盾構刀盤結構及刀具型式對盾構掘進性能的影響研究

張洪濤

（中建交通建設集團有限公司，北京 100042）

盾構刀盤結構及刀具型式對盾構掘進性能的影響研究

張洪濤

（中建交通建設集團有限公司，北京 100042）

盾構刀盤是盾構中最主要的掘進部件，針對不同地質條件選擇不同的刀盤結構及刀具型式是盾構選型的關鍵。刀盤開口率、刀具型式及刀具的配置直接影響盾構施工掘進的效率。文章通過對土壓平衡盾構和泥水平衡盾構在刀盤開口率、刀具型式及刀具布置等方面深入分析，探討其對盾構整體掘進性能的影響。

盾構；刀盤開口率；刀盤結構；刀具型式

盾構法施工因其在施工速度、安全等方面具有明顯的優越性，盾構應用的區域和領域不斷擴大。針對不同區域地層、地質的特點，盾構刀盤需采取針對性的設計。盾構刀盤通過其上不同的刀具組合以及不同類型的土體改良材料，可以將掌子面土體切削下來，刮入土倉內，后通過螺旋機、皮帶輸送機運至渣土車內。刀盤必須具備開挖土體、穩定掌子面土壓力、土體攪拌的功能，因此，在刀盤設計階段要結合施工地層的特點綜合考慮、統籌兼顧，以求達到最佳的掘進效果。

1 刀盤結構型式及特點

盾構刀盤主要由刀盤焊接結構件、刀具、輔助材料噴射裝置、攪拌翼、表面耐磨材料等組成，設計時依據各個地層特點對各組成部分進行針對性設計。盾構刀盤按結構型式可分為輻條式、面板式和輻板式。輻條式刀盤的特點是刀盤結構由輻條組成，開口率較大，刮刀和先行刀均安裝在箱型或者圓柱型的輻條上（圖1）；面板式刀盤的特點是刀盤結構由面板組成，開口率較小，且面板上布置有主切削刀（滾刀或者撕裂刀），同時輻條上布置有切削刀和刮刀（圖2）；輻板式刀盤最顯著的特點是刀盤上同時有輻條、面板，但面板上無主切削刀（圖3），僅作為封板起到增強刀盤結構，降低開口率的作用。

圖1 輻條式刀盤

圖2 面板式刀盤

圖3 輻板式刀盤

從以上刀具裝配位置和刀盤結構本身可以看出輻板式刀盤是介于輻條式刀盤和面板式刀盤的一種中間結構型式，其中，土壓平衡盾構因施工地層地質條件范圍廣，可能在同一斷面內存在幾種地質條件，因此，在設計刀盤時 3 種結構型式的刀盤均有；泥水平衡盾構施工地層一般滲透系數較大，在富水砂層、粉細砂層及砂卵石地層穩定性較差，因此，刀盤結構通常設計為面板式或者輻板式。

2 刀盤開口率

2.1 開口率設計

刀盤開口率指刀盤開口區域面積與刀盤總面積的比值。刀盤開口率的大小主要取決于地層特點，地層內顆粒的粒徑尺寸、地層的穩定性。開口率的形狀尺寸以及開口位置直接決定了土體的流動性，掘進效率。目前，典型的幾種地質條件為淤泥質土、黏土、砂層、砂卵石地層，全、中、微風化巖層，以及幾種地質條件的混合形成的復合地層。其中，以淤泥質土、黏土、砂層地質為代表的地層多選擇輻板式結構，刀盤開口率為 30%～45%，但以黏土和砂層為代表的地層亦可選擇輻條式刀盤，開口率超過 50%；以砂卵石地層、全、中、微風化巖層為代表的地層多裝配滾刀，刀盤開口率通常為 30% ～40%。

2.2 土壓平衡盾構刀盤開口率設計

土壓平衡盾構在施工硬巖層或者復合地層時，刀盤需要布置大量滾刀進行破巖，刀盤結構常為輻板式結構，因此開口率較小，根據具體地質條件、粒徑尺寸等，開口率一般為 10%～40%。在均一性較好的軟土地層，比如砂層、黏土層刀盤可設計成輻條式（圖4）和輻板式（圖5），純輻條式刀盤開口率可高達 75%。

圖4 石川島輻條刀盤

圖5 石川島輻板刀盤

表1 輻條式刀盤與輻板式刀盤對比表

表1 給出了日本石川島盾構 2 種型式刀盤的特點，由表1 對比可以看出兩者的優缺點：輻條式刀盤開口率較大，土體易于進入土倉，這加劇了土體對土倉隔板的磨損，因此，在設計制造階段需提高土倉的耐磨性；輻板式刀盤在遇到掘進斷面內黏土較多，土體流動性差易結泥餅的地層，刀盤因開口率較小，造成切削的土體難以順利進入土倉，使得刀具和刀盤的磨損加劇，施工效率降低。因此，刀盤結構發生調整時，相應配套的系統如攪拌裝置、土體改良噴射裝置以及土倉的耐磨性亦需要根據刀盤結構的變化需求進行調整。

