刀盘设计理念及变迁剖析.docx

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刀盘设计理念及变迁剖析

盾构刀具

盾构机刀具配置是盾构机刀具设计中是非常重要的内容。

 本论文着重介绍了刀具的种类和切削原理，同时针对不同的地层情况，提出刀具的具体配置方式。

针对盾构机在复合地层隧道掘进，解释了刀具配置的差异性、刀具配置的“矛盾”现象。

结合工程实例，在砂卵石地层中（尤其是含大直径漂石）长距离隧道掘进的工况下，提出了盾构机生产厂家关于刀具配置新的设计理念和思路。

最后提出了刀具配置设计中应考虑的因素。

1 、引言

      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。

2 、刀具种类和切削原理  

  2.1、切刀（齿刀，刮刀） 

    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。

    2.2、先行刀（ 超前刀） 

    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。

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。

    2.3、贝型刀

    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，因土体屑松散体，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。

将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石。

    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，到盘中心位置布置双刃或三刃滚刀。

   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。

滚刀超挖刀                                                                                   柱形超挖刀

    2.6、 滚刀和刮碴板 

    在纯硬岩地层掘进时，采用滚刀破岩。

滚刀破岩的原理是依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。

滚刀的类型、数量、布置方式、位置、超前量根据岩层的强度和整体性、掘进距离、含砂量等特点确定。

穿越松散地层但有大粒径的砾石（粒径大于400mm）、并且含量达到一定比例时，也可采用滚刀型刀具。

在隧道地质条件复杂多变、岩石（强度不算太高）与一般土体（或粘土或砂土）交错频繁出现的情况，也有可能采用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。

滚刀分为齿形（球齿、楔齿）滚刀和盘形滚刀 

    2.6.2 、滚刀刀圈的材质是滚刀能否胜任掘进硬岩的关键。

盘形滚刀根据刀圈不同一般有以下4种类型

（1）耐磨层表面刀圈 ：

适用于掘进硬度40MPa的紧密地层，硬度80～100MPa的断裂砾岩、砂岩、砂粘土等地层。

（2）标准钢刀圈 ：

适用于掘进硬度50～150MPa的砾岩、大理石、砂岩、灰岩地层。

      （3）重型钢刀圈：

适用于掘进硬度120～250MPa的硬岩，硬度80～150MPa的高磨损岩层，如花岗岩、闪长岩、斑岩、蛇纹石及玄武岩等地层。

      （4）镶齿硬质合金刀圈 适用于掘进硬度高达150～250MPa的花岗岩、玄武岩、斑岩及石英岩等地层。

    2.6.3 、刮碴板的作用是将滚刀破碎的岩碴，及时排出，防止滚刀对岩碴的二次破碎，保护滚刀。

前刮碴板主要铲装刀盘前方的落碴，铲装量大，磨损较快，后刮碴板主要铲装下护盾推进中从隧道底部堆积起来的碴石，铲装量小，磨损较小。

3 、刀具配置方式

    刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况，进行针对性设计，不同的工程地质特点，采用不同的刀具配置方案，以获得良好的切削效果和掘进速度。

