由圖3·圖5可見，加泥式土壓平衡盾構機應用的臺數最多，工程項目應用的數量最大，適應不同地質條件(粘性土、砂性土、砂礫石甚至軟巖)的能力最強，特別是在砂礫地層(最大粒徑超過5mmm)中的應用占絕對優(yōu)勢。為進一步分析判斷，筆者對國內各大城市地鐵工程應用盾構機的機型也進行了調查，結果如表1所示。由表1可清楚地看出，無論南方還是北方，國內地鐵隧道工程使用的盾構機型均以加泥式土壓平衡盾構機型（含復合式）為主。盡管應用的地域或范圍較廣泛，地質條件相差較大，但據調查，該類機型均能較好地適應和順利地完成地鐵隧道的施工。可見，國內地鐵工程盾構機的應用實踐，也證明了加泥式土壓平衡盾構機具有良好的適應性。筆者進一步對泥水式平衡盾構機和加泥式土壓平衡盾構機的主要特性進行了比較，其內容與結果詳見表2。根據國外與國內盾構機實際應用現(xiàn)狀和兩種機型技術特性的比較結果，筆者認為，對于北京市地鐵隧道盾構法施工，加泥式土壓平衡盾構機的技術經濟比較合理，選型時宜優(yōu)先考慮。6加泥式土壓平衡盾構機的基本技術（配置）前節(jié)已詳細闡明了采用加泥式土壓平衡盾構機技術經濟的合理性，下面針對北京市地鐵隧道工程，筆者試提出盾構機的基本技術(配置)選擇和要求。6.1盾構機刀盤形式盾構機刀盤形式按照工程地質條件和施工控制要求，大致可分為面板式和輻條式(復合式刀盤由這兩種形式派生而出)刀盤兩種形式。針對北京的地質條件以及目前地鐵隧道埋深不超過25m的情況，采用什么形式的刀盤將直接影響盾構機的掘進效果，而且造價相差約為盾構機造價的4％～8％。因此筆者對兩種型式的刀盤特性進行了比較。比較結果表明，采用輻條式刀盤既能滿足工程施工需要，保證有較好的掘進性能，又能節(jié)省設備投資(比較結果詳見表3)。6.2構機刀盤驅動方式刀盤驅動方式是盾構機的重要組成部分，其承擔驅動刀盤旋轉切削開挖面土體攪拌密封艙內土體的任務。刀盤驅動系統(tǒng)也是盾構機內務系統(tǒng)中消耗功率較大的設備之一。過去為了保證刀盤旋轉切削土體的能力和效果，盾構機刀盤驅動方式多設計為液壓驅動。但隨著變頻電機技術的不斷發(fā)展，逐漸在盾構機的設計中被采用，而且由于其具有明顯的技術優(yōu)勢，同時價格也在逐年下降，應用于盾構機呈不斷擴大的趨勢。筆者從盾構機刀盤驅動效串的高低，后續(xù)配備設備的多少，設備維護、保養(yǎng)的難易以及作業(yè)人員工作環(huán)境的優(yōu)劣等方面綜合考慮，認為北京地區(qū)隧道施工用盾構機，其刀盤的驅動方式以采用變頻電機驅動方式為好。盾構機刀盤驅動方式特性比較見表4。6.3盾構機刀盤支撐方式盾構機刀盤支撐方式如圖6所示，一般有中心支撐，中間支撐和周邊支撐三種方式。采用何種方式，主要依據盾構機的直徑和工程的地質條件。中心支撐方式主要用于中小直徑(直徑≤φ7.5m以下)的盾構機，其對地質條件的適應性較好．中間支撐方式則主要用于中大直徑(直徑在Φ4.5～φ17.4m之間，有工程實績)的盾構機，當直徑不太大、地質條件為粘性土時，刀盤采用中間支撐方式易在支撐的中心部分粘附，并逐漸擴大形成俗稱"泥餅"的現(xiàn)象，造成出土不暢與盾構機的阻力增大。因北京市有大量的粘土層，若盾構機刀盤采用中間支撐方式，需對此給予充分注意和采取有效對策。周邊支撐方式則比較靈活，即可用于小直徑盾構機，也可用于大直徑盾構機，但也同樣存在刀盤支撐位置處易于粘附的問題，需要采取相應的解決措施。上述三種盾構機刀盤支撐方式中，前兩種目前在盾構機中廣泛應用，后一種使用尚不多。故筆者僅對中心支撐方式與中間支撐方式進行比較。