浅析地铁盾构的刀具配置和维修

摘要：针对地铁某区间隧道的地质条件，叙述了盾构刀盘的刀具配置、掘进施工参数、刀具的磨损及其维修，分析了刀具磨损的原因，从而指导了后续施工。在查阅了大量文献的基础上，结合工程实践，将盾构刀具的选型、盾构刀具布置的关键因素分析以及盾构刀盘刀具的优化布置作为拟解决的关键问题，进行了一系列的研究工作。

关键词：盾构刀盘；刀具配置；维修

中图分类号： C35 文献标识码： A

地铁隧顶埋深约12m～14m，隧道直径6m，盾构主要穿越的地层为砾质黏性土，全、强、中、微风化花岗岩，孤石等地层。穿越上软下硬地层长度约131m，占单线长度的16.2%，全断面硬岩257m，占单线长度的31.8%，孤石2处，盾构施工地质条件复杂多变，是典型的复合性地层。因此，对盾构的刀盘结构选型、刀具配置、掘进技术的控制进行科学合理的分析和研究，是减少刀具的非正常磨损、延长刀具使用寿命、降低施工中频繁换刀的风险、节约成本、提高施工进度的必要课题。

1盾构刀盘形式及刀具配置

1.1刀盘形式：地铁盾构所使用的刀盘为复合型刀盘

（1）刀盘结构形式为条幅加面板式：开挖直径6.28米，由十字型的4块条辐和4块面板组合而成，刀盘整体开口率最小为35%，中心开口率为38%，中心区域的开口较大，以防止刀盘中心结泥饼[1]。

（2）刀盘面板上共配有8个单管单泵形式的泡沫注入口，用来注入泡沫剂、膨润土及其他添加剂，其中刀盘中心位置2个，其他位置6个，通过添加剂的注入，可以改良碴土，增加其流动性、降低刀盘扭矩和防止刀盘结泥饼。

（3）刀盘结构外表焊有一层耐磨材质，增加耐磨性能，可充分保证刀盘在岩层掘进时的耐磨性能。

（4）刀盘配有2个磨损探测器，1个在刀盘正面，1个在刀盘边缘，以便在关仓条件下随时了解刀盘磨损情况。

1.2刀具配置

1.2.1刀具分类

刀具配备主要以滚刀和刮刀两大类为主，滚刀又分为有中心滚刀、正面和边缘滚刀；刮刀又分为小齿刀、边缘刮刀。

（1）滚刀是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀具，中心刀为双刃滚刀（一个刀轴上配两个刀圈），正面和边缘为单刃滚刀，该刀盘设计使用外径18英寸刀圈，与17英寸刀圈比较增加了刀圈可磨损量、节约刀具成本、增大了掘进贯入度，更适合较快的掘进速度。滚动刀根据刀刃的形状，滚刀可分为齿形滚刀（钢齿和球齿）、盘形滚刀（钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀）。

（2）刮刀是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具，刮刀的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的有边缘刮刀、正面齿刀等，通过螺栓连接或焊接方式固定在刀座上，刮刀的螺栓孔和破岩接触面焊有耐磨层和硬质合金，能增加刮刀的耐磨性。设计滚刀刀刃距刀盘面板的高度为188mm，小齿刀刀刃距刀盘面板的高度为140mm，滚刀高出小齿刀48mm，这样盾构在有硬岩的地段掘进时，可以保护刮刀不容易崩掉。刮削刀目前盾构上常用的有边缘刮刀、刮刀、齿刀、先行刀、贝壳刀、鱼尾刀等。

1.2.2刀盘上配置的刀具

（1）安装于刀盘的中心区的滚刀称为中心刀，其公转直径较小，破岩时刀刃在岩面上的径向滑移较大，产生的轴向力大，为此需将中心刀成组安装。南京盾构采用4组中心刀（2把一组），且选用大角度、预紧力较大的轴承，采用与轴承或刀体配对的单密封环。

（2）刀盘周边配置边缘滚刀（即边刀），掘进施工中边刀公转直径最大，承担的破岩量也最大且受力复杂，因而刀圈的磨损较快、更换频繁。刀盘边沿部位分布8把刮刀，在圆周方向按90°间隔对称布置，共10把边缘滚刀。

（3）中心区和边沿区之间安装的正滚刀，公转直径相对较大，工作时安装空间相对较大，在掘进施工中，其轴承和刀圈寿命都相对较长。南京地铁盾构刀盘在正面区配置了22把单刃滚刀，刀盘开口处分布52把双层刮刀。

