以全斷面硬巖為主的復合地層土壓平衡盾構機刀盤及刀具配置技術研究

張志奇 馬志堅

（中交隧道工程局有限公司 江蘇南京 210000）

在盾構隧道施工中，刀具配置和選型是盾構項目施工成敗的關鍵；尤其是在硬巖復合地層盾構隧道施工，刀具配置和選型更是關鍵中的關鍵。不合理的刀具配置和選型不僅會造成刀具破巖能力差，貫入度低，盾構推進速度慢，施工效率低下；在強度高的硬巖地質中還會造成刀具的大面積非正常損壞，額外增加開倉換刀頻率，極大影響項目進度和增加項目施工成本和安全風險。

1 工程概況

本標段工程為寧高城際軌道交通二期（剩余段）土建施工NG-TA01標段，盾構區段位于祿口新城南站～銅山站區間，盾構段起訖里程為YDK4+350.0～YDK6+740.0（ZDK4+349.018～ZDK6+729.159） 右線長2390m（左線長2380.141m）。盾構區間主要穿越地層為J31-2強風化安山巖（抗壓強度平均值14.2MP，標準值12.0MP）、J31-3中風化安山巖（抗壓強度平均值62.5MP，標準值60.2MP，最大值150MP）。盾構區間地表水地下水發育，上層粘性土富水性和透水性較差，下部基巖全～強風化富水地地面無重要的建（構）筑物，穿越地層無重要管（桿）線，隧道埋深5.8～21.4m。盾構區間最小曲線半徑1000m，最大線路縱坡2.8%。

2 施工難點

隧道區間存在有軟土地層，軟硬不均地層和硬巖地層三種地層；盾構區間較長，單線單區間2390m；區間約有1km為全斷面巖層，地層硬，掘進難度大，風險高，對刀盤和刀具配置有極高的要求。本文主要針對刀盤配置和滾刀形式進行研究。

3 盾構機刀盤主要技術參數

3.1 普通海瑞克盾構機刀盤配置

刀盤是一個帶有多個進料槽的切削盤體，位于盾構機的最前部，用于切削土體，刀盤的開口率約為28%，刀盤直徑6.28m，也是盾構機上直徑最大的部分，一個帶四根支撐條幅的法蘭板用來連接刀盤和刀盤驅動部分，在該種地層下，刀盤上安裝有64把齒刀，8把邊刮刀，31把單刃滾刀，4把雙刃滾刀，1把超挖刀。液壓可伸縮式超挖刀可用于小曲徑開挖。刀盤上安裝的所有類型的刀具都由螺栓連接，都可以從刀盤后的泥土倉中進行更換。在刀盤的圓周面、正面焊接有耐磨層，加強了刀盤的耐磨能力，增強刀盤的使用能力。

刀具在刀盤上的超前量較大，正面滾刀的超前量為175mm，齒刀超前量為120mm，正面滾刀的軌跡間距為100mm，邊緣滾刀的軌跡間距為9.59～100mm；滾刀的承載力為25t，適應掘進的巖石抗壓強度為20～120MPa；滾刀的轉動阻力矩小，在砂層中掘進時可以轉動，以避免滾刀偏磨；刀盤前部的中心部位，裝有一個用于注入添加劑的旋轉接頭，同時設備本身配備了用于渣土改良的泡沫和膨潤土注入系統。

3.2 對普通刀盤和刀具分析及改進

（1）普通刀盤是以在極少硬巖的復合地層中掘進而設計的復合刀盤。沒有針對長距離以硬巖為主的復合地層的措施，在硬巖地層施工中極易發生刀具數量不夠，破巖能力差，掘進速度慢；刀具外形設計不合理，沒有好的貫入度；滾刀刀圈損壞，齒刀脫落，卡死刀盤；甚至發生刀盤卡死的現象；造成極大的成本增加和浪費。

（2）刀盤和刀具改進主要措施

①取消齒刀設計，減少由于硬石塊打掉齒刀引起的滾刀等其他刀具的非正常損壞；

②在刀盤直徑、強度、開口率等基本參數不改變的前提下，通過改變滾刀外形尺寸，增加滾刀數量、提高刀盤整體破巖能力；

③針對全斷面巖層和復合地層，優化滾刀刀圈外形和固定方式，提高滾刀貫入度和正常使用時間。減少換刀次數，提高施工進度，進而節約施工成本。

4 優化措施工作原理

（1）在以全斷面硬巖為主的復合地層中，滾刀切削下來的大石塊會沖擊齒刀，致使齒刀脫落。在刀盤轉動的掘進過程中，脫落的齒刀又會沖擊滾刀，從而造成滾刀的連鎖非正常損壞；同時齒刀在硬巖地層中剝離作用極差，弊大于利。取消齒刀能夠明顯減少由于刀具損壞而進行的開倉刀具更換。