根據筆者盾構法隧道的施工經驗，以及查閱有關技術資料和與盾構機制造商進行專題研討，對于外徑為46.50m左右的盾構機，單就刀盤支撐結構的強度(含剛度)而言，盾構機刀盤采用中心支撐方式或中間支撐方式均能滿足北京地區(qū)隧道施工要。但是針對北京地鐵隧道的規(guī)劃線路和可能碰到的地質條件，這兩種支撐方式對盾構機密封艙內切削土體的攪拌狀態(tài)(反映切削土體在密封艙內的流動特性與平衡土壓力的控制效果)、刀盤密封性能(反映主軸的使用壽命)等方面有較大的差異，若處理不當，會對盾構機的使用造成不利影響。筆者結合北京市地質情況，對前述兩個方面進行了比較。6.3.1盾構機密封艙內切削土體攪拌狀態(tài)(1)中間支撐方式如圖7所示，由于中心支座的存在，將盾構機密封艙分隔成兩個區(qū)域，中心區(qū)域直徑約為3.5m，占密封艙內相當大的空間。當刀盤旋轉切削土體時，支座中心區(qū)域以外部分的土體流動順暢，易于攪拌；中心區(qū)域內的土體流動較差，當切削土體粘性較大或者所加泥漿攪拌不良并長期積聚于中心區(qū)域時，中心區(qū)域土體逐漸增多最終形成"泥餅"，完全喪失流動性。內外兩個區(qū)域的土體流動性差異較大，土體攪拌混合的效果難以確保。綜上所述，刀盤采用中間支撐方式的盾構機在粘性土(包括粉細砂)中施工時，若處理不好，密封艙內切削土體攪拌效果不易滿足要求，并可能會因粘附堵塞形成"泥餅"，造成出土不暢、阻力增大、開挖面土壓控制不穩(wěn)定。因而，盾構機掘進效果受到影響，且對控制地面沉降不利。(2)中心支撐方式

 

如圖8所示，盾構機刀盤旋轉切削土體時，密封艙內土體的流動空間和被直接攪拌的范圍大，土體流動順暢，土體攪拌混合效果良好，引起堵塞的可能性較小，開挖面土壓控制穩(wěn)定。因而，盾構機掘進效果較好，改善了盾構機控制地面沉降的性能。6.3.2盾構機刀盤密封性能盾構機向前掘進時，其刀盤一方面旋轉切削土體．一方面隨著盾構機向前方頂進。中心支撐主軸和中間支撐主軸轉動圈外周是不同的，即在相同轉速下，密封材料所密封的長度不同。因而在相同密封材料、相同密封方式、相同掘進長度以及相同掘進速度的條件下，對密封系統(tǒng)的磨耗完全不同(詳見圖9)。按照盾構機刀盤的轉速和盾構機推進速度的計算公式，可以求出兩者差異。計算公式如下：(5)式表明，中心支撐的主軸轉動圈外周長度僅為中間支撐的0.3倍，因此就密封系統(tǒng)的使用壽命而言，盾構機刀盤采用中心支撐比采用中間支撐有利。根據比較與分析結果，從①盾構機密封艙內的土體的攪拌效果，確保在粘土、砂、砂卵石地層中推進均不易發(fā)生粘附堵塞；②開挖面平衡土壓控制穩(wěn)定，地面沉降控制效果良好；③可延長盾構機的使用壽命，降低工程造價等方面綜合考慮，筆者認為盾構機刀盤支撐方式采用中心支撐方式優(yōu)于中間支撐方式。6.4加泥及加泡沫系統(tǒng)加泥系統(tǒng)是加泥式土壓平衡盾構機的基本配置。正是采用該系統(tǒng)，對于不同地質的條件，通過添加塑流化改性材料，改善盾構機密封艙內切削土體的塑流性，既可實現(xiàn)平衡開挖面水、土壓力又能向外順暢排土，大大拓寬了盾構機的適應范圍。北京市東邊大部分地區(qū)應用盾構法施工時，僅采用加泥系統(tǒng)就可滿足隧道施工的要求。由于北京市地鐵規(guī)劃所穿越地層有大量的砂土及砂卵石地層，而且不少地區(qū)地下水位較低，甚至隧道穿越無水砂卵石地層，根據筆者的經驗，盾構機在這種地質環(huán)境中掘進時，僅考慮采用加泥措施來改善切削土體流動性往往效果不佳，密封艙內切削土體寓析嚴重，盾構機經常堵塞不能正常掘進，而且加泥量過大掘進效率降低，施工費用增加。為適應前述地質環(huán)境的施工，可在加泥的基礎上增加泡沫系統(tǒng)。