張照煌，Syed Naveed Haider Naqvi，翁子才

（華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206）

1 研究背景

盾構(gòu)是以土質(zhì)為主地質(zhì)條件下，隧洞（道）全斷面開挖的地下施工機械裝備，廣泛用于水利水電隧洞、鐵路公路隧道、城市地鐵、市政等工程的施工。盾構(gòu)刀盤屬于鋼結(jié)構(gòu)焊接件，安裝在盾構(gòu)最前端，是掘削刀具安裝的載體。在盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)刀盤連同其上的刀具一起推進并旋轉(zhuǎn)，刀盤將推力和轉(zhuǎn)矩傳遞給每把刀具，使刀具對掌子面土體產(chǎn)生切削力并進行切削作業(yè)。刀盤刀具在地下施工過程中會遇到不同種類的地質(zhì)，如黏土、砂土、淤泥、卵礫石等多種地質(zhì)的混合土體，作業(yè)條件復(fù)雜惡劣，從而給盾構(gòu)刀盤及刀具提出了嚴(yán)苛要求。由于盾構(gòu)施工隧道地質(zhì)地層的不同、隧道斷面形狀和不同生產(chǎn)廠商秉承設(shè)計理念的不同等，出現(xiàn)了各式各樣的盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)。因此，分析盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)、刀具刀座、刀具布置和其它刀盤功能結(jié)構(gòu)等的發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn)，為盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新發(fā)展提供借鑒就顯得非常必要。

2 刀盤結(jié)構(gòu)分析

2.1刀盤三大功能目前隧道施工使用的盾構(gòu)刀盤主要包括三大功能：開挖功能、穩(wěn)定功能和攪拌功能［1］。刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，前兩大功能是刀盤設(shè)計需重點考慮的首要因素，對刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計也有非常大的影響，而攪拌功能則是刀盤旋轉(zhuǎn)切削地層時的附加功能，對結(jié)構(gòu)設(shè)計影響較小。盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計合理與否直接影響著盾構(gòu)的開挖效果和掌子面穩(wěn)定情況，三大功能也成為刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計的出發(fā)點。刀盤結(jié)構(gòu)形式與隧道地質(zhì)狀況密切相關(guān)，為了實現(xiàn)刀盤的三大功能，不同地層應(yīng)采用不同的且與之相適應(yīng)的刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計形式。

（1）開挖功能。盾構(gòu)的開挖功能主要由刀盤上的各類刀具實現(xiàn)。刀盤旋轉(zhuǎn)并在推進油缸作用下，刀盤上布置的刀具壓緊掌子面，并切削掌子面土體，對掌子面地層進行開挖，實現(xiàn)隧洞的開挖與掘進。開挖后的渣土通過刀盤的開口進入土倉（或泥水倉）。

（2）穩(wěn)定功能。盾構(gòu)的穩(wěn)定功能是指支撐和穩(wěn)定掌子面，主要由刀盤輻板輻條提供的支護壓力和土倉內(nèi)土壓力（或泥水倉內(nèi)的泥水壓力）通過刀盤上的開口共同實現(xiàn)。無論是泥水平衡盾構(gòu)，還是土壓平衡盾構(gòu)，都屬于閉胸式盾構(gòu)。所謂“閉胸”就是在盾構(gòu)前部的刀盤后面設(shè)置隔板，隔開盾構(gòu)作業(yè)區(qū)，從而形成土倉或泥水倉并與掌子面及出渣系統(tǒng)形成封閉的空間。在刀盤推進油缸作用下，通過控制進出該“封閉空間”的渣量，就可調(diào)節(jié)土倉或泥水倉中的壓力，再通過刀盤開口調(diào)節(jié)作業(yè)在掌子面上的壓力，從而實現(xiàn)掌子面的穩(wěn)定。

（3）攪拌功能。主要由刀盤輻板輻條結(jié)構(gòu)和刀盤背面的攪拌棒實現(xiàn)。對于土壓平衡盾構(gòu)，刀盤對土倉內(nèi)的渣土進行攪拌并使之均勻化，可提高渣土的流塑性，不僅有利于螺旋輸送機將渣土排出，還有利于在螺旋輸送機內(nèi)產(chǎn)生土塞效果，因而有利于通過控制螺旋輸送機的排土量調(diào)整土倉內(nèi)的壓力。對于泥水平衡盾構(gòu)，刀盤對切削下來的渣土與進漿管道輸送的稀泥漿進行攪拌，可實現(xiàn)對渣土的充分稀釋并形成黏稠度基本均勻的稠泥漿，進而有利于排漿管道將渣土排出。

