基于地層巖性的土壓平衡盾構機刀盤設計研究

李天明　王瑩

摘 要：分析了廣州地鐵某隧道地層巖性的現狀，對其盾構施工條件進行了評價，針對地質情況設計了土壓平衡盾構機的刀盤刀具，總結出土壓平衡盾構機刀盤刀具的配置特點。

關鍵詞：土壓平衡盾構機；地層巖性；刀盤；刀具

盾構機是暗挖地下隧道的專用工程機械，可以進行開挖、支護、襯砌等多種作業一體化施工，被廣泛應用于地鐵、鐵路、公路、市政管網等隧道工程建設。土壓平衡盾構機掘進過程中會遇到不同地層，從淤泥、粘土、砂層到軟巖及硬巖等，開挖過程中受力十分復雜，工作環境惡劣[1]，所以根據地層巖性研究刀盤刀具是非常有意義的。

1 工程概況及地層巖性分析

廣州地鐵某隧道設計為雙線圓形隧道，隧道內徑為5400mm，外徑6000mm。隧道分為三個區間。

盾構一區間上覆第四系為人工填土層、沖積-洪積砂層、土層、淤泥質土和殘積土層，其中砂層在東湖范圍厚度較大，軟土埋藏在淺部，且厚度較薄，殘積土層在東湖一帶缺失，在東山口一帶則厚度較大。下伏基巖白堊系上統東湖段河西濠段紅色碎屑巖，風化程度不均一，軟硬夾層較多。巖性為棕紅色，紫紅色，巖性為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖夾薄層狀泥灰巖。

盾構二區間上覆第四系土層厚度為5.50米-13.20米，下伏基巖為白堊系上統大 山組三元里段碎屑巖，上部軟硬夾層較多，巖面略有起伏。巖性主要為雜色礫巖夾暗紫紅色粉細砂巖、礫巖與粉細砂互層；本區段盾構隧道部分地段通過微風化礫巖，其抗壓強度較高，最大值達62.2MPa。

盾構三區間上覆第四系土層厚度變化較大，厚度為5.30-18.40米，下伏基巖為白堊系上統大 山組黃花崗段地層，風化較強烈且不均一，軟硬夾層較多，巖面起伏較大。巖性主要為紫紅色泥巖、泥質粉砂巖，夾含礫粉細砂巖，局部石灰巖和石膏。

2 盾構段巖土工程條件分析評價

根據勘察資料，盾構一區間隧頂埋藏標高約為-13～-19m，埋深約20-26m，根據工程地質斷面圖隧道在巖層中掘進。由于軟硬夾層較多，同時由于紅色碎屑巖為泥鈣質膠結，應采取一定的碴土改良措施，防止形成泥餅。

盾構二區間隧道結構頂板埋藏深度約21-27m。根據工程地質斷面圖，隧道大部分地段在微風化巖層中通過，圍巖性質相對較好。本段盾構隧道部分地段通過微風化礫巖，其抗壓強度較高，最大值達62.2MPa，盾構機掘進時，應注意刀盤的選擇。

盾構三區間隧道頂板埋深約17-22m。隧道大部分地段通過巖石全風化帶和強風化帶，屬Ⅱ-Ⅲ類圍巖，對盾構施工較為有利。但由于本區間軟硬夾層較多，盾構施工時應注意刀具的選型和刀盤的選擇，以及保證良好的碴土改良系統。

3 刀盤的設計

根據巖土情況，設計刀盤具有一般的土壓平衡特點，并適合于在巖石條件下開挖。開挖直徑6280mm。

刀盤由6個輻條和6個鋼板組成。每個輻條兩邊安裝刮刀。這些刀具用于在軟土或軟巖條件下進行切割。通常軟巖硬度限制大約為40MPa，但是這些刮刀能夠切碎60MPa的硬巖，但只可用于很短一段隧道的開挖。在硬巖中掘進時要根據情況更換一定數量的滾刀。

