海底巖溶地層盾構刀盤刀具設計及應用

張家年

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

近年來，隧道及地下空間的建設迅猛發展，盾構作為隧道機械化施工裝備以其施工效率高、安全性好的優勢而被廣泛應用。據統計，現階段約70%的水下隧道采用盾構法修建[1]。在以往盾構施工過程中，更換刀具需通過人閘進入遠高于大氣壓力的開挖艙進行帶壓換刀作業，這一過程往往存在以下缺點:①帶壓進艙更換刀具對操作人員要求高，作業風險極大，對操作人員健康非常不利;②操作人員在開挖艙內工作時間受限，作業效率低[2～4]。文獻[5]針對武漢地鐵越江隧道復合地層刀盤刀具配置和磨損刀具的安全更換問題，提出了一種常壓下滾刀、齒刀互換的配置方案，盾構直徑為12.53m，采用了一種非全斷面滾刀的復合式常壓刀盤方案。文獻[6]對刀盤力學性能進行分析與評價，有助于對設計提出改進。文獻[7]對上軟下硬灰巖地層盾構刀具異常崩裂原因進行了分析。以上學者的研究成果對復合地層刀盤設計、刀具布置及應用具有較好的指導作用，但是缺少對海底隧道穿越灰巖、板巖、溶洞、破碎帶類似地層的盾構刀盤刀具選型設計及應用分析。

本文結合大連地鐵5 號線跨海隧道工程，通過分析盾構穿越地層水文地質，比較了帶壓換刀和常壓換刀效率，設計了12m 級全斷面滾刀及刮刀常壓更換復合刀盤，提高了盾構的地質適應性。

1 工程概況

大連海灣地鐵隧道采用單管雙線設計，隧道內徑?10 800mm，隧道外徑?11 800mm，隧道總長2 870m，海域段長2 310m，最大水壓約5bar，隧道平面及管片如圖1、圖2 所示。

圖1 跨海隧道平面圖

圖2 隧道管片圖

根據地勘資料，盾構隧道穿越中、強風化板巖，鈣質板巖，白云質灰巖及中風化輝綠巖。其中白云質灰巖天然抗壓強度30.6～82.5MPa，平均強度52.38MPa，局部最大高達116MPa；板巖天然抗壓強度16.5MPa；鈣質板巖飽和抗壓強度17.2～78.1MPa，平均43.1MPa；輝綠巖天然抗壓強度49.5～71.8MPa，平均60.5MPa?；規r地段存在大量溶洞和破碎帶，洞高0.2～11.3m；最小埋深12.2m，最大埋深24.5m，海域段最大埋深23m。

2 盾構刀盤選型

根據該項目盾構隧道穿越水文地質、隧道長度及隧道直徑，盾構選型采用1 臺氣墊式泥水平衡盾構施工。由于灰巖、巖溶、破碎帶等復雜地層，刀具容易異常損壞，因此掘進過程中避免不了需要經常檢查更換刀盤上刀具，如何提高換刀效率成為刀盤選型的主要矛盾。

關于刀盤選型，可采用常規換刀復合式刀盤及常壓換刀復合式刀盤，如圖3、圖4 所示。根據高水壓環境下帶壓換刀效率統計（表1），水壓越高，換刀效率越低，當水壓為6bar 時，非飽和帶壓進倉作業工作時間僅能保持60min，且減壓時間為176min，作業效率僅為25%；即使采用飽和帶壓進倉作業工作時間雖為15 850min，但減壓時間高達3 330min，作業效率僅為82%。其次刀盤直徑達12.26m，刀具數量多，大大延長了刀具檢查和刀具更換時間，人工帶壓進倉作業風險大，效率低。同時穿越地層最大單軸抗壓強度為116MPa，從破巖實驗結果分析，常壓刀盤采用19 寸單刃滾刀及100mm 刀間距，可以獲得一定貫入度，滿足掘進效率。綜合考慮換刀作業效率、換刀風險和該項目地層巖石強度，刀盤選型為常壓換刀刀盤，可實現人工在大氣壓環境下安全順利更換刀具。

圖3 常規換刀復合式刀盤 圖4 常壓換刀復合式刀盤

表1 帶壓作業工作效率統計

3 刀盤總體設計

刀盤開挖直徑設計為?12.26m，刀盤結構形式為6 中空主梁+6 副梁，刀盤與驅動采用中心支撐方式，作業人員可通過刀盤法蘭中心通道進入刀盤主梁內部，主梁內部為大氣壓環境；刀盤布置全斷面可常壓更換滾刀及全斷面可常壓更換刮刀，同時在主梁及副梁側面布置有常規更換刮刀，以減緩常壓更換刮刀磨損速率，同時保護刀盤結構，共布置62 把常壓更換滾刀，32 把常壓更換刮刀；為增大12m 級復合式常壓刀盤開口率，副梁結構進行了緊湊設計，刀盤整體開口率為23%；同時由于溶洞及破碎帶地層存在大粒徑石塊，根據刀盤底部泥水倉破碎機破碎粒徑能力，刀盤開口進行了限制，在刀盤主梁和副梁側面設計有格柵，限制粒徑為?350mm。

