卵石層盾構(gòu)刀具的配置

王樹棟

（中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 102300）

1 工程地質(zhì)概況及施工中的難點(diǎn)

北京地鐵7號線02標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間有菜市口站至廣安門內(nèi)站、達(dá)官營站至廣安門區(qū)間。其中，菜市口站至廣安門內(nèi)站區(qū)間起訖里程為右k4+136.200～右k5+191.685，全長1 055.485 m，線路東側(cè)主要穿過粉細(xì)砂層⑤2和粉質(zhì)黏土層⑥，西側(cè)主要穿越卵石層⑦。達(dá)官營站至廣安門區(qū)間起迄里程為右k2+617.246～k3+887.000，全長1 269.754 m，線路全斷面穿越卵石層⑦，極少部分穿越卵石層⑨。主要穿越地層的屬性如表1所示。

表1 主要穿越地層屬性表

施工中的難點(diǎn)主要是區(qū)間較長，卵石顆粒對刀具的破壞性較大，所以刀具在設(shè)計時應(yīng)重點(diǎn)考慮刀具的耐磨性能，使每盤刀具的掘進(jìn)進(jìn)尺更長一些。

2 現(xiàn)有刀具配置情況及分析

施工中選用的掘進(jìn)方式是全線盾構(gòu)掘進(jìn)，選用的機(jī)器是羅賓斯Φ6.3 m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤設(shè)計時確定的刀具配置如表2所示。

表2 盾構(gòu)刀具配置表

根據(jù)地質(zhì)資料可知區(qū)間穿越的地層主要是粉細(xì)砂層⑤2和粉質(zhì)黏土層⑥以及卵石層⑦。對于粉細(xì)砂層及粉質(zhì)黏土層，最適合的刀具形式是刮刀；對于卵石層，因顆粒直徑較大（大于200mm），膠結(jié)特別緊密，一般使用滾刀；對于直徑不大的砂質(zhì)充填層，應(yīng)使用專門為該地層設(shè)計的刮刀，但從性價比考慮，該層使用滾刀更合適。具體到該項目，卵石層⑦和⑨的顆粒直徑介于較大與較小之間，且大部較為均勻，膠結(jié)為松散的中粗砂。參考以卵石地層為主的成都地鐵以及其他城市的經(jīng)驗，在該地層適合使用滾刀、撕裂刀與刮刀共同布置的方式。

3 刀具配置改進(jìn)建議

菜市口站至廣安門內(nèi)站區(qū)間以粉細(xì)砂地層及粉質(zhì)黏土地層為主，從地質(zhì)剖面圖可看到，多個地方長距離夾有卵石地層。卵石地層一般考慮中間刀具及正面刀具，以撕裂刀為主。過渡及邊緣部分安裝10把刀具，由于這部分碰到卵石的幾率大且掘進(jìn)進(jìn)尺、行走的線性距離最長，所以建議使用在卵石地層適應(yīng)性更好的重型滾刀。滾刀露出高度和初始設(shè)計一致，為150 mm.為了增加撕裂刀的使用時間并增強(qiáng)使用效果，撕裂刀的高度為160 mm，比滾刀稍高。在115 mm的高度上布置全斷面的刮刀，在刀盤上形成中間撕裂刀高度為160mm、邊緣滾刀高度為150mm、刮刀高度為115mm的梯度布置。

達(dá)官營站至廣安門區(qū)間主要穿越地層為卵石層⑦和⑨，根據(jù)勘探報告，這兩種地層卵石的直徑一般在30～60 mm之間，卵石的最大粒徑超過130 mm，卵石的含量在60%～70%之間。但是根據(jù)前期開挖豎井的情況看，發(fā)現(xiàn)該區(qū)間卵石含量只有10%左右，卵石的粒徑一般為150 mm，大的有超過400 mm的孤石。根據(jù)開挖揭露的情況，卵石粒徑比勘探中大得多，為破碎這些大石頭，刀具的布置向滾刀傾斜，具體的方案就是中心8把雙聯(lián)刀的位置布置雙刃的撕裂刀，正面及邊緣部分布置23把單刃強(qiáng)化滾刀。

