淺談盾構機刀具的種類及其配置方式

李健敏（海瑞克（廣州）隧道設備有限公司，廣東 廣州 510760）

淺談盾構機刀具的種類及其配置方式

李健敏
（海瑞克（廣州）隧道設備有限公司，廣東 廣州 510760）

在盾構法隧道穿越過程中，盾構機的刀具是盾構開挖的主要工具，且刀具的好壞決定了整個掘進過程。所以選擇正確的刀具，并在刀盤上對其進行合理布置是至關重要的。本文著重介紹了刀具的種類及其配置方式。

盾構機；刀具；刀具配置

一、刀具種類

刀具是盾構機重要的部件，其直接影響著盾構施工進度。所以必須根據工程地段巖石的不同強度和地質特點以及刀具在不同巖石中表現出的破巖機理來對刀具進行設計和選擇。為了適應從軟土到硬巖不同地層的開挖，目前設計出多種刀具與之適應。盾構機刀具類型分為兩大類：滾刀和切削刀。而切削刀的種類繁多，包括：切刀、齒刀、邊刮刀、先行刀、仿形刀、魚尾刀。其中，滾刀和齒刀的刀座形式相同，根據不同的地質類型，兩種刀具可以互換。

1 滾刀。滾刀用于掘進純巖地層；伴有大粒徑的礫石（粒徑大于400mm）并且含量達到一定比例的松散地層；巖石（強度不是太高）與一般土體（松土或砂土）交錯頻繁出現的復雜地層。采用滾刀破巖時，其破巖原理是：刀盤旋轉帶動刀具掃過開挖面，此時滾刀擠壓周邊的巖石，使其表面形成裂紋繼而與開挖面脫落，使得巖石成功破碎。滾刀按刀具形狀的不同分為：盤形滾刀和齒形滾刀；而根據安裝位置不同分為：正滾刀、中心滾刀、邊滾刀、擴孔滾刀；按照刀圈的數量分為單刃滾刀、雙刃滾刀和三刃滾刀。在風化的砂巖和泥巖等軟巖地層時，一般采用雙刃滾刀；在較硬巖中采用單刃滾刀。

2 切刀。切刀是盾構機切削開挖面上體的主刀具。切刀用于開挖非巖質或軟土地層；粒徑小于400mm的砂、卵石、粘土等松散體地層。切刀在切削和剝離土體時，其切削原理是：盾構機向前推進的同時，切刀隨刀盤旋轉對開挖面土體產生軸向（沿隧道前進方向）剪切力和徑向（刀盤旋轉切線方向）切削力，使得切刀的刀刃和刀頭插入到地層內部，從而不斷將土體切削下來。

3 先行刀（超前刀）。先行刀是先行切削土地的刀具。先行刀在主要是協同其他刀具進行開挖。先行刀顧名思義是先行，所以它先于切刀切削土體，將土體切割分塊，避免切刀先行切削到地層，起到保護作用。先行刀一般位于面板上，切削寬度一般比切刀窄，能夠增加土體的流動性，從而大大降低切削刀的扭矩，提高切削效率。先行刀分為貝殼刀和撕裂刀。

4 仿形刀（超挖刀）。土壓平衡的盾構機一般會在刀盤的邊緣布置一至兩把仿形刀，其作用是：當施工進行時，通過仿形刀為切削土體創造所需空間，保證盾構機在超挖少，對周邊土體干擾小的條件下，實現曲線推進和轉彎及糾偏。根據超挖范圍的要求，從邊緣徑向伸出和縮回仿形刀。仿形刀伸出范圍在70mm～150mm之間。

5 魚尾刀。魚尾刀用于軟土地層掘進時，改善中心部分土地的切削問題和攪拌效果。它被安裝在刀盤中心部位，并高于切刀，保證魚尾刀最先切削土體。將魚尾刀根部設計成錐形，使刀盤旋轉時隨魚尾刀切削下來的土體，在徑向運動的基礎上以增加一項翻轉運動。