利用加入泡沫改善土體粒狀構造，吸附在土體顆粒之間的氣泡可以減少土體顆粒的摩擦，增加切削土體的粘聚力，同時降低土體滲透性，達到既能平衡開挖面土壓又能連續(xù)向外順暢排土的目的。我集團公司在北京市無水砂卵石地層施工時，根據地質的變化，加泥或加泡沫或同時加入泥漿和泡沫的混合液，施工效果良好。6.5螺旋輸送機螺旋輸送機是加泥式土壓平衡盾構機的重要組成部分，主要有以下三個功能：(1)將盾構機密封艙內開挖出來的土體向外連續(xù)排出。(2)切削土體在螺旋輸送機內向外排出過程中形成密封土塞，阻止土體中的水分散失，保持密封艙內土壓穩(wěn)定。(3)將盾構機密封艙內土壓值的高低，自動(也可手動)與設定土壓值比較，隨時調整向外排土速度，控制盾構機密封艙內實現(xiàn)連續(xù)的動態(tài)土壓平衡過程，確保盾構機連續(xù)正常向前掘進。根據螺旋輸送機的構造不同，可分為有中心軸的螺旋桿式螺旋輸送機和無中心軸的帶式螺旋輸送機。比較國內外盾構法施工的業(yè)績，可認為前者適用于一般性土、砂運輸，后者適用于較大顆粒的砂卵石和塊石的運輸。雖然目前國內在盾構機用帶式螺旋運輸機的加工制造方面經驗不多、技術尚不成熟，但國外已經大量采用，有相當豐富的設計和施工經驗。對于北京市地鐵隧道施工，必然要遇到砂土層和砂卵石地層，同時還可能遇到少量的大顆粒卵石或漂石，為盡可能增加盾構機最大排出卵石(礫石)的能力，宜采用帶式螺旋運輸機。6.6皮帶運輸機皮帶運輸機與螺旋箱送機相接，盾構機密封艙內切削土體由螺旋輸送機向外排出后，經皮帶運輸機輸送到出碴斗車，再運往工作豎井外。盾構機設計時，皮帶運輸機一方面向外運土，另一方面兼作吊運管片的承重結構。因此，皮帶運輸機的長度要根據水平出土運輸的施工組織而定，地鐵施工用皮帶運輸機的長度一般為40m左右；另外，皮帶運輸機的托架必須滿足吊運5000kg的要求。6.7壁后同步注漿系統(tǒng)隨著盾構機技術的不斷應用和發(fā)展，廣大工程技術人員逐漸深刻地認識到壁后注漿技術在盾構法隧道施工中的重要作用，若進行歸納，可以指出有以下幾個作用：(1)同步填充盾構機向前推進過程中管片逐漸脫出盾尾所產生的間隙(簡稱盾尾間隙，一般在60～100mm之間)。(2)改善管片結構防水和抗?jié)B性能。(3)促進隧道管片結構及早穩(wěn)定。(4)限制隧道結構蛇行。壁后同步注漿最重要的作用是第一項，盾構法隧道施工中能否及時填充盾尾間隙，是控制土體沉降的關鍵。針對北京市地質條件、地鐵隧道的埋深和隧道穿越地區(qū)地面建筑物的狀況，筆者認為，盾構機同步注漿系統(tǒng)應具備單(包括惰性)、雙液注漿的功能，才能可靠有效地控制地面沉降，確保地面建筑物的安全。當隧道覆土深度不大、地面建筑物結構性差、沉降控制要求嚴格、以及隧道穿越地層地質不良、穩(wěn)定性差時，必須采用壁后同步雙液注漿。所注入漿液不僅要求能夠同步及時填滿整個盾尾間隙，而且要求漿液迅速固結達到設計強度，滿足抵抗土體變形下沉的需要；當施工環(huán)境條件與前相反時，則可采用壁后同步單液(包括惰性)注漿，也能達到及時飽滿填充盾尾間隙的要求和控制沉降的目的，這樣做，技術經濟上比較合理。6.8盾尾密封系統(tǒng)盾構機盾尾密封系統(tǒng)是盾構機正常掘進的關鍵系統(tǒng)之一。追溯盾構機的應用實踐，盾構法隧道施工所發(fā)生的安全事故常常不在盾構機頭而在盾尾。盾構機盾尾密封一般有剛性密封和柔性密封。由于剛性密封對管片生產和管片拼裝質量要求較高，逐漸被柔性密封取代。對于北京地區(qū)的具體情況，盾構機采用內注密封油脂式鋼絲刷柔性密封系統(tǒng)即可滿足隧道施工要求。鋼絲刷密封系統(tǒng)柔度適中，適應性強，對管片及管片拼裝質量要求一般。