3.1 刀具的外形說明

3.1.1 滾刀

滾刀使用重型加厚刀圈，17寸標(biāo)準(zhǔn)刀圈刃部寬度為20 mm，在軟地層，這種刀圈對掌子面附著力小。如果這個力不能使刀圈產(chǎn)生有效轉(zhuǎn)動，一般容易造成偏磨，并且在含卵石、漂石的地層軟硬不均，掘進(jìn)時受到的是時大時小的沖擊載荷，容易造成刀圈崩裂、刀圈不耐磨等失效型式。使用加厚刀圈（刃部寬度加大到30 mm），能較好地解決偏磨、刀圈不耐磨、沖擊使刀圈崩裂等情況。頂部設(shè)計成160°楔形，使刀圈頂部更光滑，受力更均勻，易于切入工作面且不易崩裂。

滾刀的性能：①刀圈材料采用具有江鉆專利技術(shù)的特種鋼材，鋼材牌號為KDCMSV，材料經(jīng)熱處理后，具有極好的耐磨性和沖擊韌性。②從以往刀具的失效型式分析，滾刀在卵石地層掘進(jìn)過程中，卵石對刀轂的撞擊極易導(dǎo)致刀轂與端蓋的配合處發(fā)生變形，使得刀轂與端蓋抱死，導(dǎo)致端蓋無法拆卸。針對這一現(xiàn)象，我們將刀轂做了相應(yīng)的改進(jìn)，增加了刀轂的厚度，提高了刀轂的耐磨性和抗沖擊性能，較好地解決了這一問題，延長了刀轂的使用壽命。在成都地鐵卵石地層中使用這一方法，收到了很好的效果。③滾刀的密封系統(tǒng)采用的是美國航天制造技術(shù)，高精度的加工保證了密封效果，O形圈采用先進(jìn)的氫化丁腈橡膠制成，耐酸堿、高溫，能適應(yīng)各種惡劣工作條件。④滾刀軸承采用世界知名的軸承制造公司TIMKEN的HH系列重型圓錐滾子軸承，它獨(dú)特的幾何形狀及設(shè)計理念，使其具有獨(dú)一無二的性能，能夠同時承受徑向和軸向的聯(lián)合承載力。滾刀軸承最高可承受120～150℃的高溫，允許短暫升至175℃，最高的赫茲接觸壓力為2100～3 100 MPa.⑤通過先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床保證滾刀零件尺寸的一致性，結(jié)合嚴(yán)格規(guī)范的裝配工藝保證滾刀的扭矩控制在25～40 nm之間，能很好地適應(yīng)卵礫石地層中滾刀具有較小的啟動扭矩的要求。

3.1.2 中心刀

中心刀使用雙聯(lián)撕裂刀，露出刀盤的高度為160 mm.為增加刀頭在卵石地層的耐磨性，選用的是兩側(cè)釬焊L型合金塊，中間合金塊嵌入基體，這樣的好處是合金塊可保護(hù)基體不受磨損。

3.1.3 正面撕裂刀

正面撕裂刀的刀頭型式及露出高度與中心刀相同，為減少刀具切入的阻力，刀頭寬度設(shè)計為76 mm.根據(jù)計算，撕裂刀對工作面的覆蓋系數(shù)大于1.也就是說，撕裂刀和低一層的刮刀分層切削，可使整盤刀具的壽命更長。

3.1.4 刮刀

根據(jù)羅賓森的初始設(shè)計，刮刀的寬度為150 mm.在砂卵石地層，為延長刀具壽命，可適當(dāng)增加刀具的寬度至250 mm，增加刮刀對工作面的覆蓋系數(shù)。根據(jù)計算，寬度增加后，刮刀對工作面的覆蓋系數(shù)由2.5增加到4左右，可見性能改善還是非常明顯的。但是由于整盤正面刮刀的加寬，有可能造成刀盤總體灌入度不夠，導(dǎo)致刀盤推力增加，扭矩增大，大盤主軸承壓力過大，因此，特將正面刮刀設(shè)計成傾角型，以增加刀具的灌入度。