2.2刀盤結(jié)構(gòu)分類目前常見的盾構(gòu)刀盤面板結(jié)構(gòu)形式可歸為3類：輻條式、輻板式和輻條輻板復(fù)合式，如圖1（a）、（b）和（c）所示；其中的復(fù)合式刀盤——融合了輻板和輻條式兩種盾構(gòu)刀盤的結(jié)構(gòu)特征。隧道工程施工應(yīng)用哪種形式的刀盤需要根據(jù)工程地質(zhì)條件、周圍環(huán)境情況等綜合考慮。一般情況下，輻條式刀盤用于土質(zhì)地層、輻板式和輻條輻板復(fù)合式刀盤用于巖土復(fù)合地質(zhì)地層施工的盾構(gòu)上。

盾構(gòu)刀盤還可根據(jù)其外形分為圓形刀盤（如圖1（a）、（b）和（c））、矩形刀盤（如圖1（d））和組合式刀盤（如圖1（e））等。圓形刀盤用于圓形斷面隧道，矩形刀盤用于矩形斷面隧道，組合式刀盤用于異形斷面隧道（如馬蹄形等）。

圖1 刀盤類型

隨著人類生活水平的提高，對地下空間的開發(fā)和利用也越來越多樣化，從而促使盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展也朝著多樣化方向發(fā)展，典型事例是促使盾構(gòu)朝著極限化方向發(fā)展——微型和特大型。目前，盾構(gòu)按照其刀盤直徑，一般可分為微小型盾構(gòu)（刀盤直徑＜1 m）、小型盾構(gòu)（1 m≤刀盤直徑＜3.5 m）、中型盾構(gòu)（3.5 m≤刀盤直徑＜6 m）、大型盾構(gòu)（6 m≤刀盤直徑＜14 m）、超大型盾構(gòu)（14 m≤刀盤直徑＜18 m）和特大型盾構(gòu)（18 m≥刀盤直徑）。其中，特大型盾構(gòu)在市場上還未出現(xiàn)。

2.3刀盤支承盾構(gòu)刀盤在推力作用下旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動其上的刀具切削土體或（和）剝落巖石，一方面是動力裝置（如液壓馬達）通過減速器和齒輪副傳動將力矩傳遞給刀盤聯(lián)接件（支撐內(nèi)圈也是大內(nèi)齒圈）并驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)；另一方面，刀盤支撐外圈一般與固定在盾構(gòu)殼體上的軸承座聯(lián)接，見圖2所示［2］。所謂刀盤支承形式就是指刀盤與其支撐（軸承）間的位置關(guān)系。

圖2 刀盤支承與驅(qū)動

刀盤支承形式一般分三種：（a）中心支承、（b）中間支承和（c）周邊支承，如圖3所示［3］。中心支承式結(jié)構(gòu)簡易，主要用于中小型斷面盾構(gòu)，這種支撐形式黏性土附著的可能性??；另外，若刀盤為組合式（如馬蹄型刀盤），為避免旋轉(zhuǎn)體之間的干涉，也多采用刀盤的中心支承。中間支承式主要用于大中型斷面盾構(gòu)，結(jié)構(gòu)受載均勻，刀盤不易發(fā)生傾覆變形和振動變形。但這種支承形式不宜用于小斷面盾構(gòu)，否則會面臨黏性土附著和卵礫石不易處理等問題。周邊支承式用于小型斷面盾構(gòu)，對于小斷面盾構(gòu)來說，遇到卵礫石地層時處理起來較為容易，但是這種形式在刀盤與切口環(huán)部分很容易黏附土砂或出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，因此，周邊支承式不易于在黏性土中使用。目前廣泛使用的支承形式主要是中心支承和中間支承兩種。由于中間支承式結(jié)構(gòu)負(fù)載穩(wěn)定，刀盤不易變形，地質(zhì)適應(yīng)性強，因此與中心支承式相比，現(xiàn)在市場應(yīng)用最為普遍，更為重要的是，現(xiàn)在市場應(yīng)用的多為大中型斷面盾構(gòu)，因此，中心支承式和周邊支承式則很少使用。