盾構機掘進時，向盾尾連續(xù)注入優(yōu)質盾尾密封油脂，可保證在0.5MPa的壓力下，盾尾不會出現(xiàn)滲漏水和滲漏泥漿。6.9管片正圓器在直徑大于5m以上的盾構法隧道中，拼裝完好的管片在脫出盾尾后會產生下沉變形，影響管片最終拼裝質量。由于北京地區(qū)隧道施工要求較高，為保證管片在脫出盾尾后的最終拼裝質量，建議采用管片正圓器對管片變形進行矯正和限制。根據筆者經驗，上下支撐式管片正圓器正圓效果較好，其示意見圖10。6.10數據采集系統(tǒng)與監(jiān)控管理系統(tǒng)為提高盾構機施工技術水平，國外已開發(fā)出性能優(yōu)越的管理軟件，其中盾構機挖掘數據管理軟件是應用最廣泛的軟件系統(tǒng)。采用此系統(tǒng)，可輸出周報、日報、環(huán)報以及掘進100mm為單位的挖掘管理數據；有各種參數設定、測量、掘進、報警以及歷史曲線和動態(tài)曲線等施工應用畫面；所有采集數據均能保存下來，供日后分析和判斷。6.11全自動監(jiān)測與導向系統(tǒng)隨時掌握與分析盾構機在掘進過程的各種參數，是現(xiàn)代盾構機技術的一個主要部分，也是指導盾構機實現(xiàn)正常、順利掘進不可缺少的條件。如6.10節(jié)所述，先進的盾構機推進技術數據采集系統(tǒng)與監(jiān)控管理系統(tǒng)是目前盾構機的基本配置。為更好地把握盾構機推進的各種狀態(tài)，筆者注意到日本最新開發(fā)出的盾構機全自動監(jiān)測與導向新技術。這一套配有高精度陀螺儀的全自動監(jiān)測與導向系統(tǒng)擁有以下功能：(1)自動監(jiān)削掘進過程中盾構機的各種狀態(tài)，包括盾構機的傾斜、轉動、方位及位置。(2)將(1)項中監(jiān)測數據全部收集、顯示、打印與保存。(3)自動監(jiān)測結果可隨時與事先輔入的數據，如隧道設計軸線進行比較。(4)自動監(jiān)測結果可以和盾構機的其他推進技術參數同屏顯示。若采用這套全自動監(jiān)測系統(tǒng)，無論是具體的操作人員還是工程管理技術人員都能在各自的位置上隨時掌握盾構機掘進的各種狀態(tài)，可以與事前輸入的隧道軸線相比較，也可以隨時對有關參數進行調整。經詢價，該系統(tǒng)價格不高，因而我集團公司在購買φ6.14m盾構機時，引進了這套系統(tǒng)，使我集團公司的盾構機在操作性能和控制技術得到大大提高。6.12盾尾間隙自動測量系統(tǒng)按照目前盾構機盾尾密封結構的設計思想，盾構機一般均存在盾尾間隙。間隙的大小則根據盾構法隧道曲線段施工曲率半徑的大小、管片安裝所需空間以及管片安裝不當出現(xiàn)蛇行(此項目與施工隊伍的施工技術水平有關)等因素來確定。為盡可能排除或減少盾構機掘進過程中盾尾間隙處出現(xiàn)管片外周與盾殼內側相互擠壓，降低推進阻力，進一步提高管片拼裝質量，筆者建議為盾構機增加一項盾尾間隙自動測量系統(tǒng)，其價格不貴但使用效果較好。采用盾尾間隙自動測量系統(tǒng)，在施工中可自動連續(xù)測量盾尾間隙的大小，適時判斷管片與盾尾之間的相對位置，并與其他盾構機推進技術參數結合，達到綜合控制盾構機姿態(tài)的目的。盾尾間隙自動測量示意見圖1l。6.13球面壓力傳感器控制開挖面土壓平衡的土壓計，是盾構機實現(xiàn)土壓平衡控制的關鍵元件之一，其精度一般較高。但在砂卵石地層中施工時，粒徑較大的砂卵石，頻繁撞擊土壓計，對土壓計的質量要求很高。為防止土壓計失效，筆者建議將其設計為球面壓力傳感器，施工中萬一出現(xiàn)損壞，可以在機內進行壓力計的更換。球面壓力傳感器更換示意見圖12。