盾構機及其使用鑿巖鉆具種類

胡 銘，董鑫業

（中國鋼結構協會釬鋼釬具協會 秘書處，北京 100088）

0 前言

盾構機是工程機械裝備制造業的標志性產品，也是當今世界上最先進的地下工程與隧道掘進超大型專用設備。在本世紀初的十年中，我國南水北調、軌道交通、公路、水利建設等一大批大型工程中隧道建設采用盾構機施工的比例不斷增大，北京、上海、廣州、深圳、成都、南京等城市地鐵項目施工中基本上采用盾構機施工。按照城市軌道交通建設規劃方案，目前國內大約有25個大城市正在進行軌道交通前期工作，總規劃里程超過5000公里，總投資估算超過8000億元。全國特大城市的地鐵和輕軌通車里程將超過1500公里。目前，我國在建城市軌道的15座城市將新建軌道交通線65條，總長度為1700公里。據資料統計，我國正在使用的盾構掘進機數量約500臺左右。按照目前我國若干城市報批或者已批準承建的地鐵項目，加上大型的越江工程，估計我國今后5年內陸續投入施工的盾構機至少將增加300臺以上，也就是說，我國的各類盾構機及盾構機用鉆具產品蘊含著巨大的市場前景。

可以認為，在日益重視開發利用地下空間的今天，盾構機開挖具有廣闊的市場前景。因此，了解盾構機掘進基本工作原理，掌握盾構機掘進用鉆具類型是我們釬鋼釬具行業應該關注的產品發展方向。

1 盾構機與掘進刀盤

盾構機是一個具備多種功能于一體的綜合性隧洞開挖設備，它集合了盾構施工過程中的開挖、出土、支護、注漿、導向等全部的功能，目前，盾構機已成為地下工程及隧道施工的首選設備。其優點如下：

（1）不受地面交通、河道、航運、季節、氣候等條件的影響。

（2）能夠經濟合理地保證隧道安全施工。

（3）盾構的掘進、出土、襯砌、拼裝等可實現自動化、智能化和施工運輸控制信息化。

（4）掘進速度較快，效率較高，施工勞動強度較低。

（5）地下環境不受盾構施工的干擾。

其缺點為：

（6）盾構機市場銷售價格較高。

（7）在飽和含水的松軟地層中施工，地表沉陷風險大。

（8）隧道曲線半徑過小或埋深較淺時難度較大。

（9）設備體積龐大，在轉移場地過程中運輸、安裝及場地布置等較復雜。

盾構機按工作場地可分為：軟土盾構機、硬巖盾構機、混合型盾構機三種形式，機械結構上有：開啟式、半開啟式（半封閉式、欠土壓平衡式）、封閉式（土壓平衡式）、氣壓式四種結構。

軟土盾構機適應于未固結成巖的軟土、或者某些半固結成巖及全風化和強風化圍巖。刀盤只安裝刮刀，無需滾刀。

硬巖盾構機適應于硬巖且圍巖層較致密完整的巖層，只安裝滾刀，不需要刮刀。

混合盾構機適應于以上兩種情況，適應更為復雜多變的復合地層。可同時安裝滾刀和刮刀。

圖1 用于隧洞開鑿施工作業的硬巖盾構機

氣壓盾構是在加氣壓狀態下的施工模式，既可用于泥水加壓式盾構機，也可用于土壓平衡式盾構機。

盾構機在施工過程中要根據掘進地層的不同，需要采用不同的刀盤結構及不同的刀具組合布置形式，同時配置的刀具性能要求也不同。通常盾構機的刀盤分為刮刀刀盤、滾刀刀盤和復合刀盤三種類型（圖2）。

圖2 盾構機刀盤類型

刮刀刀盤通常配置刮削型刀具，適用于未固結成巖的軟土地層和某些全風化或強風化的軟巖地層，一般地，單軸抗壓強度20MPa以下的巖土層。我國上海、天津、西安、鄭州等地的盾構機施工通常使用刮刀類刀具。刮刀刀盤通常也稱為輻條式刀盤或軟土刀盤，結構相對簡單，刀具制作比較容易。