圖3 刀盤支承形式

2.4盾構(gòu)刀具盾構(gòu)刀具是盾構(gòu)刀盤的重要組成部分，也是實現(xiàn)刀盤開挖功能最關(guān)鍵的部件。盾構(gòu)刀具類型、布置、結(jié)構(gòu)對刀盤結(jié)構(gòu)都有著重要影響，因此，許多國家都非常重視盾構(gòu)刀具的研發(fā)，其中美國、日本、德國等國家對刀具諸多方面都有長期深入的研究，如切削機理、切削理論、實（試）驗等。經(jīng)過實際應(yīng)用和不斷改進完善，盾構(gòu)刀具基本已形成規(guī)格系列。盾構(gòu)刀具類型主要分為破巖類刀具和切削類刀具兩大類。破巖類刀具主要是指盤形滾刀和齒刀（見圖4所示），此類刀具主要應(yīng)用在硬巖TBM（Hard Rock Tunnel Boring Machine）刀盤上，特別是盤形滾刀的應(yīng)用更為普遍。目前廣泛應(yīng)用的盤形滾刀設(shè)計尚有不足之處，文獻［4］對正、偏楔形盤形滾刀破巖作業(yè)載荷進行了對比研究，為盤形滾刀優(yōu)化設(shè)計提出了新理論和新思路。但隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，為了提高盾構(gòu)對地質(zhì)地層的適應(yīng)性，特別是擴大其在土巖混合地質(zhì)的切削能力，在盾構(gòu)刀盤上一般增設(shè)適當(dāng)數(shù)量的盤形滾刀進行破巖作業(yè)；而切削類刀具又可分為：切刀（刮刀）、先行刀（超前刀）、魚尾刀、仿形刀、邊刮刀等多種類型，見圖5所示。

圖4 破巖滾刀種類

圖5 切削類刀具

德國于1980年代開發(fā)出復(fù)合式盾構(gòu)，主要用于巖土混合地質(zhì)的施工，在其刀盤上安裝了破巖滾刀，這種刀盤即是所謂的復(fù)合式盾構(gòu)刀盤，是盾構(gòu)技術(shù)與硬巖TBM技術(shù)發(fā)展演化的成果，見圖6所示。

圖6 復(fù)合地層（或巖土互層）地質(zhì)施工盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)及刀具設(shè)置

2.5刀具安裝座刀具安裝方式對刀盤上刀座的設(shè)置有直接影響，刀座是刀盤重要組成部分，對刀盤的整體設(shè)計和加工，甚至盾構(gòu)施工過程中的換刀作業(yè)都會產(chǎn)生重大影響，因而刀具在刀盤上的安裝方式成為盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。刀具安裝座可分為切削刀座和滾刀座，主要實現(xiàn)刀具與刀盤的聯(lián)接，也是刀盤開挖功能充分實現(xiàn)不可缺少的結(jié)構(gòu)。

（1）切削刀座。刮刀又稱切刀，對稱布置在盾構(gòu)刀盤開口槽（或輻條）兩側(cè)（見圖1（a）、（b）、（c）和圖6所示）。刮刀在刀盤推力作用下切入土體并隨刀盤旋轉(zhuǎn)剝落土體產(chǎn)生土渣。早期刮刀的安裝方式是在刀盤上焊接刀座，再通過螺栓將刮刀與刀座聯(lián)接固定。實踐表明，這種安裝方式在遇到巖層或復(fù)雜地層時，刀具會受到一定的載荷沖擊作用，聯(lián)接螺栓很容易產(chǎn)生疲勞斷裂致使刀具脫落，刀具損壞嚴(yán)重時，還會對刀盤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響。針對早期傳統(tǒng)安裝方式存在的不足，技術(shù)人員對刮刀安裝方式不斷改進，發(fā)展出了三重聯(lián)接固定方式，即卡槽聯(lián)接、螺栓聯(lián)接和定位銷聯(lián)接。其中卡槽連接是指刮刀座上開設(shè)插槽，刀具開設(shè)相應(yīng)的卡頭與之配合聯(lián)接［5］。傳統(tǒng)的先行刀與刀盤的連接方式是通過焊接實現(xiàn)，只局限于軟弱地層的挖掘，經(jīng)過研究發(fā)展及改進，實現(xiàn)先行刀與滾刀部位進行替換，安裝方式與滾刀相似，從而方便了盾構(gòu)刀盤刀具的更換性能。

