富水圓礫地層盾構機刀盤刀具分析研究

王宏義

中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司 廣西 南寧 530000

正文：

前言

圓礫、砂卵石地層屬于力學不穩定層，其主要特性是結構松散，無膠結，呈大小不等的顆粒狀，且顆粒之間的空隙大、黏聚力較小。圓礫砂卵石地層未經過擾動時是致密的，但是經過盾構外力推進后，使土壤結構發生改變，土體變得松散，失去原有的凝聚力，容易造成地面沉降。基于此問題，富水圓礫地層盾構機刀盤形式、刀具布置和刀具形狀在盾構機設計就顯得尤為重要，此設計可直接影響三個方面：盾構機的切削效果、出土狀況、掘進速度等。

1、富水圓礫地層盾構機刀盤的選擇及分析

(1) 刀盤結構的選擇

刀盤采用復合式設計，支撐方式為中心支撐。刀盤可實現正反雙向旋轉出碴。同時也帶來了刀具更換的簡便性，可拆卸的刀具均可以采取背部更換，刀盤主體結構也變得更加耐用，據統計正常使用壽命大于10km。鋼結構采用Q345B高強度鋼板焊接而成。復合式設計可以提供對掌子面的機械支撐，同時可防止大粒徑孤石進入土艙阻塞螺旋輸送機。刀盤前部與支腿焊接成整體，正常工作環境下，刀盤整體強度和剛度滿足全斷面硬巖的掘進要求，不會出現刀盤過度變形及磨損。中鐵刀盤的基本結構為輻條面板式，4個主梁+4個副梁，可安裝滾刀，滾刀的刀座可實現滾刀與撕裂刀互換，為復合式刀盤。可對多種巖層進行掘進，如：風化巖層、卵石圓礫層等。

（2）刀盤開口率的選擇

圓礫、砂卵石地層屬于力學不穩定層，其主要特性是結構松散，無膠結，呈大小不等的顆粒狀，且顆粒之間的空隙大、黏聚力較小，顆粒之間的傳力方式為點對點，圍巖體整體強度較低，但單個石塊強度高，在地層中起骨架作用。圓礫砂卵石地層在未受到盾構機外力擾動時，結構比較緊密，就是在一定量的降水條件下，自身都具有穩定性，但經過盾構機外力影響下，土體變的松散易動，稍有不慎就會造成地面沉降。

結合成都地鐵施工經驗，如果刀盤開口率比較小，這會導致刀盤上的力直接作用到前方砂卵石上。因此在盾構機掘進的過程中，在刀盤轉動力和推力的共同作用下，會造成掘進掌子面和刀盤上方約500mm 范圍內砂卵石變得比較松散。而盾構又不具備土壓平衡的作用，隨著刀盤不斷旋轉，刀盤上方的松土不斷落下落，從而導致超挖的產生。刀盤開口率小，尤其中心開口率小，盾構掘進時刀盤前方的松散砂卵石一直附著在刀盤的前方和刀刃、刀體的表面，經過多次與刀盤前面、刀具接觸才能進入土艙內，造成刀盤和滾刀刀刃、刀體磨損嚴重。成都地鐵通過1、2號線的摸索，最終認為提高刀盤中心的開口率，適當增加刀盤開口率是適應于富水砂卵石地層的，開口率一般在35%左右，或者略過。

刀盤本體在每一標段掘進完成，都會出現外側耐磨焊磨損或耐磨塊磨的情況。刀盤與前體之間位置由于刀盤長期轉動，與前體土倉外壁形成磨擦，會出現較大量的磨損，需要加焊一定量的耐磨材料才能確保刀盤端面與前體土倉筒體外壁保持30mm的距離，保證盾構機工藝尺寸。

耐磨性是主要考慮的問題，刀盤面及周邊屬于易磨損區，需要增減這方面的耐磨性，所以采取是的復以耐磨鋼板或交叉堆焊硬質合金，以增加刀盤的耐磨性。在刀盤的正面焊接有特制的瑞典HARDOX耐磨保護板來增強刀盤的耐磨性。同樣的，這種特制的HARDOX耐磨塊也焊接在刀盤的背面，特別在邊緣區域。

刀盤耐磨環由HARDOX400耐磨鋼板改進為帶硬質合金條的耐磨環，能極大地提高了耐磨環的使用壽命。中鐵裝備盾構機刀盤大圓弧耐磨采用3道耐磨壞（如圖2-1），內側兩圈為60mm寬HARDOX500合金塊+16把合金保護刀，外側一圈為30塊（δ60*60*620）合金耐磨塊，另外圈配置8把焊接保徑撕裂刀。

為了提高刀盤面板的耐磨性，刀盤面板焊接60mm×60mm的菱形耐磨焊絲網格，網條高度5mm，網條寬度10mm；寬刮刀刀座背后設計了刮刀刀座保護刀，提高了刀座的壽命。

2、刀具得選型及磨損研究

盾構機設計中兩條重要的因素是：刀具布置、刀具形狀。應根據現場工程的實際地質條件來選取刀具形狀和刀具布置方式,刀具選擇的正確性將直接影響到盾構機的掘進速度、切削效果以及出土狀況等。盾構機的刀具按切削原理一般分為切削刀和滾刀兩種，其余的刀具統稱為輔助刀具。切削刀又可分為：切刀、刮刀、先行刀等。