3.1.5 邊刮刀

由于邊刮刀形狀復(fù)雜，露出的高度在刀盤設(shè)計之初就已經(jīng)確定，如果更改會帶來很多問題。因此，對于邊刮刀的外形尺寸一般不做更改，但根據(jù)地層的適應(yīng)性，可以使其更耐磨，所以可把原始設(shè)計的U型槽中釬焊合金塊的方式改為L型槽，并且在背部增加兩排合金，以增加邊刮刀的耐磨性。

邊刮刀的性能：①對于邊刮刀及邊緣刮刀，我們將切削刃部位由敷焊方式改為釬焊合金塊方式，同樣采用大面積鈍形耐沖合金，目的是為了提高所有邊刮刀的耐磨性，減少換刀次數(shù)。②合金刀刃倒角半徑加大為10 mm，可有效防止合金頭部因過尖而產(chǎn)生崩裂。③盾構(gòu)穿越卵石地層時，關(guān)鍵是刀具對卵石的剝落，而不是對沙層或土層的切削。為了提高刀具對卵石層的剝落能力，防止刀具損壞，刀具的角度不宜過大，因此將刀具前后角設(shè)計為10°.④邊刮刀基體采用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度合金鋼鍛造而成，材料牌號為高性合金鋼，材料熱處理后具有極高的耐磨性和抗沖擊性能：抗拉強(qiáng)度 σb（MPa）：≥980；屈服強(qiáng)度 σs（MPa）：≥835（85）；伸長率 δ5（%）：≥12；斷面收縮率 ψ（%）：≥45；沖擊功Akv（J）≥63.⑤刀背處防磨合金與主合金刃間距間距為10 mm，減小了土體對刀具母體的磨損，防止合金刀刃的“牙齦”的受損。⑥在合金塊的選擇方面，應(yīng)增加合金塊的抗沖擊性能，針對這種卵石地層，專門研制了幾種合金牌號，例如，JZ16C、JZ13A、JZ13C等。專門研制的合金具有高沖擊韌性，對卵石地層具有很好的適應(yīng)性。⑦邊刮刀基體非安裝表面敷焊耐磨合金，厚4～4.5 mm，可以提高基體的耐磨性。⑧在工藝方面，材料經(jīng)真空熱處理，保證基體具有很高的強(qiáng)度，釬焊工藝采用目前非常先進(jìn)的銀基釬焊技術(shù)，減小了釬焊對基體的影響，同時焊接具有很高的抗壓強(qiáng)度。⑨鑒于以往的經(jīng)驗，這種邊刮刀的設(shè)計既達(dá)到了良好的使用效果，又能夠節(jié)約工程的施工成本。

3.1.6 周邊保護(hù)刀

在砂卵石地層，對刀盤周圍的磨損比較大，所以最好在外圈間隔布置周邊保護(hù)刀。邊刮刀磨損后，保護(hù)刀開始切削隧道的外徑，避免刀盤的外圈結(jié)構(gòu)直接和工作面磨損。

4 類似案例

在砂卵石地層，類似的情況有成都地鐵、北京地鐵直徑線項目。廣州深圳的地鐵項目也有很多相同和相近的地層，但這些地方的卵石層膠結(jié)更為緊密，卵石直徑變化更大。特別是在成都地鐵，大部分卵石地層全部使用改進(jìn)后的重型加厚滾刀，其效果得到了客戶的認(rèn)可。但具體到北京地鐵7號線02標(biāo)段的卵石地層，情況稍好，所以考慮在中心刀部分安裝雙聯(lián)撕裂刀。在菜市口站至廣安門內(nèi)站區(qū)間，前半部分粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土較多，后半部分卵石較多，但粒徑比較適中，可用滾刀切削，也可用撕裂刀切削。結(jié)合以上因素綜合考慮，在刀盤外緣使用加強(qiáng)型滾刀、其他部分使用撕裂刀的方式。類似的項目有十六局南水北調(diào)中線工程，使用的海瑞克9 m盾構(gòu)機(jī)，外圈使用滾刀，中間使用撕裂刀，在穿越黃河底部的鈣質(zhì)結(jié)核、卵石地層得到了很好的效果，確保了隧道順利貫通。