有关盾构刀具配置于刀盘设计的研究

摘要 本文主要针对盾构的主要部件刀盘，进行了理论分析和机理的研究，根据不同的地质地表结构所选用的不同刀盘形式以及具体刀具的布置情况，通过实际施工过程中的试验实例进行说明刀具和刀盘设计的重要性，文章指出刀具不是是否合理是直接导致盾构设计成功的关键所在。

关键词 盾构机；地质条件；刀具

中图分类号P5 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）54-0153-02

随着我国地铁隧道工程的快速发展，盾构挖掘隧道与铺设都得到了全面的发展。盾构在掘进施工过程中对刀具的选择显得尤为重要，刀具选择的成功与否会直接影响到整个工程效益和施工期限。根据笔者工作经验来看，隧道盾构施工过程中对刀具的选用一定要和当地的水文和地质条件紧密结合起来，针对一些特殊的地质地层，应该合理科学地对刀具做出选择。所以说，如何才能做到最恰当的选择刀具和最合理地布置刀盘是技术人员必须考虑的问题。

1 刀具的工作原理分析

盾构机的掘进切削装置都是由刀盘和刀具两个部分所组成。盾构机最前方是切削刀盘，刀盘的功能就是切削土体以及对施工地层进行支撑，这样就能确保掘进面上的稳定性。切削刀具主要功能就是进行切削掘进面上的土，通常情况下刀具都是安装在刀盘的正侧两面，刀具跟随刀盘的转动而转动，这样就实现了对土体的不断切削。切削刀具最常见的有两种：第一种是刮刀（也有的是固定式齿刀）；第二种是盘形的滚刀。滚刀是依据切削的运行轨迹和实际间距，具体安装在刀盘中，安装在刀盘上的滚刀要比刀盘面多出来几十公分。掘进的时候，滚刀第一时间接触到地层，随着刀盘的不停旋转，就会对土体连续切削，由于刀盘受到正侧两个方向的切力压力，因此切力就会被动地进行旋转，从而就实现了对整个土体的挤压松动和切削。

1.1刮削刀具的工作机理

由于受到刀盘的推力作用，当刮刀嵌如了岩层或岩渣中之后，刀盘就会带动整个刀具进行转动而不断地刮削前面的岩层，这样就能在在掌面出现一个个犁沟，其主要特点就是刀盘的转动过程中阻力比较大，如果是在一些软土地层或者是在滚刀已经破碎之后的渣土中进行刮刀开挖，渣土就会随着刮刀的正面不断进入到渣槽，所以刮刀不但具有切削的使用功能还同时具有装载的使用功能。

1.2盘形滚刀的工作机理

在纵向油缸所施加的作用力下，使得刀盘之上盘形滚刀就会被压入到岩石中，刀盘在整个旋转装置的不断驱动之下，就能带动着滚刀不停地绕着刀盘的中心轴进行公转，此时所有的滚刀还能进行绕每一个刀轴进行自转，从而实现了滚刀在整个岩面中的连续性的滚压。刀盘所施加给整个刀圈的滚动力和推力，滚动力能够让刀圈不断滚压前面岩体，而推力则让刀圈不断压进岩体，因为滚刀在对岩体表面的不断剪切和挤压，所以就产生了岩体的破碎，这样就会在岩面上削切出一个个同心圆。

2 刀盘的布局特点

2.1 对硬岩的适应性

刀盘上通常都是布置四把中心滚刀，三十一把属于单刃的滚刀，每一个滚刀都能承受起25t的巨大推力。一般情况下刀具所设计的最大硬度岩石的开挖强度是200MPa左右。硬度岩石的单轴抗压的强度一般都在30MPa左右，因此，刀盘刀具对所有的硬度岩石都是适应的。而在刀盘上所焊接上去的耐磨焊层和耐磨条都会确保刀盘在硬度岩石中的顺利掘进。每一把刀具都能在刀盘的背后进行换装，这样就能满足施工过程中的安全性，也保障了施工过程中的高效换刀性能。盾构在硬度岩石中所设计的掘进速度大都在20mm/min~40mm/min。完全可以满足所有工期的需求。

2.2 对高黏性地层的适应性

刀盘的开口率相对比较大，尤其是在具体更换中心齿刀之后，刀盘的中心一些地方开口增加，刀盘开口的内侧挡板就应该向内斜进行布置。如果刀盘在软土地层进行掘进的时候，此类设计能够满足碴土的流动而进入了土仓。刀盘上通常都是设置八个泡沫注的入口。可以充分确保碴土的优化效果。在经过黏性比较大的地段，还能够将刀盘上的一些或者所有滚刀都统一更换成齿刀，结合实际需要进行开启中心地位的四个泡沫注的入孔，这样就能有效地进行防止中心泥饼的大量产生。

2.3 对软硬交错地层的适应性

刀盘的实际设计还可以满足一些软硬相互交错的地层中的盾构施工。如果遇到软硬相互交错出现的地层时，应该根据实际地层具体情况把刀盘上的齿刀和滚刀进行混装，配合施工碴土不断优化系统。还可以通过调整刀盘的实际推力和和具体的扭矩参数，在整个掘进的过程当中应该注意及时地进行调整盾构的具体姿态。

3 刀具的选型试验与工程应用效果

沈阳某地铁盾构法穿越隧道工程，长度1 400m，地质情况为卵石层635m（80mm粒径卵石含量占76％），黏土质粉砂岩765m，隧道轴线呈“V”字型，最大水土压力0.44MPa。根据以上工程地质资料，我们在黏土质粉砂岩掘进地段对滚刀进行了设计改进，经过小规模的现场试验后，确定了适合该地质情况的滚刀型式为刀具顶部镶高耐磨合金齿（圆柱形）与敷焊耐磨材料（见表1）。

表1试验结果表明，镶齿滚刀和标准滚刀的磨耗系数相差极大，镶齿滚刀明显优于标准滚刀。依据上述试验结果，我们对盾构机滚刀全部进行了更换，经过765m的黏土质粉砂岩的掘进，顺利地完成了此段工程任务。盾构设备出井后，我们对镶齿滚刀进行了全面的检查，刀盘边缘部分的滚刀壳体最大磨损量为7.5 mm，刀圈合金齿体最大磨损量为4mm，滚刀可继续正常使用。在此项工程中，我们根据不同的地质条件，通过合理选用刀具，提高了掘进速度，减少了刀具的使用量，节约了施工成本86万元，工期缩短了22d，经济效果明显。

刀号 刀型 磨损量/mm 掘进里程/m 效果

7 标准滚刀 25.8 245 更换

8 镶齿滚刀 2.5 245 继续使用

19 标准滚刀 29.4 245

21 镶齿滚刀 2.7 245 继续使用

20 齿形滚刀 偏磨 245 更换

表1刀具选型的工程试验

4 结论

刀具的配置好坏直接关系着盾构能不能顺利地进行掘进，所以一定要根据地质的实际状况进行认真的研究和分析。在盾构的实际施工过程中进行合理的选取相应的掘进参数，应该最大程度地去延长所有刀具的使用寿命，尽量避免换刀的频率，降低整个施工过程中频繁换刀所产生的风险，进一步地做好对所有刀具的分析、监控、比较、摸索，总结刀具在施工中的使用经验，同时把结果进行反馈，从能指导其他的施工。

参考文献

[1]陈馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术[M].北京：人民交通出版社，2009．

[2]李建斌，陈馈.先进机械施工新技术及案例[R].洛阳：中铁隧道集团有限公司，2011．