為了提高輻板式刀盤的適應性，使該型刀盤面板大小、數量可調整，有效提高刀盤的適應性和掘進效率，在設計該型刀盤時可按照純輻條式進行結構強度、剛度的設計，這樣在面板調整時不影響刀盤的整體強度，但可以改善刀盤的其他掘進指標，提升掘進效率。如，在北京、沈陽等地區的黏土、砂質黏土地層施工時，取消面板，做為輻條式刀盤。在上海淤泥質地層或含水量較高的砂層、砂卵石地層施工時，需加裝面板，做為輻板式刀盤。同一個刀盤通過面板數量、大小的調整，使該型刀盤在兼顧特定地層的適應性的基礎上，提升了設備的通用性和掘進效率。

2.3 泥水盾構刀盤開口率設計

地層滲透系數是盾構機選型中一個很重要的指標。當地層的透水系數大于 1×10-4m/s 時，宜選用泥水盾構；當地層的透水系數小于1×10-7m/s 時，可以選用土壓平衡盾構；當地層的滲水系數在1×10-7m/s ～1×10-8m/s 之間時，既可以選用土壓平衡盾構也可以選用泥水式盾構。因此，在富水砂層、粉細砂層及砂卵石地層等滲透系數高及地層穩定性差的地層，常選用泥水盾構，其刀盤結構通常設計為面板式，開口率通常取 10%～30%。

泥水盾構刀盤的開口率、開口尺寸以及開口位置的布置均是選型的關鍵，需統籌考慮。泥水盾構刀盤的開口亦可參照土壓盾構刀盤的結構設計，在自穩性好、粒徑可控地層，為提高掘進效率，可適當提高刀盤的開口率。以日本三菱泥水盾構刀盤為例（圖6），該刀盤為面板式結構，是典型 6 輻條加 6 面板結構，面板上布有可互換的滾刀和先行刀。該型刀盤每個面板兩側均有 1 個三角翼板，共計 12 個，12 個三角翼中除 3 個位置焊接有主動攪拌翼外，其余 9 個可自行增減。面板兩側的肋板直接與刀盤外周焊接，兩側翼板不作為受力結構件，可以任意增減，且其增減的尺寸可在主肋板外的區域自行決定。在泥水平衡盾構中，通過翼板尺寸和數量的調整，可在一定范圍內控制進入泥水倉內的粒徑。包含全部翼板的開口率為 30%，去掉 9 塊翼板后開口率調整為 34%（圖7，改進后面板式刀盤），因此，在施工過程中可根據地層的實際情況，靈活調整三角塊數量，調整刀盤開口率，改變掘進效率。

圖6 泥水盾構面板式刀盤

圖7 改進后面板式刀盤

3 刀具選型及刀具布置

3.1 刀具的主要功能

刀具主要功能是通過不同刀具的組合實現高效切削掌子面的土體，并將切削下來的土體及時收納到土倉內。在整個工作過程中需具有有效降低對刀盤結構的磨損和保持刀盤開挖直徑的功能。同一種結構型式的刀盤可以選擇不同的刀具型式和刀具配置方案，最后達到刀盤結構和刀具型式兩方面的完美結合。刀具型式可根據運動方式、布置位置和形狀等進行分類，按刀具結構劃分，一般分為刀圈系列、滾刀系列和焊接刀系列 3類；按切削原理劃分，一般分為滾刀和切削刀 2 類。刀具選型根據以淤泥質、黏土、砂層為代表的軟土地層和以全、中、微風化為代表的巖層兩者土體開挖原理的差異性，分為以先行刀切削土體和以滾刀破巖為主的兩大體系，結合地層實際情況和多種地層的混合情況，刀具選型配置上常兼具兩者混合使用。

3.2 先行刀切削體系

先行刀切削體系下，主要配置切削作用的先行刀和鏟土作用的刮刀。具體工作原理是先行刀先行切削掌子面土體，將土體切分成塊并疏松，刮刀隨后將松動的土體收入土倉內。該型方式一般適用于粒徑小于 400 mm的砂卵石、黏土、淤泥質地層。先行刀切削體系中刀具主要有齒刀、刮刀和先行刀，每種刀具根據地質特點分為不同的結構型式和安裝型式，通過不同類型的刀具從結構型式、安裝型式、刀具尺寸、高差等方面協同一致的配合可取得最佳的掘進效果。