刀盤外表面焊接有硬化防磨保護層，并有以下特點：最終硬度從52 到56HRc；工作溫度T°<100°C；用于承受沖擊負荷的結構表面的硬化面層；硬化面層具有高的抗磨損性能。

刀盤的構造、布局、刀盤開口的設計和刀具的布置充分考慮了渣土的流動性，避免刀盤渣土通道被堵塞，減少刀盤的磨損。

所有的刀具以及滾刀都能從開挖室里刀盤的背面進行拆卸和更換。撕裂刀和盤形滾刀可互換安裝。在刀盤后部支撐隔板的左側中部有專門更換刀具的倉門，配備起吊機具及平臺，便于刀具運輸和換刀的操作；人倉內配備可拆卸的運輸刀具的單軌梁，在管片安裝機上配備可拆卸的吊運刀具的手動裝置。

4 刀具的設計

土壓平衡盾構機的刀盤根據地質條件的不同一般分軟土和硬巖兩種刀盤布置形式，軟土區刀盤的布置形式是以齒刀為主輔以邊緣滾刀和刮刀，硬巖刀盤的布置形式是以滾刀為主輔以刮刀。

刮刀用來切割未固結的土壤。可以將開挖面的土壤剝離下來。刮刀的寬度使得每把刀的切割軌跡之間有一定的重疊。刮刀上鑲有碳化鎢刀刃，目的是為了更好地防止開挖過程中產生磨損。刀體由經過機加工的碳鋼制成，刀刃由用銅焊焊在刀體凹槽中的碳化鎢鑲嵌塊構成。刀體上可能與開挖面發生摩擦的其他表面由硬化面層加以保護。切刮刀安裝在焊在刀盤輻條兩側的支架上，不需要在開挖面上挖一個深孔便可以拆卸一把刀或安裝一把新刀。

滾刀在推力的作用下貫入巖層，同時在開挖面巖石阻力的作用下隨刀盤做同心圓滾動，巖石被擠壓，形成擠壓切槽，并在小半徑范圍內將擠壓裂紋延伸到周圍的巖石，最終在刀盤推力作用下擠壓切槽兩邊的巖石呈片狀破碎。刀盤上裝備有用于安裝17″單刃滾刀及雙刃滾刀（僅中心滾刀為雙刃）的刀座，以適應盾構機在硬巖中使用盤型滾刀。所有盤形滾刀都從刀盤后面進行拆裝。盤形滾刀高出標準刮刀40mm。刀盤上裝備有單刃滾刀，它有利于渣土沿著滾刀的兩側流過，可防止由于渣土的積聚對滾刀造成的額外磨損。滾刀額定承受載荷為250KN；滾刀的轉動扭矩在25-35NM之間可以調整，以避免盾構機在軟土地層中掘進時滾刀不轉造成偏磨。

超前撕裂刀用于先行切割和松動固結土。它比標準刮刀高20mm，每一個撕裂刀與其對應的標準刮刀處于同一半徑上，可以和盤形刀具互換。所有撕裂刀都從刀盤后面進行拆裝。

5 結束語

刀具是盾構機的一個非常重要的組成部分，對刀具合理選擇、使用 、維護和更換，直接決定盾構掘進工程的質量、進度和工程成本。土壓平衡盾構機在刀盤選型和刀具配置時要著重注意以下幾點：（1）實際施工時會遇到各種復雜的地層，地質資料不能完全準確反映實際地質情況。因此在盾構刀盤選型時要對地質進行充分的分析，刀盤及刀具配置要有一定的富余。（2）對于復合巖土地層，刀盤除配置切削型刀具外，還要配置盤形滾刀，對于巖層首先通過盤形滾刀進行破巖。（3）渣土改良不僅有利于土壓控制，還可以延長刀具壽命，注意保持刀盤面板注入口的暢通。

參考文獻

[1]李朝，等.北京砂卵石地層盾構機刀盤磨耗分析及工程措施[J].建設機械與管理，2012，8：20～21.