根据地质条件特点，可以大致分为四种地层：

软弱土地层；砂层、砂卵石地层；风化岩及软硬不均地层；单纯的纯硬岩地层。

    3.1、软弱土地层   如南京、上海、杭州等地，其地质条件主要以淤泥、粘土和粉质粘土为主， 在软弱土地层一般只需配置切削型刀具，如：

切刀、周边刮刀、中心刀、先行刀和超挖刀。

以南京地铁盾构为例，刀盘采用面板式结构，装有1把鱼尾形中心刀，120把切刀，16把周边刮刀及1把仿形刀。

切刀安装在开口槽的两侧，覆盖了整个进碴口的长度。

刮刀安装在刀盘边缘。

由于刀盘需要正反旋转，因此切刀的布置也在正反方向布置，为了提高切刀的可靠性，在每个轨迹上至少布置2把。

在周边工作量相对较大，磨损后对盾构切口环尺寸影响较大，在正反方向各布置了8把刮刀。

考虑到刀盘的受力均匀性，刀具布置具有对称性。

刀具安装采用螺栓固定，便于更换。

在切刀或刮刀的刃口和刃口背面镶嵌有合金和耐磨材料，以延长刀具的使用寿命，切刀的破岩能力为20MPa，可以顺利地通过进出洞端头的加固地层。

    3.2 、 砂层、砂卵石地层   如北京、成都其地质条件主要以砂，卵石地层为主，如遇到粒径较大的砾石或漂石，应配置滚刀进行破碎。

在砂层、砂卵石地层施工时，需设置（宽幅）切刀、周边刮刀、先行刀（重型撕裂刀）、中心刀、仿形刀等刀具。

切刀是主刀具，用于开挖面大部分断面的开挖；周边刮刀也称保径刀，用于切削外周的土体，保证开挖断面的直径；先行刀在开挖面沿径向分层切削，预先疏松土体，降低切刀的冲击荷载，减少切削力矩，同时重型撕裂刀用于破碎强度较低和粒径较小的卵石和砾石；中心刀用于开挖面中心断面的开挖，起到定心和疏松部分土体的作用；仿形刀用于曲线开挖和纠偏。

滚刀用于破碎粒径较大的砾石或漂石。

    3.3 、 风化岩及软硬不均地层  如广州、深圳，上软下硬、地质不均的复合地层，且局部岩石的单轴抗压强度较高（150-200Mpa）， 除配置切削型刀具外包括宽幅切刀、先行刀，还需配置滚刀，因而刀盘结构相对复杂。

对于岩层首先通过滚刀进行破岩，且滚刀的超前量应大于切刀的超前量，在滚刀磨损后仍能避免切刀进行破岩，确保切刀的使用寿命。

在曲线半径小的隧道掘进时，为了保证盾构的调向和避免盾壳被卡死，需要有较大的开挖直径，因此刀盘上需配置滚刀型的仿形刀（或超挖刀）。

    3.4 、 单纯的纯硬岩地层   如秦岭1线隧道，隧道断面范围内以混合片麻岩和混合花岗岩两种岩石为主，刀具全部选用滚刀，无任何齿刀。

有时，在刀盘面板周边开口处配备刮碴刮刀板。

4、刀具配置的差异性

       在复合地层施工中，刀具配置的差异性主要表现在滚刀和先行刀的配置数量和刀具的高度、组合高度差等方面。

例如，海瑞克公司刀盘滚刀和固定先行刀高出面板175mm和140mm，三菱公司刀盘滚刀和固定先行刀高出面板90mm和70mm。

两种刀具的高差为35mm和20mm，前者的设计较好，具体表现为刀具高对防止泥饼的形成有利，高度差大有利于破岩。

滚刀的刀间距过大和过小都不利于破岩，间距过大，滚刀间会出现“岩脊”现象，间距过小，滚刀间会出现小碎块现象，降低破岩功效。

在复合地层中周边滚刀的间距一般小于90mm，正面滚刀的间距为100～120mm（参照国内外施工实例，岩石强度高时，滚刀的间距应控制在70～90mm的范围内比较合理）。