滾刀刀盤通常配置盤形滾動刀具，適用于硬巖地層。對于鐵路、公路隧道、引水工程隧道這類均一的全斷面硬巖地層通常只用滾刀（配以刮板）組裝成刀盤。滾刀刀盤通常稱為硬巖刀盤或TBM刀盤，目前國內使用量較大的是17英寸直徑的盤型滾刀，例如秦嶺鐵路隧道施工的TBM刀盤就采用這種滾刀。

在盾構施工工程中的大部分地層往往有軟巖也有硬巖，一段軟一段硬或上軟下硬、密實膠結卵石土等軟硬不勻的地層，例如廣州地鐵、深圳地鐵、成都地鐵、北京地鐵以及江底隧道施工中普遍存在這種地層。這時就要采用復合型刀盤。

復合型刀盤配置的刀具既要安裝滾刀，也要安裝刮刀。如在廣州地鐵施工中盾構機的刀盤在選擇這種形式后施工效率大大加快。

刀盤是盾構機的核心部件，其結構形式、強度和整體剛度都直接影響到施工掘進的速度和成本，并且出了故障維修處理困難，因此盾構機刀盤應滿足以下要求：

（1）刀盤應有足夠的強度和剛度。

（2）刀盤應有較大的開口率。

（3）針對地層的變化，能夠方便地更換硬巖滾刀和軟巖齒刀。

（4）刀盤結構應有足夠的耐磨強度。

（5）刀盤上應配置渣土攪拌裝置。另外，刀盤上還應配置足夠的注入口，各口裝有單向閥，以滿足刀具的冷卻、潤滑和渣土改良。

圖3為目前國內地鐵施工中常用的平面圓角形復合刀盤示意圖。采用鑄造和焊接混合型方式制作，刀盤前端面有8條輻板（開有8個對稱的長條孔），其上配有滾刀（齒刀）座、刮刀座和2根攪拌棒，刀盤與驅動裝置用法蘭連接，法蘭與刀盤之間是靠四根粗大的輻條相連。為保證刀盤的抗扭強度和整體剛度，刀盤中心部分、輻條和法蘭采用整體鑄造，周邊部分和中心部分采用先拴接后焊結的方式連接。以前該件需從國外進口，現在已國產化。為保證刀盤在硬巖掘進時的耐磨性，刀盤的周邊焊有耐磨條，面板上焊有柵格狀的耐磨材料。刀盤上裝有4路泡沫管，分為8個出口，各口都裝有單向閥。裝有塔形滾刀超挖刀一套，配油管2根，其行程為50mm。刀盤上可裝雙刃滾刀4把，單刃滾刀31把，正面齒刀64把。邊緣齒刀16把。

刀盤外形尺寸：直徑6280mm、刀圈外徑6130mm、總厚度1410mm、刀盤厚度580mm。

刀盤工作參數：重量57000kg、開口率28%、超挖刀行程50mm、刀盤轉速 0～6.1r/min、最大扭矩 4500kN·m，脫困扭矩5300kN·m。

盾構機刀盤旋轉時靠刀具切割巖土體并由油缸向前推進，從而實現連續的機械化隧道掘進。由于我國地質復雜，盾構掘進會遇到諸如軟塑粘土、砂性及粉細砂、砂卵石及軟弱破碎巖石等復雜的地層。盾構刀盤旋轉切削土體時會與隧道開挖面將產生復雜的相互作用力。因此，盾構機的刀具類型與布置、刀具制造質量、防磨損等問題就成為盾構機施工單位選擇刀具的重點內容。

圖3 地鐵工程盾構機常用掘進刀盤示意

2 盾構機刀具種類和切削原理

如上所述，盾構機刀具的配置是盾構機刀具設計中非常重要的內容，其配置是否適應工程的地質條件，直接影響盾構機刀盤的使用壽命、切削效果、出土狀況、掘進速度和施工效率。此外，盾構機刀具是盾構機破巖掘進的關鍵部件，在掘進中容易損壞，可以認為是一種有著較大市場發展空間的鑿巖鉆具類產品，值得釬鋼釬具生產制造企業密切關注。盾構機刀具的使用壽命的長短，不僅與刀具制造質量有關，還與刀具的正確選型與維護有關，也就是說刀具的選型和維護直接影響到盾構機施工的安全性、可靠性和經濟性。