（2）滾刀座。滾刀座，顧名思義是安裝盤形滾刀的座，目前盾構(gòu)刀盤上已廣泛采用凹置式或稱背裝式盤形滾刀聯(lián)接［6］——拉拔式結(jié)構(gòu)，見圖7所示。盤形滾刀座位于刀盤前表面以下，正常狀態(tài)下，約有盤形滾刀直徑的三分之一凸出刀盤前表面，因此這樣的結(jié)構(gòu)能很好保護盤形滾刀及其刀座，避免巖碴沖擊和磨損，不僅方便裝拆，還延長了盤形滾刀及其刀座壽命。

圖7 凹置盤形滾刀示意圖

3 其他因素的影響

刀盤三大功能的實現(xiàn)除了受到刀盤刀具結(jié)構(gòu)功能的影響，還受到其他因素的影響，諸如刀具布置、刀盤開口、攪拌棒、改良劑噴口等。

3.1破巖滾刀的應(yīng)用滾刀是硬巖TBM刀盤實現(xiàn)破巖的核心關(guān)鍵部件，受此啟發(fā)，德國在1980年代開發(fā)出了復(fù)合式盾構(gòu)，從此，盤形滾刀就成為了復(fù)合式盾構(gòu)刀盤上的破巖利器。破巖滾刀在提高盾構(gòu)刀盤地質(zhì)適應(yīng)性的同時，也對刀盤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。因盤形滾刀作業(yè)對象——巖石的抗壓強度、硬度等都較地層中的土質(zhì)大得多，因此，對盾構(gòu)刀盤的剛度和強度也就提出了更高要求，這也就是經(jīng)典輻條式刀盤結(jié)構(gòu)發(fā)展為輻板式刀盤結(jié)構(gòu)的直接原因。

3.2刀具布置刀具在盾構(gòu)刀盤上的布置不僅影響盾構(gòu)的挖掘性能，還對刀盤受載和刀具壽命甚至刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計有很大影響。盾構(gòu)刀具布置包括破巖滾刀和切削刀的布置，主要布置參數(shù)包括極徑、極角、刀具高度（刀刃高差）、重疊量等。極徑一般用刀間距表示，而極角則體現(xiàn)在刀具的布置形式上。

（1）滾刀布置。自1965年，Teale R提出——“比能（specific energy）”的概念，即破碎單位體積巖石所消耗的能量，領(lǐng)域?qū)W者就一直將這一概念作為盤形滾刀破巖效率的衡量指標(biāo)［7］，如文獻［8］和［9］研究了刀間距與比能的關(guān)系。國內(nèi)外學(xué)者為獲取最優(yōu)刀間距，基于比能概念，還對刀間距（S）和貫入度（P）以及這兩個參數(shù)的比值（S/P）進行了大量的研究和探討［10-11］。值得注意的是，這樣的研究一般是通過盤形滾刀的壓痕試驗或線性滾壓破碎巖石的試驗進行的，因此，得出的結(jié)論是盤形滾刀的布置應(yīng)遵循等刀間距原則，即滾刀破巖軌跡間的徑向距離應(yīng)相等，并使相鄰滾刀的破巖裂紋恰好完全貫通，達到最佳破巖效果，此時的刀間距即為最優(yōu)。設(shè)計復(fù)合盾構(gòu)刀盤時，地質(zhì)復(fù)雜，在保證刀間距最優(yōu)的前提下，滾刀間距應(yīng)盡可能設(shè)計大一些，當(dāng)遇到黏土地質(zhì)時，可以減小泥餅形成的概率。

盤形滾刀在TBM刀盤上的布置形式主要是螺旋線型、隨機型和米字型［12-13］。由于復(fù)合盾構(gòu)刀盤與TBM刀盤在結(jié)構(gòu)形式上有非常大的區(qū)別，其需要保證一定的開口率以實現(xiàn)對土質(zhì)地層的挖掘，目前，盤形滾刀在盾構(gòu)刀盤上的布置是采用星型布置形式和阿基米德螺旋線的布置規(guī)律相結(jié)合。為了使掘進機有較好且均衡的破巖效果，刀盤上盤形滾刀的布置相對比較均勻［14］。很多研究學(xué)者基于優(yōu)化模型及算法，對滾刀在盾構(gòu)刀盤上的布置進行優(yōu)化研究和探討，如文獻［15］在滾刀布置基本原則基礎(chǔ)上建立多目標(biāo)滾刀布置優(yōu)化模型，采用遺傳算法求解得到滾刀布置參數(shù)。文獻［16］基于盤形滾刀等磨損原則進行了盾構(gòu)刀盤上不同安裝半徑上的刀具數(shù)量的確定；文獻［17］提出了根據(jù)最優(yōu)刀間距和相鄰刀具相位差求解一般雙螺旋線系數(shù)的方法，并提出了反交錯雙螺旋線布置形式。綜合復(fù)合盾構(gòu)刀盤滾刀布置的一般原則是：刀間距合理、等磨損、受力平衡、安裝不干涉、重心與中心重合、徑向載荷與傾覆力矩最小等。