5、 复合地层中刀具配置的“矛盾”现象

    硬岩地层只需滚刀，但有时必须安装切刀（或刮碴板），切刀在破硬岩过程中几乎没有作用，由于贯入度和高度差的原因，产生瞬间冲击荷载，切刀被磨平或被崩断。

在复合地层中，有些砂、卵石地层或同一断面中有硬岩和软岩，所以刀盘必须配备切刀和先行刀以对应非硬岩的需要。

同理，在软岩和软土地情况下，本不需安装滚刀，但在由于可能存在部分硬岩，又必须安装滚刀，导致滚刀严重损坏，失去破岩功能。

6 、砂卵石地层中（尤其含大直径漂石）长距离隧道掘进的工况下，刀具配置新的设计理念和思路

     北京地铁9号线06标段，盾构单线隧道长度约为1238m，地层主要为卵石层、圆砾层、强风化～中风化砾岩层、强风化粘土岩，局部为粉质粘土层和细砂层。

开挖面围岩不稳定，粘土岩和强风化砾岩的单轴抗压强度为0.3～2.0Mpa，为极软岩。

详勘报告中推测大于400mm粒径卵石含量为15%～40%，隧道附近基坑内有1500×2000mm漂石，不排除有粒径更大的漂石存在，且随机分布。

随机取样卵石和砾石的单轴抗压强度为120～187 Mpa，石英和长石含量为70%～95%。

    盾构厂家针对本标段的地层在刀具配置方面提出了新的设计理念和思路。

为了使刀具能够充分发挥作用，盾构机设计使用了3130 mm大直径轴承，配备了1200kw的驱动动力，使刀盘的托困扭矩为774t.m，转速可达0～3.2rpm，同时在刀盘面板和周边焊接碳化铬超硬耐磨板和耐磨网。

刀具布置方面（初步预案），开口槽密排宽幅切刀100把（带耐磨合金头）、面板上配备大横断面高耐磨双层碳化钨重型撕裂刀（先行刀）31把、刀盘外周和边缘位置配备双刃（17”）滚刀10把，中心锥形刀1把。

滚刀和重型撕裂刀采用刀盘后装式，可通过刀盘内的转接箱方便地进行拆卸、互换。

      刀具的破岩原理，利用刀盘高速转速产生的冲击惯性能量，通过滚刀和大横断面重型撕裂刀进行卵石、砾石和漂石的刀盘前“锤击”破碎。

但由于是在软岩地层中掘进，卵石、砾石和漂石在基岩内不能被固定，不能提供给滚刀足够的转动力矩和滚刀切岩的支撑力，导致滚刀破岩失效。

7 、 刀具配置设计时应考虑的因素

    7.1、 实际施工时会遇到各种复杂地层，地质资料提供的只是部分的钻探资料，不能完全准确反映实际地质情况，因此在进行刀具配置设计时必须考虑对地质进行充分的分析和研究，刀具配置要有一定的富余和能力储备；

    7.2、 不同的工程地质需配置不同的刀具，软土地层只需配置切削型刀具；砂卵石地层除配置切刀外，还需配置先行刀；风化岩及软硬不均地层除配置切削型刀具外，还需配置先行刀、滚刀；在复合地层中，要保证不同种类刀具相互可换性；

    7.3 、刀具配置要覆盖整个开挖断面，为保证刀盘受力均衡，运转平稳，刀具要对称性布置；切刀要正反方向布置，同时要确保每个轨迹有2把切刀；对切刀排列方式进行选择，整体连续排列或牙型交错排列；通过周边刀保证开挖直径；保证滚刀纯滚动，要考虑周边滚刀的安装角度，同时增加周边滚刀的数量；

    7.4 、刀具安装通过螺栓固定或设计转接箱，便于安装、拆装、更换和修理方便；

    7.5、  通过合理选择耐磨材料和合金镶嵌技术；对刀盘和开口槽进行耐磨处理；对加泥、加泡沫系统进行合理设计，减少刀具掘进磨损和冲击，提高刀具的耐久性，延长刀具的使用寿命；

    7.6 、适应城市繁华地区施工的需要，综合合理选择刀具种类和尺寸，确定刀具的超前量、相互高差，尽可能减少刀盘旋转刀具切削土体过程对周边土体及环境的扰动，尽量使各种刀具磨损均匀，充分发挥各种刀具的切削性能；

    7.7 、配备刀具磨损监测和报警装置，如液压式、电磁式、超声波探测式。

8、 结束语

      刀具配置关系到盾构能否顺利掘进，必须根据地质状况认真研究分析。

在盾构施工中合理的选取掘进参数（如总推力、刀具贯入度、刀盘转速、扭矩等），最大程度的延长刀具的使用寿命，减少换刀频率，降低施工中频繁换刀的风险，做好对刀具监控、分析、比较、摸索，总结刀具的使用经验，将结果反馈，指导施工。