二、刀具配置方式

刀具在施工過程中能否達到最佳的切削效果和掘進速度，這與刀具的配置方式正確與否密切相關。在選擇刀具的配置方案時，需先了解工程地質地層的實際情況，對其巖石、土層進行詳細的分析，從而得出最佳刀具配置方式。根據目前的地質情況，大致分為以下四種土層：軟弱土地層；砂層、砂卵石地層；風化巖及軟硬不均地層；單純的純硬巖地層。

1 軟弱土地層的刀具。如南京、上海、杭州等地，以淤泥、粉質粘土和小顆粒泥土為主的地質。對此種地層進行挖掘，需采用切刀、中心刀、周邊刮刀、先行刀和超挖刀等切削刀具。切刀被安裝在開口槽的兩側，覆蓋了整個進碴口的長度；為配合刀盤正反旋轉，采用正反方向布置；為了進一少提高切刀的可靠性，要求在每個軌跡上至少布置兩把切刀。由于刀盤邊緣是最先接觸到土層，為了減少土層對刀盤切口環尺寸的影響，需在刀盤邊緣處正反方向各布置了八把刮刀。考慮到刀盤的受力均勻性，刀具布置具有對稱性，刀具安裝采用螺栓固定，便于更換。

2 砂層、砂卵石地層的刀具。如北京，成都地區，主要是以砂、卵石為主，摻雜有顆粒的巖石或者漂石的地層，對此地層進行挖掘時，需要配置寬幅切刀、中心刀、周邊刮刀、滾刀、先行刀（重型撕裂刀） 、仿形刀等刀具。切刀是主刀具，對大部分斷面進行開挖。中心刀用于開挖面中心斷面的開挖，起到定心和疏松部分土體的作用。周邊刮刀用于切削外周的土體，保證開挖斷面的直徑，所以也稱之為保徑刀。滾刀用于破碎粒徑較大的礫石或漂石。而重型撕裂刀則用于破碎強度較低和粒徑較小的卵石和礫石。先行刀用于預先疏松土體，降低切刀所受到的沖擊荷載。仿形刀用于曲線開挖和糾偏。

3 風化巖及軟硬不均地層的刀具。如廣州、深圳我國南部巖石區域較多，屬上軟下硬、地質情況極為復雜，且局部巖石單軸抗壓強度達到（150MPa～200MPa）；對此類地層進行挖掘時，需配置寬幅切刀、滾刀、仿形刀、先行刀。由于巖石層較為復雜，需先通過滾刀進行破巖，且滾刀的超前量應大于切刀的，這樣才能使得滾刀磨損后仍能避免切刀進行破巖，確保切刀的使用壽命。仿形刀用于增大開挖直徑，使得在曲線半徑小的隧道掘進時，保證盾構機的調向和避免出現盾殼被卡死的現象。

4 單純的純硬巖地層的刀具。如秦嶺1線隧道，以混合片麻巖和花崗巖為主的地層，此地層只需配置滾刀，為了增強滾刀的使用效率，甚至可以在刀盤面板周邊開口處配備刮碴刮刀板。

三、刀具配置的差異性

盾構機掘進時，刀具配置的差異會影響掘進速度和效果。對混合型地層進行施工時，刀具配置之間的差異主要來源于滾刀和先行刀之間的參數配置、數量、厚度、高度以及相互組合。兩者之間合理的高度差能夠有效地防止泥餅的形成和利于巖石破碎。同樣兩滾刀間的間距也會對破巖產生巨大的差異，間距過小，會造成碎石增多，增大破巖難度；間距過大，滾刀將會出現“巖脊”現象，無法有效破巖。為了避免滾刀間距不足或過小所產生的問題，需采取周邊滾刀間距小于90mm，正面滾刀間距為100mm～120mm的配置方式。

結語

刀具是刀盤中非常關鍵的部件，而刀盤又是盾構機在整個挖掘過程中起至關重要的作用，所以為保證整個施工按時完成，在盾構機施工前，必須考察工地地層的具體情況，根據地質特點合理選取刀具，并對其進行合理配置是至關重要的。

[1]楊威.盾構機刀具配置方式研究[J].城市建設理論研究：電子版，2012 （11）.

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