（2）切削刀布置。切削刀布置方式主要是同心圓布置和阿基米德螺旋線布置，其中螺旋線布置方式由于擁有很好的受力性能而得到廣泛應(yīng)用。螺旋線布置還可以細(xì)分為單螺旋線、雙螺旋線和多螺旋線布置。切削刀的布置應(yīng)該做到覆蓋整個掌子面，故采用螺旋線布置方式時要保證相鄰切削刀的重合度大于等于零。按布刀種類可將盾構(gòu)刀盤分為三個區(qū)域，分別是中心區(qū)、正面區(qū)、邊緣區(qū)，中心區(qū)主要布置魚尾刀或羊角刀，正面區(qū)主要布置刮刀和先行刀，邊緣區(qū)主要布置邊刮刀和擴挖刀（仿形刀）。

國內(nèi)外學(xué)者研究切削刀在盾構(gòu)刀盤上的布置主要以阿基米德螺旋線為理論基礎(chǔ)，采用磨損等壽命原則實現(xiàn)刀具的優(yōu)化布置。如陳國盛［18］基于幾何學(xué)原理，應(yīng)用阿基米德螺旋線理論建立刀具布置方法的數(shù)學(xué)模型，考慮安裝半徑不同造成的刀具磨損差異及規(guī)律，提出單螺旋線和雙螺旋線相結(jié)合的布刀方法；裴瑞英［19］計算分析了刀具布局和磨損之間的關(guān)系，提出了切刀等磨損量布置方法并進行了驗證；蒲毅［20］基于阿基米德螺旋線布置方法，依據(jù)磨損等壽命原則，計算出了主切削刀布置曲線，提出了刀具平面對稱布局原則和刀具數(shù)量的確定方法；林賚貺［21］提出了基于受力平衡與磨損量均勻的切刀布置方法，并將該切刀布置方法應(yīng)用于工程實例進行了驗證。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，針對地層地質(zhì)或其他工程因素的刀具布置研究甚少，因而，綜合諸多因素進行刀具布置優(yōu)化顯得尤為重要。

3.3其他功能結(jié)構(gòu)盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計與刀盤其他功能結(jié)構(gòu)有很大的相關(guān)性，如泥餅問題、渣土改良等。雖然不同公司設(shè)計生產(chǎn)的刀盤結(jié)構(gòu)形式有很大區(qū)別，但基于刀盤受力平衡原則，幾乎所有的刀盤結(jié)構(gòu)都設(shè)計成對稱形式。

為加強刀盤結(jié)構(gòu)強度，一般都在刀盤牛腿連接處附近增焊環(huán)筋結(jié)構(gòu)。以前盾構(gòu)牛腿基本與法蘭一起鑄造而成，而今，盾構(gòu)刀盤大多采用焊接牛腿，如圓柱形牛腿、方箱形牛腿等。

開口率是盾構(gòu)刀盤開口面積與刀盤面面積的比值，開口率和開口位置是盾構(gòu)刀盤開口設(shè)計的兩個關(guān)鍵參數(shù)。為了提高刀盤渣土流動性和集渣性，開口槽通常設(shè)計成楔形，即刀盤的前開口小于后開口，開口槽截面形狀為楔形。對于土壓平衡盾構(gòu)，為了防止刀盤產(chǎn)生泥餅及強化渣土流動性，開口率應(yīng)適當(dāng)提高，一般在30%～80%之間；對于泥水平衡盾構(gòu)，為了提高掌子面穩(wěn)定性，開口率應(yīng)適當(dāng)降低，一般在10%～30%之間。刀盤開口的形狀、尺寸和位置須根據(jù)施工地質(zhì)條件、掌子面穩(wěn)定性和挖掘效率等綜合考慮確定。

