盾构刀盘与刀具在复杂地质条件下的选型应用

【摘要】针对盾构隧道穿越软硬岩层、砂层与粘土层的复杂地质条件且长距离单边掘进的特点，结合湛江市鉴江供水枢纽工程湛江湾跨海盾构隧道工程实际，本文介绍盾构机刀盘与刀具的选型配置，对类似工程有很好的借鉴。

【关键词】复杂地质 刀盘 刀具 选型配置

1工程概况

湛江湾跨海盾构隧道工程是湛江市鉴江供水枢纽工程的一部分，工程位于湛江湾最窄处，不但水深流急，又是进出湛江港的咽喉，航道非常繁忙。湛江湾盾构隧道穿越南三岛与东海岛之间海底，横穿湛江湾海峡，长2750m。盾构隧道内径5.1m、外径6.0m。

2工程地质

根据勘探资料，场区为深厚第四系地层，从上向下有：①、中全新统海风混积层，②、中全新统海相沉积层，③、中更新统北海组层，④、下更新统湛江组层。各岩土层主要特征分述如下：

①、中全新统海风混积层：黄色中细砂、细砂，局部含泥质，砂质均匀，以石英为主，主要分布在地势较高的陆地。

②、中全新统海相沉积层：主要呈灰色、深灰色，成分不均匀，主要为中细砂，次为中粗砂，含泥质，底部为粗砂，含少量砾，局部为泥粉质细砂、淤泥质细砂，含少量贝壳碎片、腐殖质，见少量薄层粘土夹层，砂以石英为主。

③、中更新统北海组层：主要呈土黄、棕黄、浅黄色，以中细砂为主，含泥质，局部夹粗砂，含少量砾和粘土，含铁质及发育铁质层为其特征，底部以波状起伏的铁质层与湛江组上部杂色粘土接触，铁质层呈暗红色，主要为贴胶结的粉细砂，致密坚硬。

④、下更新统湛江组层：主要为灰色、青灰色粘土、砂质粘土，含淤泥，见少量黑色碳化腐殖质木，土层不均匀，夹有砂层或与薄层砂互层。砂为中粗砂夹细砂，含泥质、少量砾石，砂以石英为主。

3、刀盘与刀具的型式及布置

本工程隧道穿越中全新统海相沉积层砂层和下更新统湛江组层砂质粘土层为主，存在中等～强透水砂层，围岩与海水直接连通，拱顶覆土厚度为20～40m，隧道水下埋深27～61m，最大外水压力约0.3MPa～0.6MPa，外水压力较大。同时海中无条件设置途中工作井，不能分段掘进，因此本隧道掘进距离长达2750m，对盾构刀盘与刀具的可靠性及耐久性要求高。同时小直径盾构在高水压条件下刀具更换存在较大的安全风险，换刀过程十分困难且提高了工程成本，耗资巨大，同时对工程进度造成严重影响。因此，刀盘、刀具布置方式及刀具形状是否适合本工程的地质条件，直接影响到盾构机的切削效果、出土状况、掘进速度及经济效益。

3.1刀盘结构型式

刀盘通常设计成垂直平板形（较普及）、圆锥形（早期多见）、抽芯形（多用于软土地段）与球形（用于硬岩、TBM）四种形状。 本工程采用垂直平板形+抽芯形的复合刀盘。通常，泥水盾构多采用垂直平板形的形式，在软弱地层中，利用刀盘挡土，但本工程的盾构机由于要配置用于切削岩层的刀具，因此，刀盘之承方式采用中、大直径盾构机较常见的中间支承方式。

3.2刀盘结构特点

3.2.1结构设计

刀盘结构设计根据泥水平衡式盾构机的工作特点，采用整体结构，增强了刀盘的强度和刚度，保证地层适应性，能够适应泥水盾构的需要。刀盘钢结构材料采用S355J2G3（St52-3）或G552铸钢。主轴承由三轴滚柱轴承支撑，带有内齿圈。轴承设计使用寿命10000小时。

刀盘开口率根据软硬地层不同而采用不同的设置，开口宽度均匀布置，最大开口宽度控制在340mm或以内，可以让切削下来的土渣能更快更容易的进入土仓，减少刀盘前面结泥饼的机会，且利于硬岩被切削后能从刀盘不同部位同时进入土仓。本工程盾构机采用三菱盾构机，开口率为36%。

