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摘要：本文笔者主要分析了盾构机刀具的选型，着重对TBM通过复杂地带的施工处理措施进行了探讨，并提出了几点体会和建议，供参考。
关键词：TBM；刀具选型；处理措施；
中图分类号： TG71 文献标识码： A 文章编号：
1概述
TBM（隧道掘进机）由于其高效、安全的优越性能，近年来在隧道工程中得到愈来愈多的应用。但其对软硬不均带等不良地质条件的适应性较差。这些不良地质条件对TBM掘进会产生较大影响，不仅可能导致TBM掘进作业时间利用率降低，甚至有可能出现TBM损坏和难以顺利通过的情况。必须采取有效的措施，处理不当则会给施工带来严重后果。
2、 盾构机刀具的选型
刀具的选用是否适用于该项目的地层条件是影响使用效果的关键因素之一，因此选用刀具时首先要考虑该项目的具体地质条件。施工中各工程遇到的地层条件是千变万化的，但不管其怎样变化，其主要地质状况不外乎土层和岩石两大类或两类地层的不同组合形式。
就土层而言，是以各种沙土、粘土、填土、胶结泥等形式或者以它们的不同组合呈现在掌子面，它们的硬度都比较低，强度特性较弱，比较容易被撬动和剥落，一般抗压强度在30MPa以下，用刮削类刀具即可完成掘进施工。刮削类刀具的切削机理：刮削刀具一般是通过螺栓连接或焊接在刀盘上的，在刀盘的连续旋转带动和刀盘推力作用下， 刮削刀具的刀刃部分不断的嵌入（切割）掌子面，并对掌子面（或滚刀破碎后的渣土）通过刮刀前刀面向上和向两侧连续进行挤压撬动使掌子面剥落，剥落的的渣土沿刮刀的前刀面向两侧滑落进入清渣槽，这样使刮刀既具有切削的功能也具有装载的功能。因此刮削刀具是一种以切割力和挤压力来开挖掌子面的刀具，适用于表土层及软岩泥层（一般小于30MPa）的掘进施工。
就岩层而言，是岩石以各种不同的强度和固体形状或以它们的不同组合形式呈现在工作面，它们的强度特性较高，（常以单轴抗压强度来表达）抗压强度一般在30MPa以上，必须用滚切刀具或用滚刀和切刀的组合来完成掘进施工。由于盘形滚刀本身的滚动，其磨损速度比刮刀要慢的多。加之刀刃较窄，在刀盘的相同推力下作用于岩石上的压强要大的多，因而能破碎的岩石也比刮刀要硬得多，多数的沉积岩只用盘形滚刀就能充分破碎。现阶段盘形滚刀主要用在盾构机的刀盘上，故长期以来，盘形滚刀几乎和盾构机滚刀成为同义语。小型的盘形滚刀（≤12〞）通常是把刀刃和刀体做成一体，一般是多刃的，有的刀刃上还镶嵌硬质合金；大规格的盘形滚刀（一般为14〞—19〞）刀体和刀刃通常是分离的，可以拆装以便于刀刃磨损后更换。人们习惯上又常把刀刃称为刀圈，可更换的刀圈可以是钢刀圈，也可以是在钢刀圈上镶嵌硬质合金。这要根据地层选择，镶嵌硬质合金的刀圈（也常称为球齿刀圈）更适合特硬岩层的掘进施工。盘形滚刀的切削原理是当刀盘在纵向油缸的巨大推力作用下，使安装在刀盘上的盘形滚刀压入岩石；同时刀盘在旋转装置的驱动下给滚刀施加滚动力矩带动滚刀绕刀盘中心轴公转，在滚刀公转的同时，由于掌子面对滚刀的摩察力作用，使滚刀还绕各自的刀轴自转，这样就使得滚刀在岩面上连续滚压。刀盘施加给刀圈的推力和滚动力矩的结果是：推力使滚刀刀圈压入岩体，滚动力矩使滚刀刀圈滚压（剪切）岩体。通过滚刀刀圈对岩体的连续挤压和剪切，使安装在不同刀位的滚刀在岩面上滚切出一系列的同心园槽。（见下图
图2.2硬岩刀具切削示意图
滚刀滚压岩石的破碎效果随着推力的不同而不同。有试验证明岩石的破碎一般分为三个阶段：即研磨、疲劳破碎和有效体积破碎。
研磨：当滚刀受到的推力很小时，刀圈对岩体的挤压力远小于岩体的极限强度，岩体破碎是在摩擦力作用下引起的表面磨损。破碎的颗粒小，刀圈磨损严重，对岩体的破碎速度慢。
疲劳破碎：当滚刀受到的推力逐渐增大，但刀圈对岩体的挤压力仍小于岩体的
极限强度，通过刀圈对岩体的多次碾压下，岩层沿滚压方向会分布一定的压应力，岩体会沿压力线产生疲劳裂纹，进而发生破碎。
