質合金齒及耐磨層部分來實現的。由于這兩種目前用來鑿巖最耐磨的材料被巧妙地運用在滾刀刀圈上，提高了整個刀圈的耐磨性，從而使刀圈在掘進中不易被磨損，盾構掘進的長距離換刀成為可能，節約了盾構施工成本。

　　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矩，進而減少滾刀偏磨發生的幾率。滾刀在空載狀態下滾刀的啟動轉矩(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(當它的安裝槽等因素固定后，一般不能調節，每對浮動密封間的阻力轉矩約為7牛米，若還有防塵密封，防塵密封還可能產生部分阻力矩);軸承內外圈與滾柱的摩擦阻力矩(通過調節兩個軸承間的隔環厚度或鎖緊端蓋的松緊，可調節其摩擦阻力矩，但根據軸承的使用要求軸承的預緊力不能過大或過小)，所以理論上每把正滾刀的啟動轉矩可調節為大于14牛.米的某數值。滾刀在掘進時還要受到渣土產生的摩擦阻力矩(當隧道埋深較深時，此摩擦阻力矩較大)，所以滾刀要靈活轉動必須是滾刀的主動轉矩大于以上三個阻力矩之和，才能防止發生刀圈偏磨。而滾刀的主動轉矩主要滾刀刀圈隨刀盤轉動時掌子面上巖土提供給刀圈的摩擦力等產生的，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矩，從而使滾刀轉動的主動轉矩大于滾刀的被動轉矩，使滾刀轉動靈活，減少偏磨發生的幾率。

　　4 盾構機球齒滾刀的適用范圍

　　經過工程使用證明，球齒滾刀在地質較軟(巖石的單軸抗壓強度不超過60Mpa)的復合地層一般掘進距離在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，節約施工成本，具有較好的經濟性及推廣價值。但是球齒刀圈制造工藝較復雜、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性不強，經使用證明對單軸抗壓強度超過60Mpa的硬巖巖石地層不適應，發生球齒崩裂及母體強度不夠等故障。所以下一目標是開發既適合軟土又適合硬巖的球齒滾刀，充分發揮球齒滾刀的優越性。