技术领域
[0002] 本发明涉及一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘及掘进方法，属掘进机械技术领域。
相关背景技术
[0003] 随着我国经济的迅速发展，城市地下空间开发需求日益增长，大量城市隧道工程应运而生。其中，盾构工法因其施工效率高（能够实现开挖、支护一体化施工）、隧洞成型好、对周边环境影响小等诸多优点，在城市隧道开挖中使用越来越广泛。然而，当遭遇软硬复合地层（例如南昌上部砂层-下部泥质粉砂岩的典型上软下硬复合地层）时，由于地层条件差异巨大，往往会诱发诸多问题，其中较为典型的有：当盘形滚刀由软土地层进入硬岩地层时，容易因地层岩土体刚度差异大而发生磕刀，严重的将导致刀圈崩裂、刀轴受损；不同地层岩土体中滚刀启动扭矩不同，滚刀由硬岩地层进入软土地层中时滚刀转动困难，从而造成滚刀弦磨等；单一采用切削刀或常规盘形滚刀无法较好地实现在复合地层中的高效掘进。除此之外，盾构在软硬复合地层中掘进时还存在刀盘前方掌子面稳定性问题、出渣效率问题等。因此，亟需提出一种能够适用于软硬复合地层的盾构刀盘及工作方法，从而降低掘进过程中的换刀次数、提升出渣效率，保证盾构的安全高效掘进。
[0004] 公开号CN104060995A公开了一种用于软硬不均互侵复合岩层的盾构刀盘结构，该刀盘结构包括重型刀盘、双刃中心滚刀、单刃正面滚刀、单刃周边滚刀和辅助刀等；辅助刀包括正面齿刀、铲刀和保护刀。《一种用于软硬不均互侵复合岩层的盾构刀盘结构》中并未考虑滚刀启动扭矩对盾构掘进效率的影响，即：当启动扭矩较大，常规滚刀从硬岩地层进入软土（砾砂）地层时因所能提供摩擦力不足，滚刀难以转动从而诱发弦磨；而当启动扭矩调整过小时，滚刀整体刚度下降，在硬岩地层以及软硬复合界面变刚度位置所受冲击力大，易导致滚刀松动甚至发生破坏。此外，该专利中刀盘开口率为20%-30%，当掘进地层为黏粒含量高的泥质粉砂岩地层时，不能保证渣土顺利进入土仓，从而诱发刀盘结泥饼。
具体实施方式
[0029] 如图1和图2所示，本实施例一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘，主要包括盾构刀盘1、十字形主刀梁2、副刀梁3、中心齿刀4、正面滚刀5、镶齿滚刀刀刃5-1、合金柱齿5-2、切刀6、边缘滚刀7、边缘刮刀8、固定齿刀9、超挖齿刀9-1、泡沫喷嘴10、磨损检测刀11、耐磨钢板12以及其他未列举的必要部件。
[0030] 本实施例一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘主要工作原理如下：由十字形主刀梁2和副刀梁3构成盾构刀盘1的主要承力结构。
[0031] 在十字形主刀梁1的中心部位安装8把刀高为175mm的中心齿刀4，其刀间距设置为90mm，能够有效降低常规鱼尾刀在类似地层条件下造成的大扭矩，从而减小盾构能耗、提高掘进效率。
[0032] 在十字形主刀梁2上安装20把17英寸正面滚刀5，其刀高175mm、刀间距100mm；在正面滚刀5滚压迹线前后分别布置切刀6，合计56把，其刀高140mm、刀间距150mm，通过正面滚刀5滚压硬岩、结合切刀6切削软土的综合作用，从而保证盾构在软硬复合地层中的高效掘进。
[0033] 在副刀梁3上布置22把固定齿刀9，起到辅助切削岩土体的作用；在副刀梁3上设置7把17英寸边缘滚刀7，用于破碎刀盘边缘岩土体，形成有效超挖间隙。
[0034] 在主刀梁2的端部设置8对刀高145mm的边缘刮刀8，辅助正面滚刀5和切刀6破碎掌子面岩土体。
[0035] 刀盘1开口率设置为43%，从而保证当遭遇黏粒含量较高地层时，能够有效地出渣，避免刀盘1糊泥、刀具结泥饼；在刀盘1上布置6个泡沫喷嘴10，能够根据出渣情况、渣土性质实时进行泡沫剂的添加，通过渣土改良保证出渣效果、提高盾构掘进效率；在副刀梁上安装1把磨损监测刀11，用于刀具磨损的实时监测；刀盘面板及外周分别设置10mm和50mm厚的耐磨钢板12，起到保护盾构刀盘的作用。
[0036] 本实施例一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘用于掘进时的步骤如下：（1）基于具体工程前期地质勘察资料，确定盾构穿越软硬复合地层过程中土层分布情况及具体物理力学性质指标。
[0037] （2）根据穿越地层特性确定滚刀的启动扭矩，特别地，在砂卵石地层掘进过程中滚刀启动扭矩设置值不宜大于20Nm，在泥质粉砂岩等硬岩地层掘进过程中滚刀启动扭矩设置宜在25-40Nm范围内。
[0038] （3）当穿越地层中存在上软下硬复合地层时，选择并设定为软土地层的滚刀启动扭矩。
[0039] （4）启动泡沫系统，通过泡沫喷嘴向刀盘前方喷射泡沫改良剂。
[0040] （5）启动盾构刀盘开始转动，启动螺旋输送机并启动推进模式，盾构向前推动掘进掌子面岩土体。
[0041] 本实施例的使用效果如下：某市地铁四号线3标段上沙沟站-起凤路站盾构区间施工过程中选用土压平衡盾构掘进，采用本发明中所述刀盘结构及掘进方法。盾构机在砾砂-泥质粉砂岩复合地层中实现了稳定掘进，平均掘进速度达到470环/月，其中最高掘进速度达到20环/日。掘进过程中原计划停机换刀一次，因盾构机、刀盘刀具工作状态良好，实际掘进中取消换刀，贯通后检查刀盘刀具，未出现刀盘糊泥、刀具严重偏磨等不良现象。