有效体积破碎：当滚刀受到的推力足够大，刀圈对岩体的挤压力大于岩体的极限强度时，刀刃贯入岩层使巖体产生内应力，迫使岩体产生跳跃式的裂纹直接破碎，破碎块度增大，破碎速度加快，并随刀盘压力的增加而线性增加（但受其它条件的制约，压力不能无限增大）。岩面被盘形滚刀挤压破裂而形成多道同心圆沟槽。随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，相邻同心圆沟槽间的岩石成片崩落．完成盘形滚刀的破岩过程。该工况下破岩速度快刀圈磨损小，岩石破碎过程所消耗的比能也小。实际掘进过程中，破岩效果和刀盘推力、滚刀刀圈间距、刀圈刃口型状、岩层特性等有关，很难完全达到最佳的体积破碎，往往是各个阶段都有。此外，在掘进过程中，盘形滚刀在刀盘上的运动除绕刀盘中心的切向圆周公转、滚刀自转和沿掘进方向的切深挤压运动外，还有沿刀盘径向的滑移运动，且在同样转速下半径越小滑移越大，因此滚刀正常情况下磨损最严重且容易出现弦磨的部位是靠近刀盘中心滚刀的刀圈，滚刀受到岩层的侧滑力的方向是沿半径背离刀盘轴心方向。
对于地层条件不一致的复合地层，如沙卵石地层，土层、胶泥层以及岩石层等层叠分布的地层，施工和选择刀具都是有一定困难的，这时一定要综合考虑各种地质特性，选用部分既要能适合土层、胶泥层掘进的刮刀，也要选用一部分能对付岩石层的滚刀，并交错布置刀具，互相能够补偿，充分发挥其应有的潜能。
3 通过复杂地质带的处理措施
1）掘进前
首先进行地质钻孔取芯，再结合已有的地质资料确定不良带长度以及是否存围岩软硬不均等不良地质情况。
然后根据不同情况采取不同的处理措施。对于不良情况经微的地段，对TBM不会造成影响或影响轻微时，可不进行处理，直接掘进通过；对于不良情况一般的地段，采用先掘进，再处理的办法；对于不良情况严重的地段，掘进机无法直接掘进施工时，停止掘进，用钻孔注浆设备等进行超前加固，然后钻孔取芯检查，说明可以掘进时再向前掘进；如不良情况十分严重且地段较长，一般加固无法使TBM顺利通过或采用其它方法更快速经济时，可先采用其它方法开挖成洞，TBM再跟进通过。
2）掘进时
合理选用TBM掘进参数。在不同的地质条件下，TBM所需要的推力、掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩和撑靴支撑力等掘进参数是不同的。在TBM通过围岩软硬不均带时，可适当减少TBM的掘进速度、刀盘转速等掘进参数，这样能有效地减小对围岩的挠动，从而减小或避免坍方的发生。
同时，要根据掘进中掘进参数的相对变化，了解前方围岩的变化情况（例如通过推进压力的大小可推知围岩强度情况，通过刀盘扭矩的大小可推知围岩的完整性情况），从而及时调整TBM的掘进参数或采用其它措施，使TBM快速、安全通过。
3）掘进后
根据地质情况，如判断可能发生较严重的下沉时加强支护、二次补注浆液处理。
小结
快速、安全通过对于减少投资，缩短工期有着非常重要的作用。为此我们要作好以下工作：
1）进行超前地质预报，准确预测前方不良带的情况以便采取相应措施。同时充分利用钻孔取芯的岩渣信息、地质情况等综合判断前方的地质情况。
2）工程技术人员要充分认识TBM施工开挖、管片支护的主要特点。掘进时，应根据不同的地质条件合理选用TBM掘进参数。
3）配备一套完备易于操作的二次注浆系统，对支护管片与隧道的空隙进行填充以控制变形、洞上方壁坍塌扩延。
另外，还要加强施工组织及安全管理，作好各种准备工作，如各种材料、设备的准备工作以及人员培训工作等，保证掘进、支护等工作的快速高质量完成，使TBM顺利、快速通过复杂地质带。
参考文献
1陈永华，隧道掘进机通过不良地质地段的主要技术措施，铁科院一九九二年学术报告会论文集。
2水利水电部杭州机械设计研究所，硬岩掘进机对付不良地层的设备、资料，1986年3
3周垂一（编译），掘进机通过不良地质地段的施工方法及应变措施，华东水电技术，1990年第2期。
4杨永（译），全断面隧道掘进机在不良和劣质岩层中开挖隧道，隧道译丛，1989年第6期。
5陈永华，隧道掘进机通过不良地质地段的主要技术措施，铁科院1992年学术报告会论文集