目前盾構機使用的刀具一般分為兩大類，即刮削刀具、滾動刀具（圖4）。

圖4 盾構機使用的兩種刀具類型

2.1 刮削刀具（刮刀、割刀）

刮削刀具是指只隨刀盤轉動而沒有自轉的破巖刀具，刮削刀具的種類繁多，目前盾構掘進機上常用的刮削刀具類型有邊刮刀、刮刀、齒刀、先行刀、貝殼刀、魚尾刀等。

刮刀由刀座、刀體和刀刃三部分組成，刀座是與刀盤連接的部分，與刀盤的連接方式有焊接（先行刀）、螺栓連接（邊刮刀）、插銷連接（正面刮刀），齒刀或切刀與滾刀的安裝方式相同。

刀體對硬質合金刀刃起支撐和保護作用，要有足夠的強度和耐磨性。通常采用表面硬化處理或局部堆焊耐磨層。

刮削刀刃是刮刀刮削巖土和保護刀體不被磨損的關鍵部位，通常用硬質合金制作，硬質合金尺寸和形狀根據刀具部位、作用、地層而定。

硬質合金刀刃與刀體的連接方式可以采用釬焊、鑲嵌和鑲嵌焊。釬焊焊料有銅基和銀基兩大類，焊接方式采用感應頻焊接和真空焊接。

2.2 滾動刀具（滾刀）

滾動刀具是指不僅隨刀盤轉動，還同時作自轉運動的破巖刀具。根據刀刃的形狀，滾刀可分為：齒形滾刀（鋼齒和球齒）、盤形滾刀（鋼刀圈滾刀和球齒刀 圈滾刀）等類型（圖5）。

圖5 盾構機常用的滾動刀具類型

盾構掘進機滾刀主要是盤形滾刀，根據安裝位置，滾刀可分為正滾刀、中心滾刀、邊滾刀、擴孔滾刀等，其中使用正滾刀和中心滾刀的數量較多（圖6）。

圖6 正滾刀和中心滾刀

盤形滾刀根據形狀可分為單刃、雙刃和多刃型。目前常用刀刃外徑的尺寸有13英寸、15英寸、17英寸、19英寸等規格，其中以17英寸系列產品使用量較大。

盾構機滾動刀具結構主要由刀圈、刀體（套）、刀軸、軸承、金屬浮動密封環、刀蓋（座）及聯接螺栓等件組成。滾刀的內部結構是保證滾刀工作時正常旋轉的關鍵，通常由軸承、密封、潤滑油脂組成，其結構見圖7。

圖7 盾構掘進機滾刀結構示意

2.3 盾構機刀具切削原理

在盾構機工作過程中，通常對土層及部分軟巖地層采用刮削刀具，對硬巖或堅硬巖層采用盤形滾動刀具。下面敘述盤式滾刀的切削破巖過程。

盾構機鉆進時，安裝在刀盤上的盤形滾刀在千斤頂的作用下緊壓在巖面上，隨著刀盤的旋轉，盤形滾刀一方面繞刀盤中心軸公轉，同時繞自身軸線自轉。滾刀在刀盤的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圓溝槽。當推力超過巖石的強度時，盤形滾刀刀尖下的巖石直接破碎，刀尖貫入巖石，形成壓碎區和放射狀裂紋；進一步加壓，當滾刀間距滿足一定條件時，相鄰滾刀間巖石內裂紋延伸并相互貫通，形成巖石碎片而崩落，盤形滾刀完成一次破巖過程（圖 8）。