7北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構機的幾個關鍵問題7.1盾構機刀盤扭矩系數盾構機刀盤扭矩系數(α)是盾構機設計時一個重要參數，其值選用是否得當直接關系到盾構機能否正常掘進。眾所周知，影響盾構機刀盤扭矩的因素較多，在此不贅述。根據日本《隧道標準規(guī)范(盾構篇)及解釋》中有關盾構機設備部分的內容，盾構機刀盤裝配扭矩M可用以下簡化式計算：式中M-盾構機裝備扭矩/(kN.m)α-扭矩系數D-盾構機外徑對于加泥式土壓平衡盾構機，日本經過大量工程實踐已給出的經驗值，取值范圍在8～23之間。根據北京市地質條件，以及我集團公司在北京市砂卵石地層采用盾構法施工近8km的實際經驗，筆者認為砂土地層，特別是在砂卵石地層中盾構機刀盤旋轉切削圍巖(砂卵石)時，盾構機刀盤扭矩較大，施工中常出現(xiàn)刀盤扭矩瞬間過大的現(xiàn)象。很有必要結合北京市地質條件的特點，對日本提出的值進行調整。經與日本盾構機制造商進行技術交流和爭論，取得共識。認為將盾構機刀盤最大扭矩系數值提高到25以上，不僅更適應北京地區(qū)砂卵石地層的隧道施工，也間接提高了盾構機的使用壽命，技術經濟更為合理。7.2刀具布置和刀具形狀刀具布置和刀具形狀在盾構機設計中是非常重要的內容。刀具布置方式及刀具形狀是否適合應用工程的地質條件，直接影響盾構機的切削效果、出土狀況和掘進速度。7.2.1刀具布置對于全斷面切削的輻條式刀盤，從盾構機的發(fā)展歷史看，刀具布置有兩種方式：第一種為刀具整體連續(xù)排列方式，因其切削阻力較大，盾構機密封艙內土體流動性差，現(xiàn)已很少使用，僅偶爾在切削阻力小的淤泥質地層中采用；第二種為刀具牙型交錯連續(xù)排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封艙內土體流動性好和易攪拌而被廣泛使用。目前世界上基本均采用牙型交錯連續(xù)排列方式。我集團公司采購的盾構機，其刀具布置就是采用該方式。兩種刀具布置方式見圖13。根據北京市地鐵隧道施工中可能碰到的三種主要地質條件，刀具布置時應按照牙型交錯連續(xù)排列的原理，確保盾構機刀具的切削軌跡布滿開挖全斷面；另針對不同切削要求(包括不同地質的要求)，需設置切削刀、超前刀、盤圈貝型刀、魚尾刀、仿型刀等幾種刀具。按照各種刀具的特點及作用，經過分析比較，各種刀具可采用圖14的布置方式。7.2.2刀具形狀及其作用如前所述，刀具的形狀必須適應施工地質的特點，并且刀具在切削斷面不同的位置其作用及要求均不同，因此應對刀具進行設計。針對北京地鐵隧道穿越三種主要地層的特點，刀具設計時應考慮以下幾個要素。①刀具在砂、砂卵石地層中的切削效率，即如何減少切削阻力，保證切削土體的流動性。②通過刀具形狀的改變，減少刀具掘進磨損，提高刀具的耐久性。③適應城市繁華地區(qū)施工的需要，盡可能減少刀盤旋轉刀具切削土體過程對周邊土體及環(huán)境的干擾，如振動、噪音等。④如何從材料和設計方面，對解決盾構機在砂卵石地層掘進時刀具的磨損(包括撞擊掉塊等)提出切實可行的措施，保證盾構機刀具長距離掘進的可靠性。(1)刀具的類型及切削原理目前盾構機刀具按切削原理劃分，一般公認有滾刀和切削刀兩種類型(根據隧道圍巖性質不同、切削目的不同，這兩類刀具還可進一步細分)。滾刀的切削原理主要是刀具依靠擠壓破巖，一般用于巖石隧道的掘進。當雖然穿越松散地層但有大粒徑的礫石(粒徑大于400mm)、并且含量達到一定比例時，也可采用滾刀型刀具。另在隧道地質條件復雜多變、巖石(強度不算太高)與一般土體(或粘土或砂土)交錯頻繁出現(xiàn)的情況，也有可能采用滾刀型刀具，即在復合式盾構機中采用。北京地區(qū)一般不需要采用滾刀型刀具，至少在西四環(huán)向東的北京市大部分地區(qū)不需要。