盾构刀盘设计综述

摘 要：

最近十年来泥水盾构和土压平衡盾构得到了快速发展和广泛应用。

通过对开挖面进行可靠的支撑，这2种类型的盾构都能在地下水位以下的不稳定地层中开挖隧道。

盾构系统最重要的部分在于开挖面的开挖过程，或从工程的角度而言，最重要的部分在于刀盘和刀具的布置。

本文对泥水盾构和土压平衡盾构刀盘设计的共同点及不同点进行讨论。

关键词：

盾构；刀盘；设计

1开挖面支撑原理

   对于应用于软弱地层的盾构刀盘，应考虑以下2种情况：

（1）隧道开挖面稳定，没有涌水或者涌水很少，绝大部分在地下水位以上。

（2）隧道开挖面不稳定，涌水严重，处于地下水位以下。

   对于上述第

（1）种情况，可采用全断面（旋转刀盘）开挖或分步开挖（臂式挖掘机或悬臂式掘进机开挖）。

采用这种开挖方法，应在掘进停顿期间采用支撑挡板对开挖面进行机械支撑，或采用压缩空气对开挖面进行支撑。

   对于上述第

（2）种情况，需要在开挖期间、开挖停顿期间及人员进入开挖仓时对开挖面进行可靠的支撑。

   对开挖面进行可靠的支撑，即采用加压泥浆（泥水盾构）或改良碴土（土压平衡盾构）对开挖面进行支撑，而加压泥浆与改良碴土的不同之处在于加压支撑介质的密度不同。

支撑介质的压力是通过流量（无压缩空气的土压平衡盾构或泥水盾构）或独立的气垫（带气垫的泥水盾构，即混合盾构）控制的。

   土压平衡盾构的压力是通过开挖的碴土和注入改良材料的流量控制实现的，无压缩空气的泥水盾构的压力是通过循环的膨润土泥浆和开挖碴土的流量控制实现的。

   带压缩空气的泥水盾构的压力控制与流量无关，完全是通过空气压力控制的。

   碴土流量越高，通过流量控制压力就越困难。

与碴土流量控制无关的空气压力控制，是最快捷、最准确的压力控制方式。

   对于土压平衡盾构和泥水盾构这2种盾构，以尽可能合适的方式把支撑介质的控制压力传递到整个开挖面是极为重要的。

因此，对于没有控制的开挖面，采用封闭的刀盘把开挖面与支撑介质隔离开，是极其危险的。

在地层不稳定情况下，要想在开挖期间获得开挖面机械支撑，是不会成功的。

在任何情况下，在隧道开挖面和刀盘前面板之间都存在刀具的工作间隙。

即使把刀具的工作间隙限制到最小，也存在足够的间隙，可以造成5%或更大的潜在地层损失。

   采用土压平衡盾构或泥水盾构，在很大程度上会受地层条件的制约。

关于土压平衡盾构和泥水盾构的适用范围，许多刊物已进行了广泛讨论，在此不再赘述。

2刀盘设计的发展演变

2.1泥水盾构

   20世纪70年代末和80年代初，欧洲制造第一台带远程压缩空气的泥水盾构时，其设计原则是尽量使支撑开挖面的泥浆流体与隧道开挖面充分交换和接触。

这台盾构用于开挖地下水位以下的透水砂层和砂砾层，因此刀盘采用“星形”设计，并在轮辐中间设置方形刀具或在轮辐的外缘设置切削刀具（见图1，用于砂层、砾石层和漂石开挖）。

这种刀盘设计在砂层和砂砾层中工作效果很好，甚至在后来设计第一台混合开挖面盾构刀盘时，也在轮辐上安装了盘形滚刀。

   考虑到这种刀盘的设计原理，对于较小直径的轮辐，无法安装背装式刀具。

图1 德国汉堡HERA工程采用盾构

   对用于Grauholz工程的大直径盾构（1988年），其轮辐的横断面较大，人员可以接近轮辐，因此可以在整个断面安装全背装式刀具（见图2，用于冰碛层、磨砾层和漂石开挖）。

该原理后来应用于常压更换刀具，使轮辐内部保持常压。

这种类型的刀盘在开挖期间对开挖面的支撑效果良好，其缺点是在压缩空气条件下进入开挖仓时，开挖面大面积处于暴露状态。

图2 Grauholz隧道采用的盾构

   即使“泥膜+压缩空气”对开挖面的支撑效果很好，但是，对于工人来说，没有额外的机械防护，会形成一种“不安全感”，特别是对于直径超过6~7m的盾构。

因此，开发了可伸出的开挖面支撑面板，用于人员进入开挖仓时提供机械防护。

   1990年，首个密闭型刀盘应用于Mulheim的Ruhr隧道工程所采用的盾构（见图3，用于砂岩

和泥岩开挖），该盾构主要用于开挖硬岩地层；1991年，密闭型刀盘又应用于Strasbourg的Tramway隧道工程所采用的盾构（见图4，用于砂层和砾石层开挖），该盾构用于开挖全砂层和砾

