一种复合地层盾构掘进施工方法技术领域
本发明属于掘进施工方法技术领域，具体涉及一种复合地层盾构掘进施工方法。
背景技术
在大直径盾构硬岩施工中，对刀盘的合理设计是保证施工进度和施工成本的关键
性因素。刀盘刀具是掘进过程中实现破碎剥离岩土、渣土过流、界面支护功能的关键部件。
刀盘刀具的设计技术是土压平衡盾构机的核心技术之一。盾构在地下开挖中会遇到各种不
同地层，从淤泥、黏土、砂层到软岩及硬岩等，复杂地条件下介质物理参数随机变化且差异
极大，加之多场耦合作用，使得刀盘受力状态变化剧烈，刀盘系统的切削状况和受力状态极
其复杂。刀具布局、刀盘构型、开口位置、开口率等刀盘设计结构直接影响刀盘刀具发热、磨
损、切削效率和可靠性，而刀具布局与开口位置的相互制约更增大了刀盘的设计难度。因此
如何保证刀盘的使用寿命及地层适应性是盾构施工掘进所必须解决的关键问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种复合地层
盾构掘进施工方法，其结构简单、设计合理，根据复合地层的变化，合理选取盾构机，正确选
取掘进参数，延长刀盘的使用寿命，提高刀盘对复合地层的适应性，保证盾构施工安全、快
速、经济的进行，使用操作方便，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种复合地层盾构掘进施工方
法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、复合地层地质勘探：通过在复合地层上钻孔，探明复合地层的地质状况；
步骤二、根据复合底层地质情况选取盾构刀具，包括以下步骤：
步骤201、盾构刀具受力分析：
步骤201、盾构刀具布置：根据复合地层的地质状况安装不同的刀具，刀尖距
![]()
其中![]()
表示复合地层的岩石破碎角，T表示相邻两个滚刀刀尖之间的宽
度，H表示滚刀贯入度，根据刀尖距S在刀盘上布置刀具；
步骤202、计算单个滚刀在破碎区的压力P，![]()
其中，C表示无量纲系
数，δc表示复合地层的岩石单轴抗压强度，δt表示复合地层的岩石抗拉强度，R表示滚刀半
径，φ表示滚刀刀沿与复合地层的岩石的接触角度，![]()
步骤203、计算滚刀所受合力Ft，![]()
其中，ψ表示刀尖压力分布系数；
步骤204、计算盾构机实际推力值：盾构机实际推力值Ft'＝mFt，其中m表示盾构刀
盘上安装的滚刀的数量，m为正整数；
步骤三、根据复合底层地质情况选择盾构掘进施工模式：针对复合地层的地质状
况选择不同的掘进模式，在上软下硬地层中采用土压平衡模式，在硬岩地层中采用欠压模
式和土压平衡模式；
步骤四、根据复合底层地质情况选择盾构掘进参数：
步骤401、计算盾构机的推力：盾构机的理论推力值F＝F1+F2+F3+F4+F5，F1表示盾构机
盾壳与围岩的摩擦力，F2表示盾构机的有效推力，F3表示盾尾与管片之间的摩阻力，F4表示后
方台车的阻力，F5表示密封土舱内的土压力引起的反作用力；其中，F2＝mF2'，m表示盾构刀盘上
安装的滚刀的数量，F2'表示单个滚刀贯入岩石的理论有效推力，![]()
Kd表示岩石的滚压系数，Rd表示岩石的抗压强度，ri表示盘形滚刀的刃角半径，θi表示盘形
滚刀的半刃角，![]()
表示岩石的自然破碎角；
步骤402、计算盾构机的扭矩：盾构机刀盘的扭矩![]()
其中CT表示盾构机电机的转矩常数，φM表示盾构机电机线圈的每极磁通，Ii表示盾构机电
机的电流，λ表示盾构机电流与电压的相位差，cosλ表示盾构机电机的功率因素；
步骤403、结果比较：步骤401中得到的盾构机理论推力值F和步骤二中得到的盾构
机实际推力值Ft'需要满足：Ft'＝1.5F；
步骤五、盾构掘进施工：
步骤501、盾构掘进方向反馈：在盾构掘进中采用激光导向，实现盾构机的掘进方
向与隧道的理论中心线方向的对齐；
步骤502、盾构掘进方向调整：通过调整盾构机对每组油缸的不同推进压力，调节
盾构机的掘进方向，使盾构机的掘进方向趋向隧道的理论中心线方向。
上述的一种复合地层盾构掘进施工方法，其特征在于：步骤203中所述无量纲系数
C＝2.12，步骤204中所述刀尖压力分布系数ψ满足：-0.2<ψ<0.2。
上述的一种复合地层盾构掘进施工方法，其特征在于：步骤202中所述刀尖距S满