切削刀的切削原理則主要是盾構機向前推進的同時，刀具隨刀盤旋轉對開挖面土體產生軸向(沿隧道前進方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉切線方向)切削力，不斷將開挖面前方土體切削下來。切削刀一般適用于粒徑小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散體地層。(2)主要刀具形狀及作用①切削刀切削刀是盾構機切削開挖面土體的主刀具，切削刀一般形狀如圖15所示。一般情況下，β(前角)與α(后角)值隨切削地層特性不同變化，取值范圍在5°～20°之間，粘土地層稍大，砂卵石地層稍小。針對北京市地層特點，β(前角)和α(后角)值建議采用15°。切削刀切削土體的示意見圖16。②超前刀(也稱先行刀)顧名思義，超前刀即為先行切削土體的刀具。超前刀在設計中主要考慮與切削刀組合協(xié)同工作。刀具切削土體時，超前刀在切削刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切削刀創(chuàng)造良好的切削條件。據其作用與目的，超前刀斷面一般比切削刀斷面小。采用超前刀，一般可顯著增加切削土體的流動性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，減少切削刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層使用效果十分明顯。超前刀刀具形狀及與切削刀協(xié)同切削土體的示意見圖17。③盤圈貝型刀盤圈貝型刀實質上是超前刀，盾構機穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時，若采用滾刀型刀具，因土體屑松散體，在滾刀掘進擠壓下會產生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時甚至喪失切削破碎能力。針對北京市大粒徑砂卵石地層的特性，根據筆者在日本的施工經驗，建議采用盤圈貝型刀，將其布置在刀盤盤圈前端面，專用于切削砂卵石。采用盤圈貝型刀可較好地解決盾構機切削土體(砂卵石)的難題。盤圈貝型刀示意見圖18。④魚尾刀采用大刀盤全斷面切削土體，布置在幅條上不同位置的切削刀，從刀盤外周至中心，運動圓月逐漸減小，中心點理論上可以視為零。換言之密封艙內切削土體的運動長度也是由外至內逐漸變小，相應土體流動狀態(tài)也是越來越差。而且中心支撐部位(直徑約1.5m)不能布置切削刀，為改善中心部位土體的切削和攪拌效果，可考慮在中心部位設計一把尺寸較大的魚尾刀(詳見魚尾刀切削土體示意圖19)。根據經驗，色尾刀的設計和布置可應用兩個技巧：其一讓盾構機分兩步切削土體，利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面(直徑約1.5m)土體，而后擴大到全斷面切削土體，即將魚尾刀設計與其他切削刀不在一個平面上，一般魚尾刀超前600mm左右，保證魚尾刀最先切削土體；其二是將魚尾刀根部設計成錐形，使刀盤旋轉時隨魚尾刀切削下來的土體，在切向、徑向運動的基礎上，又增加一項翻轉運動(如同犁地一般)：這樣既可解決中心部分土體的切削問題和改善切削土體的流動性，又大大提高盾構機整體掘進水平。⑤仿形刀盾構機一般設計兩把仿形刀(一把備用)，布置在輻條的兩端。施工時，可以根據超挖多少和超挖范圍的要求，從輻條兩端徑向伸出和縮回仿形刀，達到仿彤切削的目的。仿形刀伸出最大值一般在80～130mm之間。