（2）通過優化減小滾刀外形尺寸，不改變滾刀受力性能的前提下，由傳統盾構刀盤滾刀最多39刃增加到45刃，增加切削軌跡密度，增大盾構切削能力，提高破巖效率。

4.1 地質分析

巖石天然單軸抗壓強度最高達到150MPa，平均73.49MPa，對滾刀刀圈的強度要求較高；區間含大量細中砂、粗砂、礫砂、混砂礫土，局部為粘土和含砂粉質粘土，部分全分化、強分化、中分化巖層，而且部分安山巖屬于較硬巖-堅硬巖，對刀圈的耐磨要求較高。

4.2 全斷面風化巖地質

主要考慮刀圈高強度、高韌性，刀圈需具備在全斷面巖石層施工的有效貫入破巖能力，同時考慮刀圈需具備在全斷面巖石層施工的適當耐磨性能。

采用適當加寬刀圈刃口寬度（常規20mm）的刀圈設計，提高刀圈強度和耐磨性；對刀圈刃口設計為10mm圓弧錐度，提高刀刃貫入能力和對巖石的擠壓龜裂效果；材料上選用特殊刀圈專用的SWQH13超細化材料，強度高，韌性好；刀圈熱處理硬度控制在HRC54-56，兼具高韌性、高強度的同時兼具較好的耐磨性能。

4.3 復合層地質

主要考慮在上軟下硬地質情況下，刀圈所遇到的高沖擊要求，刀圈需具備絕對的高韌性和在復合層施工的高效貫入破巖能力。

采用適當加寬刀圈刃口寬度（常規20mm）的重型刀圈設計，提高刀圈強度和耐磨性；采用刀刃刃口20°錐度設計，提高刀刃在復合層地質的貫入效率。

材料上選用特殊刀圈專用的SWQH13超細化材料，強度高，韌性好；刀圈熱處理硬度控制在HRC53-55，確保刀圈的高韌性，滿足高沖擊需求。

4.4 改進滾刀壓塊固定方式

在固定滾刀的壓塊上增加凹凸槽，更有效固定滾刀。減少長距離掘進對滾刀刀箱磨損的影響，避免滾刀固定不牢而引起的非正常損壞。

圖1 舊滾刀形式

圖2 新滾刀形式

5 效果評價

此項目依托寧高二期TA01標進行研究和實際使用，該標段單線盾構隧道全長2400m，分左右線，地質基本為50PMa以上的全斷面安山巖（最多150MPa），優化刀具配置前，每盤刀具可掘進153.6m，計劃平均每月進度144m，計劃貫通日期至2015年11月30日；15年9月份采用優化刀具后現場應用效果良好，刀具使用效率、施工進度明顯提高。

據測算：未優化前換刀情況，預計換刀23次，更換滾刀1035把，齒刀1288把，刮刀644把。優化刀具配置后，每盤刀具實際掘進211.2m，每月實際進度240m以上，隧道于2015年11月7日貫通。節約工期23d，減少換刀次數3次，減少更換滾刀135把，齒刀168把，刮刀84把。

每天施工成本人工工資200元×26人=5200元，機械使用費每天2200元，節約工期23d，節約成本170200元；每把滾刀維修費用10000元，齒刀3550元，刮刀3750元，節約滾刀135把，齒刀168把，刮刀84把，節約刀具費用2261400元；累計節約2431600元。

獲得刀具專利兩項，專利號zl201521115596.6和zl201521117091.3。同時，換刀次數的減少也極大的降低了項目的安全風險。此項目研究成果可全部或單獨應用于全斷面硬巖地質盾構施工掘進，社會效益顯著。

[1]周立波，編著，盾構法隧道施工技術及應用，中國建筑工業出版社，2009，4.

[2]陳饋，洪開榮，吳學松，主編.盾構施工技術，人民交通出版社，2009，5.