6王梦恕北方交通大学土木工程学院，TBM通过断层破碎带的技术《西部探矿工程》 2002年02期
关键词：TBM；刀具选型；处理措施；
中图分类号： TG71 文献标识码： A 文章编号：
1概述
TBM（隧道掘进机）由于其高效、安全的优越性能，近年来在隧道工程中得到愈来愈多的应用。但其对软硬不均带等不良地质条件的适应性较差。这些不良地质条件对TBM掘进会产生较大影响，不仅可能导致TBM掘进作业时间利用率降低，甚至有可能出现TBM损坏和难以顺利通过的情况。必须采取有效的措施，处理不当则会给施工带来严重后果。
2、 盾构机刀具的选型
刀具的选用是否适用于该项目的地层条件是影响使用效果的关键因素之一，因此选用刀具时首先要考虑该项目的具体地质条件。施工中各工程遇到的地层条件是千变万化的，但不管其怎样变化，其主要地质状况不外乎土层和岩石两大类或两类地层的不同组合形式。
就土层而言，是以各种沙土、粘土、填土、胶结泥等形式或者以它们的不同组合呈现在掌子面，它们的硬度都比较低，强度特性较弱，比较容易被撬动和剥落，一般抗压强度在30MPa以下，用刮削类刀具即可完成掘进施工。刮削类刀具的切削机理：刮削刀具一般是通过螺栓连接或焊接在刀盘上的，在刀盘的连续旋转带动和刀盘推力作用下， 刮削刀具的刀刃部分不断的嵌入（切割）掌子面，并对掌子面（或滚刀破碎后的渣土）通过刮刀前刀面向上和向两侧连续进行挤压撬动使掌子面剥落，剥落的的渣土沿刮刀的前刀面向两侧滑落进入清渣槽，这样使刮刀既具有切削的功能也具有装载的功能。因此刮削刀具是一种以切割力和挤压力来开挖掌子面的刀具，适用于表土层及软岩泥层（一般小于30MPa）的掘进施工。
就岩层而言，是岩石以各种不同的强度和固体形状或以它们的不同组合形式呈现在工作面，它们的强度特性较高，（常以单轴抗压强度来表达）抗压强度一般在30MPa以上，必须用滚切刀具或用滚刀和切刀的组合来完成掘进施工。由于盘形滚刀本身的滚动，其磨损速度比刮刀要慢的多。加之刀刃较窄，在刀盘的相同推力下作用于岩石上的压强要大的多，因而能破碎的岩石也比刮刀要硬得多，多数的沉积岩只用盘形滚刀就能充分破碎。现阶段盘形滚刀主要用在盾构机的刀盘上，故长期以来，盘形滚刀几乎和盾构机滚刀成为同义语。小型的盘形滚刀（≤12〞）通常是把刀刃和刀体做成一体，一般是多刃的，有的刀刃上还镶嵌硬质合金；大规格的盘形滚刀（一般为14〞—19〞）刀体和刀刃通常是分离的，可以拆装以便于刀刃磨损后更换。人们习惯上又常把刀刃称为刀圈，可更换的刀圈可以是钢刀圈，也可以是在钢刀圈上镶嵌硬质合金。这要根据地层选择，镶嵌硬质合金的刀圈（也常称为球齿刀圈）更适合特硬岩层的掘进施工。盘形滚刀的切削原理是当刀盘在纵向油缸的巨大推力作用下，使安装在刀盘上的盘形滚刀压入岩石；同时刀盘在旋转装置的驱动下给滚刀施加滚动力矩带动滚刀绕刀盘中心轴公转，在滚刀公转的同时，由于掌子面对滚刀的摩察力作用，使滚刀还绕各自的刀轴自转，这样就使得滚刀在岩面上连续滚压。刀盘施加给刀圈的推力和滚动力矩的结果是：推力使滚刀刀圈压入岩体，滚动力矩使滚刀刀圈滚压（剪切）岩体。通过滚刀刀圈对岩体的连续挤压和剪切，使安装在不同刀位的滚刀在岩面上滚切出一系列的同心园槽。（见下图
图2.2硬岩刀具切削示意图
滚刀滚压岩石的破碎效果随着推力的不同而不同。有试验证明岩石的破碎一般分为三个阶段：即研磨、疲劳破碎和有效体积破碎。
研磨：当滚刀受到的推力很小时，刀圈对岩体的挤压力远小于岩体的极限强度，岩体破碎是在摩擦力作用下引起的表面磨损。破碎的颗粒小，刀圈磨损严重，对岩体的破碎速度慢。
疲劳破碎：当滚刀受到的推力逐渐增大，但刀圈对岩体的挤压力仍小于岩体的
极限强度，通过刀圈对岩体的多次碾压下，岩层沿滚压方向会分布一定的压应力，岩体会沿压力线产生疲劳裂纹，进而发生破碎。