盾構機在曲線段推進、轉彎或糾偏時，通過仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構機在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下，實現(xiàn)曲線推進和順利轉彎及糾偏，因而盾構機需設置仿形刀。7.3轉彎及糾偏鉸接機構經過統(tǒng)計，地鐵施工用盾構機的靈敏系數(機長/外徑)一般不大于1.5，不用鉸接機構也能滿足轉彎和糾偏的需要。但考慮到在北京市內施工控制地面沉降的要求較高，施工中可能有(或已碰到)障礙物，需要提前(或盡量減少與障礙物相撞的范圍)繞開障礙物，需要轉彎(甚至較小半徑轉彎)掘進。此時使用鉸接機構，可以比較容易地實現(xiàn)轉彎和減少對盾構機周邊土體的擾動，對控制沉降有利。用轉彎及糾偏鉸接機構，還可以依據曲線隧道的有使關參數，預先計算出每段曲線中每環(huán)管片應該轉動的角度，盾構機曲線推進前啟動鉸接機構，使之符合曲線前進方向的要求，限定盾構機在設定的曲線上推進。為增強盾構機轉彎功能，以適應北京地鐵隧道施工的需要，應為盾構機配備轉彎及糾偏鉸接機構。7.4洞內超前注漿加固隧道前方土體及氣壓封閉開挖面系統(tǒng)(1)氣壓封閉開挖面系統(tǒng)在北京市采用密閉式盾構機掘進施工時，掘進前方若碰到障礙物，一般不易處理，但施工中很難避免。為此，宜在盾構機設計階段，考慮與人孔結合，配備氣壓艙。一旦遇到異常情況(如障礙物等)不能由地面進行處理時，可在隧道內進入盾構機密封艙里進行處理。(2)洞內超前注漿加固隧道前方土體系統(tǒng)當盾構法隧道穿越地段的地面建筑物的基礎結構較差，或建筑物特別重要時，對盾構機控制沉降的性能要求很高。特別是對于隧道前進方向有重要構筑物(如已運行地鐵、油庫等)相鄰以及土體由于城市特殊水的原因變軟，或有大量不規(guī)則空隙的情況，筆者認為還應考慮在隧道內對開挖面前方土體注漿加固的輔助措施，即在盾構機內預先設計多個注漿加固孔(按可全斷面注漿的要求設計)，同時配備盾構機內專用注漿設備，一旦施工需要，立即安裝注漿設備，對開挖面前方土體實施超前注漿加固。設計超前注漿深度一般為3～4m，最大注漿加固土體斷面直徑可達12m。盾構機內超前注漿加固土體見圖20。盾構機掘進施工時，可以根據遇到的不同情況，單獨應用機內超前注漿加固土體系統(tǒng)和氣壓密封系統(tǒng)，還可將兩者聯(lián)合使用，以進一步提高隧道施工的安全性和可靠性。7.5盾構機總推力及分區(qū)油壓控制系統(tǒng)根據日本資料，盾構機的總推力與開挖面的土壓阻力、盾構機外圓周摩擦等6個因素有關。在設計盾構機時，一般在考慮6個因素的基礎上，增加一定比例的富余推力。根據我集團公司在北京市砂卵石地區(qū)盾構法施工的經驗，推進阻力較大。為滿足北京地區(qū)砂卵石地層隧道施工盾構機推力的需要，盾構機的總推力宜適當增大，達到盾構機掘進斷面單位面積上推力大于1200kN(即盾構機總推力/盾構機外徑圓面積)較為合適。推進系統(tǒng)為盾構機向前掘進提供動力，直線段掘進時，推進千斤頂的合力理論上應在盾構機的軸心；曲線段掘進時，推進千斤頂的推進合力作用點則應該位于最有利于盾構機曲線掘進的位置上(盾構機加工制造時千斤頂位置已固定的條件下進行調鏈)。盾構機在推進施工時，為控制出現(xiàn)較大偏差，推進操作時實際上是隨時在對盾構機的態(tài)勢進行糾偏和調整。為便于推進千斤頂分區(qū)編組或自由編組，實現(xiàn)適時糾偏，盾構機推進系統(tǒng)應設計為分區(qū)油壓控制，確保推進千斤頂的合力滿足曲線掘進及糾偏的要求。