圖8 盤式滾刀的切削破巖過程

由圖8可以看出，滾刀在高推力作用下，切入巖石表面（切入深度10-15mm，取決于巖體強度），同時巖面產生局部變形及很高的接觸應力。并在此應力作用下，刀刃與巖石接觸部分的巖體產生粉碎區，即應力核心區。此核心區深度越深、范圍越大對提高破巖效率越明顯。當沿粉碎區周邊應力大于巖體的抗拉強度或抗剪強度時，便產生張拉裂縫。該裂縫是滾刀能否破巖的先決條件。在應力核心區下層是應力過渡區，該區為應力衰減區，對巖體裂縫的產生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂縫，由于其方向與破巖方向一致，因此也不能顯著地提高破巖效率，但能加大下個循環中壓入階段應力范圍。當相鄰滾刀的間距使起裂階段產生的裂縫相互連通時，表面部分巖體便被裂縫分割，形成碎片并脫離開挖面，從而完成巖石破碎過程。

3 盾構機刀具結構與材料

3.1 刮削刀具的結構與材料

刮刀是由刀座、刀體和刀刃三部分組成的。刀座直接安裝在盾構機刀盤上，安裝方法有焊接（如先行刀）、螺栓連接（如邊刮刀）、插銷接（如正面刮刀）等。刮削刀具中有刀座與刀體為一體的，也有與刀體焊接為一體的，目前國內生產的刀座材料通常選擇焊接性能較好的低碳合金鋼。

刀體的作用是對硬質合金刮削刃起支撐和保護作用，要求有足夠的強度和耐磨性能，通常選用中碳合金鋼或空淬鋼，在焊接硬質合金刮削刃過程中實施熱處理硬化工藝，使刀體硬度達到HRC42以上，有的刀體還采用局部堆焊硬質耐磨層材料，以提高耐磨性能。

刮削刀具的刀刃通常采用硬質合金，其大小和形狀根據刀具部位、作用、地層，以及刀具的設計形式選擇。目前 使用量較多的刮削刀具見圖9。

圖9 盾構機常用刮削刀具

3.2 盤式滾動刀具的類型與材料

盾構機在中硬巖地層掘進時通常采用滾動刀具破巖，目前國內盾構施工使用較多的滾動刀具是盤式滾刀。根據不同的巖石狀況，盤式滾刀的刀圈分為以下幾種類型（圖10）。

普通型或加厚鋼刀圈：適用于掘進緊密型巖土地層、斷裂礫巖、砂巖、砂粘土等地層，以及中硬巖石，如大理石、灰巖地層，高磨損巖層。

圖10 常用的幾種盤式滾刀的刀圈

鑲齒硬質合金刀圈：適用于掘進堅硬巖石，如玄武巖、斑巖及石英等地層。

鑲齒硬質合金、堆焊耐磨硬質材料刀圈：適用于掘進堅硬巖石和高磨蝕性巖層。

如上所述，在盾構機盤式滾動刀具中刀圈是主要損耗部件，也是市場需求量較大的鑿巖工具產品類型，而盤式滾刀的刀圈材質是決定滾刀能否掘進硬巖的關鍵。根據刀圈的工作條件，制作刀圈材料主要以合金工具鋼和合金結構鋼為主，采用鍛造方式制作刀圈毛坯。選用制作刀圈的鋼材應滿足以下性能要求：

（1）高的屈服強度，避免刀刃端在高應力下壓潰變形；

（2）足夠高的硬度，增加耐磨性，減少刀圈磨損；

（3）良好的沖擊韌性，防止刀圈斷裂；

（4）良好的抗回火性能，提高材料的熱穩定性，保證刀圈在熱裝和滾壓巖體過程中不降低硬度。

（5）良好的熱加工和冷加工的工藝性能，材料成本相對較低，制造方便。

（6）經熱處理后硬度可達到HRC52-59，可以承受較大的沖擊，具有較高的耐磨性能，刀具制造費用相對較低，刀圈適用地層范圍廣，從軟巖、中硬巖到硬巖都可選用。

常用制作滾刀刀圈的鋼材牌號及化學成分見表1。

表1 滾刀刀圈的鋼材牌號及化學成分wt%

球齒刀圈是在鋼基體上鑲嵌硬質合金齒，硬質合金齒的齒形有球狀或楔狀等形狀，硬度為HRA85-88范圍內，通常采用冷壓固齒方式鑲嵌在球齒刀圈鋼基體上。球齒刀圈主要用于抗壓強度超過175MPa的堅硬巖石掘進作業，其壽命通常是鋼制刀圈的3-5倍，但由于采用硬質合金材料，制造成本比鋼刀圈要高。