（4）滚刀刀刃距刀盘面板的高度为175mm，刮刀刃距刀盘面板的高度为150mm，盾构在全断面岩层及存在硬岩的地段掘进时，可以保护刮刀不受破坏。

2地铁盾构隧道施工

2.1施工参数控制

（1）控制油缸推力在一定范围内（8000-15000kN）。

（2）控制刀盘的转速在1.5-2.5r/min范围。

（3）控制掘进速度为5-20mm/min。

2.2碴良

（1）在全、强、中、微风化和混合花岗岩的掘进中，为使盾构切削下来的碴土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，采取分别向刀盘面和土舱内注入泡沫的方法进行碴良，必要时可向螺旋输送机内注入泡沫，泡沫的注入量为每环35～50L。（2）通过对碴土温度的控制，指导碴良。

2.3防止泥饼形成盾构掘进时易在刀盘特别是中心部位产生泥饼，需要采取一定措施。

（1）采用滚刀与齿刀混合破岩削土或全齿刀削土，增大刀盘开口率等方法来防止泥饼形成。（2）在刀盘前部中心部位布置的数个泡沫注入孔中，适量增加泡沫的注入量和选择较大的泡沫加入比例，减小碴土的粘附性，降低泥饼产生的几率。

（3）尽可能将土压平衡掘进模式改为采用土舱顶部（1/5～1/6舱位）加气的欠土压平衡模式掘进。

（4）一旦产生泥饼，及时采取措施，如添加泡沫剂、对土仓加水浸泡，还可以向土仓添加分散剂浸泡，使泥饼分散，必要时采用人工处理方式清除泥饼。

3刀具检查和换刀作业。

在各种土质条件下，根据经验确定是否开仓检查刀具。原则为只要地面条件允许，应尽可能地开仓检查刀具情况。比如发现推力增加、推进速度不能提高、渣土温度升高、刀盘经常出现卡死及异响现象，需考虑开仓检查刀具[2]。

地铁区间盾构自进入闪长岩复合地层后，因岩石强度高且软硬不均，盾构刀具受不均匀撞击磨损严重，推进困难、换刀频繁[3]。左线共换刀6次，合计换滚刀92把、齿刀74把；右线换刀12次，换滚刀143把、刮刀35组、齿刀61把。

开仓换刀作业流程为：

（1）开仓前先将土仓内的泥水液位降低，保证舱内泥水液位在刀盘水平中线1m以下，当土仓液位和切口环压力无变化时，缓慢降低气压泵至零[4]。

（2）开仓查看开挖面的稳定情况，制定刀具检查、更换计划。

（3）检查刀具前必须尽量排空土仓内的碴土和水，冲洗干净所有的刀具、刀座，然后开启气阀往土仓里送气，以降低土仓内的环境温度，并提供排水和照明。

（4）进仓进行第一次刀具检查，对刀具磨损量进行精确测量并记录复查后，确定需要更换的刀具。

（5）刀具更换后需检查验收。

（6）换刀工作完成并通过检查确认后，必须做好人闸清洁工作，整理所有气管、水管及工具和零件。

4刀具维修

4.1刀具磨损情况

（1）在掘进过程中刀具与岩土的正常磨损，刮刀的刀刃崩裂、刀体断裂、掉齿。

（2）滚刀刀圈的正常磨损，单边偏磨和多边偏磨，刃口位置崩块、开裂甚至脱落。

（3）正常使用状态下，大部分刀具轴承的寿命可达到900h左右，但施工中由于各种原因的影响，会使轴承受到不同程度的损伤，如轴承外圈裂痕、保持架断裂等。

（4）刀体与刀盖之间的浮动密封失效，造成刀具漏油、泥沙进入刀体内影响轴承。

4.2维修步骤

（1）对刀具清理后，根据刀具的损坏情况确定需要维修的部件。

（2）更换损坏部件。

（3）刀具装配过程中，对热装件（刀圈和轴承）严格控制加热温度，对紧固件严格控制紧固力矩。

（4）刀具装配过程中调整静态转矩。

5结束语

合理的盾构刀具配置是盾构掘进进度的有力保障，也是控制工程成本、提高工程效率的有效举措，尤其是在复合地层条件下，合理的刀具配置与科学地选取掘进参数（如速度、总推力、刀盘转速、贯入度等），既能最大程度的延长刀具使用寿命，同时还能减少换刀频率，降低施工风险，节约工程成本，提升工程效益。

[参考文献]

[1]刘进志，智小慧，郭京波.盾构掘削刀具简述[J].工程机械，2009，40（6）：50-53.[2]张国京.土压式盾构机刀具的适应性分析[J].市政技术，2005，23（1）：9-13.

[3]邹积波.盾构机刀具磨损原因分析[J].建筑机械化，2003，（11）：57-58.