石层。

之后，大量采用密闭型刀盘的盾构广泛应用于各种地质情况，证明泥浆支撑开挖面原理也适用于安装盘形滚刀的刀盘和密闭型刀盘。

图3 Mulheim的Ruhr隧道采用的盾构

图4 Strasbourg的Tramway隧道采用的盾构

   这些认识为盾构刀盘设计的进一步改进（如对背装式刀具的改进，尤其是对于混合地层（泥水盾

构甚至采用硬岩刀盘布置等）打开了大门。

在开发各种类型刀盘设计的同时，对泥浆循环管路进行了改进，新型泥水盾构不仅可以把泥浆注入到压缩空气仓，而且可以把泥浆注入到开挖仓内及刀盘的前

方，从而可以采用多种冲洗管路布置方法（见图5，用于冰川沉积层。

岩层和漂石开挖）。

图5 美国Portland的WestSideCSO工程采用的盾构

2.2土压平衡盾构

   土压平衡盾构的刀盘设计用于开挖透水性较低的细粒土层，因此不仅要承载用于开挖土体的刀具，而且要用作“搅拌机”来制作支撑开挖面的土膏。

由于土压平衡盾构的刀盘要具有上述双重功能，因此土压平衡盾构的刀盘大部分为密闭盘形设计，从而在隧道开挖面和刀盘前面板之间形成一级开挖和搅拌区，并在刀盘后面板和盾构压力隔板之间形成搅拌仓室。

在很软的理想地层条件下，由于碴土仅需要很少量的搅拌和改良作业，因此有时也采用“星形”刀盘。

   由于需要具有开挖和搅拌双重功能，因此对土压平衡盾构的刀盘提出了额外的设计要求，包括向刀盘前面的区域和刀盘后面的区域注入碴土改良材料及各种促使碴土流动的措施，以便对碴土的搅拌和改良过程进行优化。