足：10mm≤S≤92mm。
上述的一种复合地层盾构掘进施工方法，其特征在于：步骤401中所述岩石的滚压
系数Kd＝0.55。
上述的一种复合地层盾构掘进施工方法，其特征在于：当盾构机处于水平线路掘
进时，盾构机的掘进方向与水平面的夹角为α，且5°≤α≤15°。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的结构简单，设计合理，实现及使用操作方便。
2、本发明在准确掌握复合地层的情况下，通过计算，正确选取掘进参数，尤其是刀
盘和刀具的设计与布置，防止盾构刀具偏磨、刀盘崩裂等非正常磨损，达到保护刀具的作
用，延长了刀盘的使用寿命，节约了工程成本。
3、本发明在准确掌握复合地层的情况下，根据复合地层的变化做出适当的调整，
合理选取盾构机，确保盾构机对复合地层的适应性，能够快速、高效、安全的进行盾构掘进
施工。
综上所述，本发明结构简单、设计合理，根据复合地层的变化，合理选取盾构机，正
确选取掘进参数，延长刀盘的使用寿命，提高刀盘对复合地层的适应性，保证盾构施工安
全、快速、经济的进行，使用操作方便，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的流程框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括以下步骤：
步骤一、复合地层地质勘探：通过在复合地层上钻孔，探明复合地层的地质状况；
步骤二、根据复合底层地质情况选取盾构刀具，包括以下步骤：
步骤201、盾构刀具受力分析：
步骤201、盾构刀具布置：根据复合地层的地质状况安装不同的刀具，刀尖距
![]()
其中![]()
表示复合地层的岩石破碎角，T表示相邻两个滚刀刀尖之间的
宽度，H表示滚刀贯入度，根据刀尖距S在刀盘上布置刀具；
步骤202、计算单个滚刀在破碎区的压力P，![]()
其中，C表示无量纲系
数，δc表示复合地层的岩石单轴抗压强度，δt表示复合地层的岩石抗拉强度，R表示滚刀半
径，φ表示滚刀刀沿与复合地层的岩石的接触角度，![]()
步骤203、计算滚刀所受合力Ft，![]()
其中，ψ表示刀尖压力分布系数；
步骤204、计算盾构机实际推力值：盾构机实际推力值Ft'＝mFt，其中m表示盾构刀
盘上安装的滚刀的数量，m为正整数；
步骤三、根据复合底层地质情况选择盾构掘进施工模式：针对复合地层的地质状
况选择不同的掘进模式，在上软下硬地层中采用土压平衡模式，在硬岩地层中采用欠压模
式和土压平衡模式；
步骤四、根据复合底层地质情况选择盾构掘进参数：
步骤401、计算盾构机的推力：盾构机的理论推力值F＝F1+F2+F3+F4+F5，F1表示盾构机
盾壳与围岩的摩擦力，F2表示盾构机的有效推力，F3表示盾尾与管片之间的摩阻力，F4表示后方
台车的阻力，F5表示密封土舱内的土压力引起的反作用力；其中，F2＝mF2'，m表示盾构刀盘上安
装的滚刀的数量，F2'表示单个滚刀贯入岩石的理论有效推力，![]()
Kd表示岩石的滚压系数，Rd表示岩石的抗压强度，ri表示盘形滚刀的刃角半径，θi表示盘形
滚刀的半刃角，![]()
表示岩石的自然破碎角；
步骤402、计算盾构机的扭矩：盾构机刀盘的扭矩![]()
其中CT表示盾构机电机的转矩常数，φM表示盾构机电机线圈的每极磁通，Ii表示盾构机电
机的电流，λ表示盾构机电流与电压的相位差，cosλ表示盾构机电机的功率因素；
步骤403、结果比较：步骤401中得到的盾构机理论推力值F和步骤二中得到的盾构
机实际推力值Ft'需要满足：Ft'＝1.5F；
步骤五、盾构掘进施工：
步骤501、盾构掘进方向反馈：在盾构掘进中采用激光导向，实现盾构机的掘进方
向与隧道的理论中心线方向的对齐；
步骤502、盾构掘进方向调整：通过调整盾构机对每组油缸的不同推进压力，调节
盾构机的掘进方向，使盾构机的掘进方向趋向隧道的理论中心线方向。
步骤502、盾构掘进方向调整：通过调整盾构机对每组油缸的推进压力，调节盾构
机的掘进方向，使盾构机的掘进方向趋向隧道的理论中心线方向。
本实施例中，无量纲系数C＝2.12，刀尖压力分布系数ψ满足：-0.2<ψ<0.2，刀尖距S
满足：10mm≤S≤92mm，岩石的滚压系数Kd＝0.55。
本实施例中，当盾构机处于水平线路掘进时，盾构机的掘进方向与水平面的夹角