日本石川島輻條式刀盤即為先行刀切削體系（圖8）刀具配置。刀盤上配置魚尾刀、周邊先行刀、先行刀、刮刀以及外周保徑刀和超挖刀，在刀盤旋轉過程中，魚尾刀處于刀盤的中心，高于其他的先行刀，起到先行切削土體從而形成自中心向外延伸的同心圓。同時，位于最外側的周邊先行刀亦先行切削土體，通過兩者先行切削土體，使刀盤開挖直徑內的原狀土體與外界土體隔離，從而大大降低了其他先行刀切削過程中的摩擦力，起到降低刀盤扭矩和減少先行刀磨損的重要作用，因此，在配置先行刀時需重點考慮先行刀的結構形式、裝配形式、耐磨性、耐沖擊能力。刮刀的主要作用是將梳松的土體及時收入土倉內，減少對刀盤的二次磨損，在設計時需根據地層確定合金尺寸、焊接工藝、裝配型式。

3.3 滾刀破巖切削體系

在滾刀破巖切削體系下，主要配置刮刀、滾刀，其中滾刀的重要作用是碾壓破巖。在刀具配置過程中刀具高差設計、滾刀的間距是破巖的關鍵，兩者是影響掘進效率的主要因素。安裝在刀盤上的滾刀在推進油缸的作用下緊壓在巖面上，隨著刀盤的旋轉，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，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，滾刀完成一次破巖過程（圖9）。滾刀刀圈的材質、型式、性能直接關系到刀具的破巖能力。

3.4 刀具耐磨性

先行刀切削體系和滾刀破巖切削體系均需考慮增強刀具的耐磨性，其中先行刀切削體系下主要通過合金尺寸、形狀、本身性能增強其耐磨性，在刀體母材上覆蓋耐磨層。滾刀破巖體系下和滾刀耐磨性的增強主要通過刀圈的材質、刀圈的結構形式和刀具上敷焊耐磨層的硬度。

圖8 先行刀切削體系

圖9 滾刀破巖機理

4 刀盤耐磨性

刀盤的耐磨性主要是刀盤結構材質的耐磨性和刀盤覆蓋耐磨材料的耐磨性，目前，國內盾構刀盤一般選材為 Q345B，部分廠家采用 Q690 等高強度板材，刀盤結構選材主要考慮材料的經濟性、可焊性和強度要求。刀盤覆蓋耐磨材料主要是用在刀盤正面和側面，目前，主流為 hadox 耐磨板、信鉻鋼、耐磨焊條堆焊等，根據實際使用效果，信鉻鋼的耐磨性最好，能有效保護刀盤正面，延長刀盤使用壽命。刀盤外周耐磨性能對保護刀盤至關重要，為提高刀盤外周的耐磨性，一方面設計外周保護刀，另一方提升耐磨材料及其安裝型式，根據實際使用效果，外周焊接圓周方向鑲嵌碳化物合金的刀具和信鉻鋼，耐磨效果和經濟效果最佳。

5 結束語

盾構刀盤是影響掘進效率的關鍵，刀盤結構形式、開口率、刀具選型及配置方案、耐磨措施均需統籌考慮，協同一致，才能最大限度發揮刀盤的性能。通過在設計階段的優化，可以提高刀盤在使用過程中的通用性，提高掘進效率，降低施工成本。

［1］ 李建斌.淺談盾構刀盤的設計與應用［J］.建筑機械化， 2006（3）.

［2］ 宋克志，王夢恕.淺談隧道施工盾構機的選型［J］.鐵道建筑，2004（8）.

［3］ 李鳳遠.盾構選型和關鍵參數選擇探討［J］.建筑機械化，2008（8）.

［4］ 竺維彬，鞠世健.廣州地鐵三號線盾構隧道工程施工技術研究［M］.廣東廣州：暨南大學出版社，2007.

［5］ 郭信君.南京長江隧道盾構機選型探討［J］.現代交通技術，2008（4）.

責任編輯 朱開明

Study on Impact of Shield Cutter Head Structure and Cutting Tool Type on Shield Tunneling Performance

Zhang Hongtao

Shield cutter head is the most important part of the shield.In view of the different geological conditions， it is the key to select the structure of the cutter head and the cutter type.The opening percentage of the cutter head， the cutter type and the confi guration of the cutter directly have infl uence on the effi ciency of shield tunneling.The paper makes a further analysis on the soil pressure balance shield and slurry balance shield on the opening percentage of cutter head， cutter type and cutter layout， etc.and its influence on the advance performances of the complete shield is discussed.

shield， cutter head opening percentage，cutter head structure， cutter tool type

U455.43

張洪濤（1978—），男，高級工程師

2016-01-14