刀盤攪拌棒可分為主動攪拌棒和被動攪拌棒。前者是焊接在刀盤背面輻板輻條上，隨著刀盤旋轉(zhuǎn)主動對土倉內(nèi)渣土進行攪拌；后者則是焊接在土倉密封隔板上，固定不動，靠渣土自身運動實現(xiàn)攪拌作業(yè)。經(jīng)過攪拌的渣土，流塑性和均勻性都得到了提高，方便了渣土排出和掌子面壓力控制。攪拌棒的焊接位置通常設(shè)置在渣土流動性較差的地方，如土倉底部、刀盤外緣區(qū)域、刀盤中心區(qū)域等。其中，刀盤外緣區(qū)域一般設(shè)置主動攪拌棒；刀盤中心區(qū)域安裝攪拌棒可防止產(chǎn)生泥餅現(xiàn)象。

改良劑噴口主要設(shè)置在刀盤前面板、密封隔板和螺旋輸送機上，用于注入泡沫劑、膨潤土、水、羧甲基纖維素（CMC）等渣土改良劑。主要作用是提高掌子面的穩(wěn)定性和開挖土體的止水性，潤滑刀盤刀具和螺旋輸送機等。噴口布置要避開易結(jié)泥餅的位置，以防止噴口被堵塞。

為增強盾構(gòu)在砂卵石、礫石、樁基和古樹根等地層的掘進性能，文獻［22］提出了一種錐形刀盤，應(yīng)用塑性理論，對比分析錐形刀盤與平面刀盤在相同作用效果下的推力。通過建立的出發(fā)和掘進作業(yè)中的極限荷載模型求解發(fā)現(xiàn)，錐形刀盤在錐頂角為90°時存在最小推力，此力在盾構(gòu)出發(fā)時減小相對量為10%，在盾構(gòu)正常掘進時減小相對量為15.4%。理論分析還發(fā)現(xiàn)，錐形刀盤還具有剛度好，對地層適應(yīng)強等優(yōu)點。

更換盾構(gòu)刀具是另一關(guān)鍵技術(shù)。為了提高換刀安全性和作業(yè)效率，目前已研發(fā)出常壓換刀刀盤。該刀盤異于普通刀盤，其輻臂（刀盤主梁）被設(shè)計成空腔（箱體式）結(jié)構(gòu)且設(shè)置有扶梯供檢修換刀人員常壓進入并進行相關(guān)作業(yè)，如圖8所示［23］。1997年，海瑞克在德國易北河第四通道盾構(gòu)隧道第一次應(yīng)用嘗試，國內(nèi)最早應(yīng)用該技術(shù)的隧道工程是南京長江隧道，避免了高壓進倉檢修換刀，獲得了很好效果。常壓換刀刀盤由于受到刀盤尺寸的限制，目前，直徑小于14 m的刀盤尚無法進行這樣設(shè)計。隨著盾構(gòu)大型化發(fā)展，直徑大于14 m的刀盤不斷增多，基于常壓換刀技術(shù)的刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計也會得到廣泛應(yīng)用［24-25］。

圖8 刀盤輻臂空腔示意圖

盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要有機綜合考慮刀盤系統(tǒng)各功能結(jié)構(gòu)及其地質(zhì)適應(yīng)性，如刀具型式及其布置、改良劑和噴水口布置、攪拌棒布置、刀盤開口及其分布等。復(fù)雜地質(zhì)已成為刀盤適應(yīng)性設(shè)計的最大難題，因而直到現(xiàn)在仍沒有統(tǒng)一的刀盤設(shè)計理論。為了適應(yīng)當(dāng)前“一隧多用”的市場需求，隧道不斷朝著大直徑方向發(fā)展，為盾構(gòu)刀盤適應(yīng)性設(shè)計帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)論

盾構(gòu)是目前土質(zhì)或以土質(zhì)為主隧道（洞）工程施工的優(yōu)選裝備，其刀盤是盾構(gòu)上的關(guān)鍵核心部件。通過對刀盤結(jié)構(gòu)發(fā)展和現(xiàn)狀的分析，發(fā)現(xiàn)：

（1）由于盾構(gòu)渣土從刀盤進入泥土室（或泥水室），亦即，刀盤必須有開口，所以，輻條式、輻板式和輻條輻板復(fù)合結(jié)構(gòu)是盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)的主要形式。

（2）因為盾構(gòu)刀盤前表面受到土和水等的綜合壓力，考慮刀盤結(jié)構(gòu)剛度，大中型盾構(gòu)刀盤一般宜采用中間支承形式。

（3）刀具更換一直是盾構(gòu)施工技術(shù)中的難題，通過刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計克服這一技術(shù)難題，不僅可行，通過實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)而且有效。