3.2.2传动部件及支撑密封

刀盘驱动的传动部件安装有3级液压变速马达并带有齿轮冲刷装置。变速箱的尺寸有足够的富余量以保证安全的运行。驱动齿轮的两端都由球面滚动轴承支撑，可使承载时齿轮啮合良好。

3.2.3刀盘驱动方式选择

本工程所用三菱盾构机刀盘驱动是变频电机驱动。刀盘转速控制在0.3～3.0rpm范围内，以获得适合砂层等软弱地层的最佳转速。刀盘的最大扭矩为6803kN・m，将刀盘转速在0.3～1.5rpm作为最大力矩6803kN・m的额定力矩域，将转速1.5～3.0rpm的3.0rpm作为2324 kN・m时的额定马力域进行控制。

3.2.4耐磨设计

刀盘前面的周边区域焊耐磨层，轮缘区域的后部焊耐磨块，以保证刀盘在硬岩掘进时的耐磨性能。

3.2.5刀座设计

刀盘先行刀采用直接焊接在刀座上的安装方法，刀座采用可拆卸连接方式，每个可更换刀座由16颗M22螺栓连接在刀盘上。

3.2.6刀盘注水装置设计

在刀盘开口处设置多个高压注水孔，另外在刀盘的中心回转轴上设置中心冲刷旋转接头，能够有效的冲刷刀盘上的泥块，防止形成泥饼，降低刀盘切削扭矩，增强刀盘的切削性能。

3.3盾构刀具的分类

盾构机刀具可根据运动方式、布置位置和方式及形状等进行分类。按切削原理划分，盾构机的刀具一般分为切削刀和滚刀两种，其余形式的刀具为辅助刀具。切削刀又分为齿刀、刮刀和先行刀等。按布置位置划分，可分为外沿保护刀具、修边刀具、超前刀具、导向钻具、掘削刀具等。

3.4刀具破岩机理

3.4.1硬岩刀具破岩机理

盾构机的切岩装置由刀具（滚刀）、刀盘、刀盘驱动装置以及推进装置构成。这些组成因素对提高切削效率十分重要，滚刀破岩时，当其对岩石的挤压力超过岩石本身强度后，刀刃部分的合金刀片使岩石破碎，形成一道切削沟槽，刀刃继续挤压，岩石便产生龟裂，向周围扩散，切削沟槽两侧的岩石剥离破碎。

一般说来，通过对照切削单位体积岩石所需能量与切削沟槽间隔的关系，可获得不同岩层的最佳切削沟槽间隔。其中，对于硬岩，最佳间隔相当于刀刃切入量的10～20倍，即65～90mm，而对于软岩，则为100mm左右。

3.4.2软岩刀具切削机理

软岩的切削主要是刀具直接对土层进行剪切破坏来进行切削的。

3.5刀具的配置

盾构刀具是根据硬岩与软岩的不同强度和地质特点，根据刀具在软硬岩中不同的破岩机理来进行设计和选择。对于不同地层的开挖，盾构机的刀具通常采用不同型式：开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀;地层为较软岩石时，采用齿刀;地层为软土或破碎软岩时，可采用切刀（或刮刀）。本工程所用的三菱盾构机滚刀与齿刀的刀座形式相同，可根据不同的地质类型两种刀具可以互换。本工程中采用的主要刀具类型有双刃滚刀、中心刀、齿刀、铲刀、刮刀。

本工程三菱盾构机刀盘配置的刀具型式及种类如下表：

刀具名称

数 量

备 注

双刃滚刀

6把

用于硬岩掘进，刀刃距刀盘面175mm，掌子面与刀盘面间渣土空间大，利于流动，可换装齿刀。

刮刀

68把

铲刀

16把

齿刀

10把

用于软岩掘进。

中心刀

1把

用于软土掘进，替换滚刀，更换后可以增加刀盘中心部分的开口率。

4结语

湛江湾跨海盾构隧道于2011年11月11日开始破洞掘进，2012年11月10日顺利出井，掘进期间无需开仓换刀，盾构机出井后经检查，刀具磨损状况在可控范围内，事实说明，本工程盾构机刀盘与刀具的选型与配置完全满足复杂地质条件下长距离掘进的要求，对于类似的工程有很好的借鉴。

参考文献

[1]智小慧.盾构刀具及开挖面分析，2009（3）

[2]宋云.盾构机刀盘选型及设计理论研究，2009（4）