有效体积破碎：当滚刀受到的推力足够大，刀圈对岩体的挤压力大于岩体的极限强度时，刀刃贯入岩层使巖体产生内应力，迫使岩体产生跳跃式的裂纹直接破碎，破碎块度增大，破碎速度加快，并随刀盘压力的增加而线性增加（但受其它条件的制约，压力不能无限增大）。岩面被盘形滚刀挤压破裂而形成多道同心圆沟槽。随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，相邻同心圆沟槽间的岩石成片崩落．完成盘形滚刀的破岩过程。该工况下破岩速度快刀圈磨损小，岩石破碎过程所消耗的比能也小。实际掘进过程中，破岩效果和刀盘推力、滚刀刀圈间距、刀圈刃口型状、岩层特性等有关，很难完全达到最佳的体积破碎，往往是各个阶段都有。此外，在掘进过程中，盘形滚刀在刀盘上的运动除绕刀盘中心的切向圆周公转、滚刀自转和沿掘进方向的切深挤压运动外，还有沿刀盘径向的滑移运动，且在同样转速下半径越小滑移越大，因此滚刀正常情况下磨损最严重且容易出现弦磨的部位是靠近刀盘中心滚刀的刀圈，滚刀受到岩层的侧滑力的方向是沿半径背离刀盘轴心方向。
对于地层条件不一致的复合地层，如沙卵石地层，土层、胶泥层以及岩石层等层叠分布的地层，施工和选择刀具都是有一定困难的，这时一定要综合考虑各种地质特性，选用部分既要能适合土层、胶泥层掘进的刮刀，也要选用一部分能对付岩石层的滚刀，并交错布置刀具，互相能够补偿，充分发挥其应有的潜能。
3 通过复杂地质带的处理措施
1）掘进前
首先进行地质钻孔取芯，再结合已有的地质资料确定不良带长度以及是否存围岩软硬不均等不良地质情况。
然后根据不同情况采取不同的处理措施。对于不良情况经微的地段，对TBM不会造成影响或影响轻微时，可不进行处理，直接掘进通过；对于不良情况一般的地段，采用先掘进，再处理的办法；对于不良情况严重的地段，掘进机无法直接掘进施工时，停止掘进，用钻孔注浆设备等进行超前加固，然后钻孔取芯检查，说明可以掘进时再向前掘进；如不良情况十分严重且地段较长，一般加固无法使TBM顺利通过或采用其它方法更快速经济时，可先采用其它方法开挖成洞，TBM再跟进通过。
2）掘进时
合理选用TBM掘进参数。在不同的地质条件下，TBM所需要的推力、掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩和撑靴支撑力等掘进参数是不同的。在TBM通过围岩软硬不均带时，可适当减少TBM的掘进速度、刀盘转速等掘进参数，这样能有效地减小对围岩的挠动，从而减小或避免坍方的发生。
同时，要根据掘进中掘进参数的相对变化，了解前方围岩的变化情况（例如通过推进压力的大小可推知围岩强度情况，通过刀盘扭矩的大小可推知围岩的完整性情况），从而及时调整TBM的掘进参数或采用其它措施，使TBM快速、安全通过。
3）掘进后
根据地质情况，如判断可能发生较严重的下沉时加强支护、二次补注浆液处理。
小结
快速、安全通过对于减少投资，缩短工期有着非常重要的作用。为此我们要作好以下工作：
1）进行超前地质预报，准确预测前方不良带的情况以便采取相应措施。同时充分利用钻孔取芯的岩渣信息、地质情况等综合判断前方的地质情况。
2）工程技术人员要充分认识TBM施工开挖、管片支护的主要特点。掘进时，应根据不同的地质条件合理选用TBM掘进参数。
3）配备一套完备易于操作的二次注浆系统，对支护管片与隧道的空隙进行填充以控制变形、洞上方壁坍塌扩延。
另外，还要加强施工组织及安全管理，作好各种准备工作，如各种材料、设备的准备工作以及人员培训工作等，保证掘进、支护等工作的快速高质量完成，使TBM顺利、快速通过复杂地质带。
参考文献
1陈永华，隧道掘进机通过不良地质地段的主要技术措施，铁科院一九九二年学术报告会论文集。
2水利水电部杭州机械设计研究所，硬岩掘进机对付不良地层的设备、资料，1986年3
3周垂一（编译），掘进机通过不良地质地段的施工方法及应变措施，华东水电技术，1990年第2期。
4杨永（译），全断面隧道掘进机在不良和劣质岩层中开挖隧道，隧道译丛，1989年第6期。
5陈永华，隧道掘进机通过不良地质地段的主要技术措施，铁科院1992年学术报告会论文集
6王梦恕北方交通大学土木工程学院，TBM通过断层破碎带的技术《西部探矿工程》 2002年02期