复合地层中盾构刀盘刀具的配置

【摘要】刀盘和刀具的配置是复合地层盾构施工的关键，本文就结合在深圳地铁2号线东延线2227标的湖贝站～黄贝岭站～新秀站盾构区间施工中刀盘刀具的配置及使用情况，分析复合地层中刀盘刀具的主要影响因素和使用注意事项。

【关键词】 盾构机 复合地层刀盘刀具选择 滚刀

Abstract: The configuration of the cutter and tool is the keyto the construction of composite stratigraphic Shield, the paper combines the configuration of the disk cutter knife in2227 the subject of Tony Lake Station ~ Huangbeiling Station to Station rookie Shield Zone construction of the Shenzhen Metro Line 2 East Extension and usage analysis of the main factors of the composite stratigraphic in the cutter tool and use precautions.

Keywords: shield, composite stratigraphic cutter, tool selection, hob

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

1 前言

目前盾构施工已经成为地下轨道交通最有效的施工工法，而复合地层中盾构机刀盘和刀具的配置是盾构施工成败的关键。本工程盾构区间在施工过程中，通过改进刀盘的保护措施，优化刀具结构形式并不断试验选用最适合的刀具，减少盾构施工中换刀的次数，提高刀具的有效利用率，保证快速连续施工，节约刀具投入成本。

2 工程概况

湖贝站～黄贝岭站区间盾构法隧道左线长996.306m，右线长998.054m，线路从湖贝站由叠线方式出站，隧道重叠长约120m米后转为平行隧道，往东沿深南东路前行，到达黄贝岭站。区间洞身范围地层为砂质粘性土、全风化凝灰质砂岩、强风化凝灰质砂岩、中风化凝灰质砂岩。

黄贝岭站～新秀站区间盾构法隧道左线长762.013m、右线长771.481m，线路沿新秀路东行，下穿沙湾桥，往东到达新秀站。区间洞身范围内主要为全风化凝灰质砂岩、强风化凝灰质砂岩、中风化凝灰质砂岩、微风化凝灰质砂岩及断层破碎带地层。

中风化凝灰质砂岩的天然抗压强度18.19～41.17MPa，饱和抗压强度20.70～55.00MPa；微风化凝灰质砂岩的天然抗压强度19.47～59.85MPa，饱和抗压强度28.91～48.65MPa。

3 刀盘刀具配置的选择

3.1本工程刀盘刀具的配置

本工程采用由两台海瑞克生产的直径为6.28米复合式土压平衡式盾构机，根据海瑞克的设计制造经验以及参考类似地层中盾构刀盘刀具的配置实例及使用情况，本刀盘结构形式为复合型刀盘（辐条加小幅面板），刀盘开口率为36%，刀具配置为8把17寸中心滚刀，27把17寸单刃滚刀、48把齿刀、28把边缘刮刀、6把边缘保径刀、1把超挖刀。中心滚刀轨迹间距为90mm，正面滚刀轨迹间距为100mm，齿刀轨迹间距为150mm。刀盘和刀具的配置如图所示：

图1本工程刀盘刀具的配置

3.2刀盘结构形式的选择

依据掘进地质的特点、开挖支撑面的稳定性和挖掘效率决定刀盘的形状、选用材质、开口率、添加剂的注入孔数量和位置等。

（1）本工程要通过的粉质粘土、全风化～微风化凝灰质砂岩地质变化较大，软硬不均的断面较长，部分地层岩石抗压强度较大，针对此类复杂的复合地层盾构机刀盘必须选择复合型刀盘，即辐条加小面板的形式。

（2）盾构在推进过程中刀盘会承受来自掌子面的巨大作用力，因此刀盘除了要满足强度条件外还需满足足够的刚度。复合型刀盘的结构形式既确保了刀盘强度又使刀盘有良好的刚度，在硬岩地层中变形量小，既能适应土压平衡掘进时大扭矩的工况，又能适应在硬岩地层中和受力不均匀的复合地层中大推力的工况。

（3）刀盘的的开口率36%，较大的开口率确保了粘土地层的出土要求，开口逐渐变大的楔形开口模式利于渣土渣土向土仓内流动。

（4）刀盘面板上设置8个泡沫剂喷射孔。泡沫剂喷射孔的数量和位置直接影响土体的改良效果和刀具的效果。泡沫的使用不但改善渣土的流塑性，有效的防止刀盘中心形成泥饼；还可降低盾构推进时的刀盘扭矩并对刀具降低刀具的磨损率。

（5）刀盘中心区域设置喷水装置，可对中心滚刀区域进行清洗和冷却并有改善渣土的作用。

（6）刀盘背部设计4个搅拌棒。搅拌棒可随着刀盘转动可以改善土仓内切削土体的流塑性。

（7）刀盘面板、周边和背部都有耐磨设计。刀盘面板采用耐磨板并堆焊网状耐磨条；刀盘背部外圈和搅拌棒都堆焊有网状耐磨条。网状耐磨条的网眼尺寸为80×80mm，耐磨条的高度约为2mm，宽度为6mm。

（8）刀盘面板上设有两个刀具磨损检测装置。该装置采用液压系统检测，分别高出刀盘面板150mm和130mm，检测头为10mm的耐磨堆焊。当滚刀磨损到一定程度时，检测头就会接触到掌子面，在10mm的耐磨焊磨损后储存在检测头中液压油就会泄露，通过盾体内的油压表显示判断刀具的磨损情况。

3.3刀具配置形式

盾构机刀具的配置关系到盾构的开挖效率。刀具按照结构分常见的形式有：双刃滚刀、单刃滚刀、中心滚刀、齿刀、刮刀、仿形刀等。对不同地层的开挖，刀具采取不同的形式：开挖地层为硬岩时采用盘行滚刀，地层为较软岩石时采用齿刀，地层为软土或破损软岩时可采用切刀（或刮刀）。其中滚刀为滚压式破岩切削开挖，齿刀和刮刀为剪切式切削开挖。

复合地层中由于岩土的风化和软硬程度不同，需要采取的多种形式的切削开挖，根据区间地层的软硬程度可采用滚压为主、剪切为辅或剪切为主、滚压为辅的刀具配置形式。上文列举的类似复合地层实例中实例1和实例2都采取滚压为主、剪切为辅的刀具配置形式，实例3采取剪切为主、滚压为辅的刀具配置形式。本工程若以区间地质考虑，湖贝站～黄贝岭站区间适合剪切为主、滚压为辅的刀具配置，黄贝岭站～新秀站区间适合滚压为主、剪切为辅的刀具配置。经综合考虑本工程两台盾构机的刀具配置都采取滚压为主、剪切为辅的切削开挖模式，主要刀具全部采用背装式，可以根据施工需求重新合理配置和安全更换。

4 刀盘刀具使用影响因素及采取措施

（1）中心开口率

刀盘中心开口小，尤其是中心滚刀区域仅滚刀边缘和刀箱四周的间隙能流进渣土。在粘性地层中刀盘中心区域容易结泥饼并将中心滚刀箍死使刀具无法转动导致刀具偏磨损坏，在该类地层施工中我们采取将8把中心滚刀更换为4把中心齿刀并间隔安装的措施，增大刀盘中心区域开口率。

（2）添加剂喷口的防堵塞装置

泡沫喷射孔和回转中心加水口的没有防堵塞装置，在前期施工中经常造成喷口处堵塞，导致泡沫和中心水没法正常使用，导致刀具的磨损会加快并由于高温使刀具发生淬火和密封损坏。经总结后采取在喷口前加小挡块并在喷嘴处增加单向橡皮垫片的措施防止渣土堵塞泡沫喷射口和中心加水口。