实际施工中，碴土的搅拌和改良过程发挥得越好，就越容易对开挖面和沉降进行控制（见图6）。

图6 台湾台北地铁工程采用的盾构

   与上述泥水盾构一样，在碴土改良材料和施工技术取得巨大进步的基础上，土压平衡盾构的应用范围逐渐扩大到由粗颗粒组成的混合地层，甚至开挖面混合地层。

这样，盾构刀盘需要设计成安装混合刀具的刀盘，即刀盘既需要安装盘形滚刀，又需要安装开挖软弱地层的刀具，这对碴土的搅拌和流动造成困难。

   目前，一些土压平衡盾构的刀盘设计为全硬岩刀盘，以开挖从软弱地层到硬岩变化幅度很大的地层。

一般情况下，这样的盾构在硬岩区段采用敞开模式掘进，在混合地层和软弱地层区段采用闭合带压模式掘进。

   由于土压平衡盾构需要满足开挖硬岩的设计要求，因此其闭合带压模式不得不在碴土搅拌和碴土流量等方面采取妥协方案。

与在软弱地层区段采用单纯的土压平衡盾构和在这种复杂多变的地质情况下采用泥水盾构相比，采用土压平衡盾构的闭合带压模式的掘进效率低、磨损高。

3 开口和开口率

   开口率指开口面积占整个刀盘面积的百分比。

与泥水盾构相比，开口率对土压平衡盾构更为重要。

最常采用的开口率为25%~35%。

刀盘开口的大小和位置取决于下列因素：

（1）开口要足够大，以保证开挖出的位于刀盘前的预处理土料能够穿过刀盘进入后部的搅拌仓，并且不会造成大幅度的压力下降。

在搅拌仓的后壁安装压力传感器，对支撑压力进行测量。

如果要求精确的开挖面压力控制，则不允许刀盘前后的土压发生较大的波动。

过去曾在刀盘的前面板上安装压力传感器，但是其读数不很精确，不能用作土压控制的初步输入信号。

（2）单个开口的大小将限制进入搅拌仓的颗粒或漂石的大小。

其基本原则是，大多数情况下单个开口的大小应允许通过其后输送设备。

通常是螺旋输送机）的颗粒能够进入搅拌仓。

对于中、小型土压平衡盾构，由于其只能配备较小尺寸的螺旋输送机，因此这一基本原则常常会造成矛盾。

在这种情况下，通常采用格筛条来限制开口的尺寸，但是在小的进口处也易造成堵塞。

   开口的位置（即沿刀盘半径设置的开口的比率）比开口率更为重要，刀盘的中心区域是最容易堵塞的区域。

对于土压平衡盾构，在刀盘的中心区域几乎没有搅拌动力；对于泥水盾构，可以在刀盘的中心区域设置冲洗喷嘴，从而可以在一定程度上缓解这一问题。

当然，刀盘中心区域的开口比刀盘外围区域的开口更重要。

4 碴土流量

   对于泥水盾构和土压平衡盾构的刀盘而言，开挖仓内的碴土流量极为重要。

盾构在粘性土层中开挖时，刀盘或开挖仓堵塞是主要施工风险之一。

刀盘的设计在任何时候都必须避免可能造成碴土附着的“死角”或凹槽，并且刀盘的前面板和后面板都应当尽可能地平滑。

在刀盘的中心区域，刀具转速和搅拌动力很低，甚至为零，因此刀盘的中心区域尤其易发生堵塞。

   鉴于这个特殊原因，为泥水盾构开发了主动中心刀具，一些主动中心刀具还设有自身的送排泥管线，以提高刀盘中心区域的刀具转速和搅拌动力（见图7）。

采取该措施后，盾构在粘性土层中的掘进速度提高了30%，并且刀盘转矩降低了25%。

图7 荷兰Westerschelde隧道采用的设有主动中心刀具的泥水盾构

   在西班牙马德里M30工程采用的直径为15.2m的土压平衡盾构中，首次实现了采用独立中心刀盘的基本原理（见图8）。

采用直径为7m的独立中心刀盘，可以提高这台目前最大的土压平衡盾构中心刀具的转速和搅拌动力。

通过内刀盘和外刀盘以不同的方向旋转，实现与部分转矩补偿相关的额外效应。

图8 西班牙马德里M30工程采用的设有内刀盘和外刀盘的土压平衡盾构

   把刀盘设计为单向旋转，对优化碴土流动有利，但由于刀盘仅能单向旋转，因此不能用改变刀盘旋转方向的方法对盾构姿态进行纠正。

已经制造了数台用于软弱地层的刀盘单向旋转的盾构，在采用这种盾构施工时，为了抵消推进油缸偏斜所造成的力矩，必须在一定程度上把力矩传递给隧道衬砌。

这对隧道衬砌提出了额外的要求，一般采用的解决办法是采用双向旋转的刀盘。

5 漂石

   对土压平衡盾构和泥水盾构而言，穿越岩层和漂石掘进隧道都是件十分困难却很常见的事情。

在这种情况下，盾构刀盘通常既需要安装盘形滚刀，又需要安装适用于软弱地层的刀具。

根据风险评估结果和预测的漂石出现频率，确定是否在刀盘的中心区域安装盘形滚刀。

由于在刀盘的中心区域安装了盘形滚刀，因此一般情况下就无法在刀盘的中心区域设置刀盘开口，从而造成无法对碴土流动进行优化（见图9）。

图9 西班牙巴塞罗那采用的大型土压平衡盾构遇到的混合开挖面

   众多施工现场的实践经验显示，只要大的漂石适当固定在地层中，盘形滚刀就可以把大漂石开挖下来。

根据漂石的大小，隧道开挖过程为有规律的切削（如硬岩开挖）或把漂石破碎成小块。

对于盾构操作，需要认识到由于开挖面存在漂石，限制了岩层开挖所允许的最大贯入度。

当盾构开挖花岗岩漂石时，即使漂石（或岩石面）仅占开挖面的百分之几，在极端冲击荷载的作用下，开挖贯入度也不会