为α，且5°≤α≤15°。
本实施例中，盾构刀盘旋转带动刀具扫过开挖面，在盾构机的推力作用下滚刀紧
压岩面，随着刀盘旋转，滚刀绕刀盘中心轴公转，并绕自身轴线自转。在刀盘强大的推力作
用下，滚刀压入岩石；在扭矩作用下，滚刀在掌子面中心切缝上滚动。当推力超过岩石强度
时，滚刀下的岩石直接挤压破碎，滚刀贯入岩石，掌子面被滚刀挤压碎裂而形成隧道同心圆
沟槽。随着沟槽深度的增加，岩石表面裂纹加深扩大，当超过岩石剪切和拉伸强度时，相邻
同心圆沟槽间的岩石成片剥落，形成石渣，实现岩层的成功破碎。
掘进施工前，先根据复合地层的地质情况，计算刀尖距S，刀间距S是确定滚刀布置
数量的重要工作参数，刀间距S太大，相邻滚刀之间的岩石无法破除，在掘进过程中掌子面
易形成“岩脊”使得刀具磨损程度加快，也很容易使得滚刀受到的剪切力突然加大，造成刀
圈断裂或脱落，使得刀具失效或者报废。因此根据相邻两个滚刀刀尖之间的宽度T、滚刀的
贯入度H和复合地层岩石的破碎角![]()
计算刀间距![]()
使得刀尖距S满足滚
刀破碎需要，然后在刀盘上根据刀尖距S布置滚刀安装位置。防止盾构刀具偏磨、刀盘崩裂
等非正常磨损，达到保护刀具的作用，延长了刀盘的使用寿命，节约了工程成本。
再根据复合地层的地质情况，确定复合地层掘进施工过程中需要的滚刀破碎压
力，即盾构机的实际推力值Ft'，计算过程中，先计算单个滚刀在破碎区的压力P，根据刀盘
上滚刀的个数，计算盾构机的实际推力值Ft'。
在盾构施工过程中，由于施工环境的不同，需要采用不同的掘进模式。掘进模式分
为欠压式、土压平衡模式。在上软下硬地层中采用土压平衡模式，在硬岩地层中采用欠压模
式和土压平衡模式。本实施例中，隧道从全断面弱风化、中风化、混合片麻岩围岩和全风化、
粉质粘土中穿过，地下水主要是孔隙水和基岩裂隙水，埋深在2.0～5.0m，部分地段基岩裂
隙水比较发育。因此，在掘进过程中主要采用欠压模式和土压平衡模式。
全断面硬岩具有完全自稳能力。在硬岩中掘进时，盾构机的拱顶、两侧、底部所受
的压力均很小，对盾构机的推进影响不大，盾构机的推力主要消耗在滚刀贯入岩石所需要
的推力上，所以可以近似的把滚刀贯入岩石的力看成盾构机的推力，因此本实施例中，通过
计算多个滚刀的贯入岩石的有效推力mF2'，得到盾构机的有效推力F2，即F2＝mF2'。
在盾构施工过程中，需根据不同的地质情况，不同的刀具磨损情况，以及掘进过程
中的现状，选择相应的掘进参数。本实施例中，掘进参数包括盾构机的理论推力值F和盾构
机刀盘的扭矩M，由于盾构施工中经常需要纠偏、转向，推力越大，贯入度越大，同等条件下
切削下来的渣土也越多。如果盾构机的实际推力值Ft'过大，会加剧刀具的磨损，造成刀具
解体、刀圈断裂、脱落，挡圈断裂、脱落甚至刀座变形、刀盘变形。因此盾构机的实际推力值
Ft'要比盾构机的理论推力值F大，按照经验数据，Ft'＝1.5F。根据复合地层的变化做出适当
的调整，合理选取盾构机，确保盾构机对复合地层的适应性，能够快速、高效、安全的进行盾
构掘进施工。
盾构掘进施工中，盾构操作手需要连续不断的得到盾构轴线位置相对于隧道设计
轴线的位置以及方向的关系，以便使成型隧道保持正确的位置。在盾构掘进的过程中，以一
定的掘进速度向前开挖，需要盾构的行走轨迹和隧道设计轴线一致，此时必须得到数据信
息反馈。在施工中采用激光导向实现盾构机的掘进方向与隧道的理论中心线方向的对齐，
来保证掘进方向的准确性和盾构姿态的控制。盾构机掘进方向的调节是通过调整每组油缸
的推进压力，使盾构机的掘进方向趋向隧道的理论中心线方向。当盾构机油缸左侧压力大
于右侧时，盾构机姿态自左向右摆；当上侧压力大于下侧压力时，盾构机姿态自上向下摆；
依次类推即可调整盾构机的姿态。为了保证盾构机的铰接密封、盾尾密封工作良好，同时也
为了保证隧道管片不受破坏，盾构机在调向的过程中不能有太大的趋势。当盾构机处于水
平线路掘进时，盾构机的掘进方向与水平面的夹角为α，且5°≤α≤15°，以纠正盾构机因自
重而产生的低头现象。
以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术
实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方
案的保护范围内。