7.6屑構機在砂卵石地層掘進的耐磨損(耗)措施根據我集團公司在北京市砂卵石地層進行盾構法施工的經驗，北京地區(qū)砂卵石地層中采用盾構法施工時，盾構機的刀盤、刀具、密封艙內壁以及螺旋輸送機的磨損(耗)比較大，特別是在石英砂含量較多、卵石(礫石)粒徑較大的情況下，磨損極為嚴重。為保證盾構機在砂卵石地層掘進時刀具切削正常，實現(xiàn)長距離掘進，筆者查閱國內外有關刊物關于砂卵石地層施工的技術資料，并請教國內外有關盾構技術專家，提出盾構機設計時應采取以下措施。(1)使用耐磨及韌性好的礦用刀具材料，除在刀具刀口部分考慮嵌入超硬材料(如碳化鎢合金等)外，切削土砂(卵石)沿刀具向后流動所經過的刀具表面也適當給予加強。(2)考慮采用主副刀聯(lián)合切削土體，設計主副切削刀(主副超前刀)。其基本思想是利用主副刀不同的切削高度差(高差值約為20mm，可經過磨損計算確定)，延長刀具使用壽命。當主切削刀(主超前刀)的高度磨損大于20mm后，副切削刀(副超前刀)開始工作。這樣．延長了刀具的磨損長度，大大提高了刀具整體抗磨損(耗)能力。圖21為主副切削刀布置示意圖。(3)在盾構機刀盤盤圈后端、密封艙內壁以及螺旋輸送機內均采用耐磨材料，并考慮便于維修和更換的措施。7.7減少屑構機推進阻力的措施根據不同地質條件，以及N(標準貫人錘擊數)值的大小，切削刀最大切削軌跡外徑、刀盤盤圈外徑和盾構機外徑三者的尺寸之間有細微的差別，若處理不當，將增大推進阻力，給盾構機整機推進性能帶來較大影響，其原因在此不贅述。針對北京地區(qū)地層特點，筆者認為為減少盾構機推進阻力，除盾構機設有加泥加泡沫系統(tǒng)外，還應采用以下兩項措施：(1)設計主切削刀最大切削軌跡外徑略大于盾構機外徑，既減少盾構機刀盤盤圈和盾構機外周的摩擦阻力，又不會影響盾構機控制土體沉降的能力和效果。(2)調整刀具切削土體深度，合理設置刀盤盤圈刀具(貝型刀)，喊少切削阻力。根據刀盤盤圈刀具切人土體深度的計算公式，可計算出刀具切人土體的深度(表5)。由表5可知，刀具布置可顯著影響刀具切削土體的深度。為減少推進阻力、切削噪音和切削振動，應選擇合適的刀具切削深度。根據筆者經驗，盾構機高速推進時，切削深度以10～15mm為好；一般速度推進時，切削深度則以4～8mm為好。故在刀盤盤圈上布置5～7把刀具較為理想。8結語隨著北京市申奧成功，北京市對整個城市的交通體系重新進行了規(guī)劃，確立了以軌道交通為今后重點發(fā)展的思路。北京市的軌道交通遠期規(guī)劃已達1000km以上，僅2008年以前就要完成近200km的軌道工程的建設任務，隧道工程量巨大。而盾構施工技術以其對城市環(huán)境影響小、隧道工程質量易于保證以及施工速度快等優(yōu)勢，必然在今后的城市隧道施工中被大量采用。盾構機作為盾構法施工的大型專用機械設備，其選型正確與否，無論是對于盾構施工的技術水平，還是對于盾構施工的成本和效益，均起著舉足輕重的關鍵作用。因此，應高度重視盾構機的選型工作。對于北京地區(qū)隧道施工用盾構機的選型，因筆者較早涉及，有一點體會和摸索了一點經驗，本文作為拋磚引玉，希望與國內同行探討和共同做好此項工作。另外，北京市在奧運會之前，計劃建設地鐵五號線、四號線、十號線、九號線以及奧運支線等地鐵線路，工程開工強度大。為滿足隧道施工的需要，筆者估計，近幾年剛北京市至少需要10～15臺盾構機。根據筆者三年多在北京市盾構施工(以及機械化頂管施工)的經驗，施工企業(yè)、國內大型重工業(yè)企業(yè)和科研單位攜起手來，共同開發(fā)盾構機，我國一定能設計和制造出適應北京地區(qū)地質條件的盾構機，為北京市乃至全國的地鐵建設作出貢獻。參考文獻

 

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