4 滾動刀具的內部結構要求

4.1 滾動刀具密封裝置：

盾構機滾動刀具是在高推力、大扭矩的泥水環境條件下對巖土進行破碎掘進的鑿巖工具，工作條件非常惡劣。刀具的密封性能對保證滾刀內腔的潤滑劑不漏出并防止外來物進入，使軸承正常工作、延長刀具工作壽命是十分重要的。目前滾動刀具的密封裝置多采用金屬浮動密封環密封結構。

金屬浮動密封環密封屬于機械端面密封種類的一種，采用這種密封裝置的滾動刀具在均勻載荷、潤滑優良的條件下試驗壽命高達5000h。由于滾刀作業受力復雜多變、使用環境惡劣，有一定的外部介質壓力等，通常使用壽命會降很多，但還是能滿足滾刀使用要求。

金屬浮動密封環密封由兩個嚙合的金屬密封環和兩個富有彈性的復合橡膠密封圈組成。具有浮動能力，可補償裝配端間隙或防止偏斜。金屬密封環是密封裝置中的主要零件，其結構及質量的好壞起決定性作用。金屬密封環采用高硬度的耐磨高鉻鉬的鑄鋼材料，硬度HRC60-65，工作表面粗糙度Ra≤0.1μm，表面平面度≤0.0015mm。

金屬密封環有以下特性：

（1）采用4度導油斜面及大曲率半徑球面環與平面環結構，有利于形成油膜，以保證軸承潤滑油不泄漏及阻止泥土進入軸承腔；

（2）采用高光潔度及硬度工作面，減少了摩擦阻力，使工作面貼合良好，提高密封性能；

（3）浮動密封環采用的復合橡膠O型密封圈，具有可壓縮性大及回彈性好等特點。始終對金屬環施加壓力，讓金屬環工作面始終接觸，保證軸承潤滑油不泄漏及阻止泥土進入軸承腔，起到密封效果。

4.2 滾動刀具軸承

前期的盾構機刀具使用較多的刀具軸承是滾柱和滾珠軸承結合的方式，通常用滾柱承受較高的徑向載荷和沖擊載荷，用滾珠承受推力，把滾刀和軸承固定在一起，滾刀體和軸起滾道的作用。由于這種形式的軸承在刀具拆卸維修時非常不方便，在盾構掘進機滾刀上已普遍被圓錐滾動軸承代替（圖11）。

圖11 滾動刀具軸承結構示意

圓錐滾動軸承采用錐形滾柱和滾道，具有以下特點：

（1）能同時承受徑向載荷和軸向推力；

（2）就相同的軸承尺寸而言，承載能力更大，壽命更長；

（3）調節性能好；不管是軸向游隙還是預加負荷，均能按設計要求達到最佳性能；

（4）其錐型結構而固有的自動移油特點，能從滾道接觸區域除去任何微粒沾染物，大大降低了受工作環境污染物的影響；

（5）與其他類型的軸承相比，因純滾動效果較佳，摩擦系數減少，速度提高；

（6）由于其內外滾道可分離，安裝和拆卸簡便。

5 結語

（1）盾構機是裝備制造業的標志性產品，也是當今世界上最先進的隧道掘進超大型專用設備。目前我國生產盾構機和盾構機刀具的企業不斷增加，表明盾構機刀具產品有著較大的市場發展空間。

（2）盾構機刀具屬于鑿巖鉆具產品范疇領域，但目前我國釬鋼釬具行業中從事盾構機刀具生產的只有四家企業，對大多數釬具生產企業來說盾構機刀具是一種比較陌生的產品。有條件的企業應關注這一產品的市場動向，注意產品實物和技術資料的收集、整理和分析，從而逐步開展研制工作。