當盾構機作業砂卵石地層，特別是體型較大卵石地層時，應采用撕裂刀，切削砂卵石，可較好地解決盾構機切削土體、砂卵石的難題。以南寧地質為例，因此采用撕裂刀、切刀和刮刀等混合配置的組合方案，既能有效開挖各種淤泥、砂土、粘土、圓礫，又能適應各種素混凝土加固區及泥巖地層中的掘進，刀盤的形狀采用防堵塞設計，刀具型式和安裝位置便于切割和清除土碴。安裝式中心撕裂刀、撕裂刀，有良好的破巖能力，能有效地代替滾刀的功能，可用來破碎素混凝土墻體以及在較為堅硬的礫石層中行走

（1）、中鐵盾構機刀具配置

戴菲兒幻想秦川會一心一意地守著她，直到她死去。為此她加倍取悅秦川補償秦川，她認為即使她是一條狗，秦川也會被感動。直到秦川帶回一個叫做艾莉的妖里妖氣的女孩，戴菲兒才相信，之前秦川對她的愛和依戀，全都是假象。玩偶只是玩偶，玩偶只配為男人的器官活著。

刀具型式

①、撕裂刀

刀盤配置4把180mm高的中心撕裂刀和31把180mm高的撕裂刀。

②、切刀

刀盤配置36把180mm高的切刀，布置在刀盤開口槽的兩側，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，在刀盤的轉動下，刀刃和刀頭部分插入到地層內部，不斷將開挖面前方土體切削下來，可在粒徑小于400mm的砂、卵石、粘土等松散體地層掘進。

③、邊緣刮刀

刀盤配備8把130mm高的邊緣刮刀，用來對付各種砂土、粘土等較松散的地層及全風化的巖層等其它未固結的土體，刮刀上裝有碳化鎢刀刃，目的是為了更好的降低掘進過程中產生的磨損，可用來校準盾構的開挖直徑。

④、保護刀

刀盤配備保護刀8把和外圈保護刀，其中外圈保護刀采取8+8+整環的模式，整環中合金條厚度為150mm，每塊共有6條。通過配備保護刀，使得刀具在掘進過程中磨損程度有一定的減弱，提高了刀具的壽命，起到了保護刀盤的目的，也降低了施工中間換刀的頻率，降低了施工風險。

⑤、超挖刀

用于盾構曲線施工時的超挖及盾構姿態的調整，由液壓油缸操縱伸縮，其行程為0～20mm。

（2）、 刀具簡要說明

撕裂刀、刮刀、邊緣刮刀、保徑刀等切刀類刀具，一般采用刀體鑲嵌硬質合金塊，采用銀基釬焊技術焊接，合金塊形狀及排布方式根據地層需要進行設計。刀體材料選用優質合金結構鋼，機械性能如下：抗拉強度1130MPa、經熱處理后硬度HRC40±3。硬質合金塊擁有良好的耐沖擊性能，采用超粗顆粒壓制、熱等靜壓、低壓燒結等技術，抗彎強度可達2990Mpa以上。刀具全部采用銀基釬焊技術，焊縫強度可達到260Mpa。焊縫采用高鉻耐磨焊絲，堆焊層表面硬度可達HRC55-60。

（3）、刀具使用總結

①、在純硬巖地層掘進時，通常采取滾刀破巖。滾刀破巖的原理是，依靠刀具滾動產生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達到破碎巖石的目的，這樣能達到較好的掘進效果。

②、撕裂刀設計合金塊高度為50mm；根據統計南金區間出洞后合金塊磨損量為3-6mm；金會區間中鐵盾構機采用原裝撕裂刀，出洞后合金塊磨損量4-20mm；中心區磨損較少，邊緣區磨損量較大，因此撕裂刀合金塊磨損允許量能滿足使用要求，能夠有效減少換刀次數。

③、比較滾刀撕裂刀磨損情況，針對圓礫地層，滾刀換刀次數會多于撕裂刀換刀次數，刀具的更換耗資耗時，而且富含水砂礫層，必須氣壓換刀，換刀對盾構是的工期及安全影響很大。圓礫地層較松散，是一種咬合不穩當地層，粒徑不均，內摩擦角大，受擾動后極易自行崩塌，因此并不需要多大的切削力，撕裂刀能夠滿足要求。

4、結束語

本文主要就富水圓礫砂卵石地層的盾構機刀盤刀具配置進行分析研究，分析圓礫地層的地層特性，總結出適應圓礫地層的盾構機刀盤結構特點是必須增強刀盤的耐磨性，并對各型刀具特點進行分析，總結出適應富水圓礫地層盾構機的適應性刀具配置。通過對刀盤刀具的研究，有效的提高了掘進的速度，縮短了工期時間，提高了生產效率，從而為企業贏得了寶貴的時間，直接為企業節省成本，提高企業的經濟效益，對以后企業的長久發展有著深遠的意義。