3.1 常壓換刀裝置設計

常壓換刀裝置是實現常壓更換刀具的核心部件，主要由刀筒、常壓換刀裝置閘門密封座以及拆裝刀筒的專用工裝等組成。根據刀盤上不同的位置（中心、正面、邊緣）和刀具類型，分別設計有中心滾刀常壓裝置、正面滾刀常壓裝置（圖5）、邊緣滾刀常壓裝置、刮刀常壓裝置（圖6）等。每套常壓裝置在工廠都經過嚴格的密封模擬性能測試，保證在設計最高壓力下，常壓裝置閘門具有良好的密封性能和可靠性。

3.2 刀具選型布置

圖5 正面滾刀常壓換刀裝置

圖6 正面刮刀常壓換刀裝置

1）常壓滾刀 根據地層巖石強度、刀盤結構形式和常壓換裝置結構尺寸，中心滾刀選用17 寸雙軸雙刃滾刀（圖7），兩把滾刀之間采用同一楔形塊進行楔緊，節省了刀筒內部空間，中心滾刀刀間距為120mm，小于國外及國內其他品牌盾構大直徑常壓刀盤中心17 寸滾刀刀間距，提高了中心滾刀破巖效率。正面及弧形區域選用19 寸雙軸雙刃滾刀（圖8），正面滾刀刀間距為100mm，每把滾刀均為獨立兩個圓錐滾子軸承，提高了滾刀破巖載荷能力，最外軌跡選用19 寸單刃滾刀（圖9），并同軌跡布置2 把，提高了刀盤保徑能力。

圖7 中心17寸雙軸雙刃滾刀

圖8 正面19寸雙軸雙刃滾刀

圖9 最外軌跡19寸單刃滾刀

2）刮刀 作為刀盤上第二層刀具，刮刀主要負責把刀盤前方渣土主動刮入刀盤進渣通道，減少滾刀二次磨損。常壓更換刮刀頭通過銷軸固定于刮刀刀筒上，并且隨著所在刀盤位置，刀頭形狀匹配相應位置角度設計，相領軌跡常壓刮刀實行部分重疊布置。帶壓更換刮刀所占空間位置相對較小，與常壓刮刀同軌跡布置，減緩了常壓更換刮刀磨損速率，同時保護刀盤結構（圖10）。

圖10 常壓更換刮刀圖

3.3 常壓滾刀刀座加強方案

由于灰巖掌子面凹凸不平、棱角明顯，刀盤周邊滾刀線速度大，滾刀所受沖擊振動強烈，頻繁的沖擊振動容易導致滾刀刀筒內刀座變形或斷裂，根據模擬和Ansys 有限元分析，如圖11 所示，對已加工好的常規19 寸雙軸雙刃刀座，在該刀座后端面中心增加可拆卸連接加強塊，增強了滾刀端蓋支撐V 形面兩邊的抗沖擊性。

圖11 常壓滾刀刀座加強方案

3.4 刀具抗沖擊優化

由于常壓換刀裝置及刀筒空間結構原因，常壓更換刀具布置時，高出刀盤面板較多，常壓更換滾刀刀高為225mm，刮刀刀高設計為185mm，因此在常壓滾刀固定座圓周方向兩側、帶壓更換刮刀后部均設計有抗沖擊保護塊（圖12），同時為增強抗沖擊保護塊的耐磨性能，保護塊由500HB 耐磨鋼板及Q345B 鋼板上下兩部分復合組成。

圖12 刀具抗沖擊優化

3.5 刀盤強度剛度設計校核

根據項目地質資料，溶洞、破碎帶和上軟下硬地層刀盤在掘進過程中，不僅振動強烈，刀盤主結構所受偏載力也較大，因此在設計過程中，常壓刀盤主結構進行了加強設計，并經Ansys 有限元分析校核驗算。分別分析刀盤結構在均勻載荷和1/3 偏載工況下的最大應力和最大變形，經計算，刀盤主結構均載工況下刀盤最大應力為161.4MPa，最大變形2.65mm，1/3 偏載工況下結構最大應力164.7MPa，最大變形5.56mm，刀盤結構材料為Q345R，屈服強度為345MPa，針對最大應力164.7MPa，仍具有345/164.7=2.1倍安全系數，滿足盾構設計施工要求。

4 應用效果

截至2020 年3 月，該項目泥水盾構已順利掘進1 386m，完成總工程量的48.3%。

1）平均掘進速度為6～9mm/min，刀盤轉速為1.3～1.5r/min，刀盤扭矩為3 000～3 500kNm，盾構總推力為6 000～6 500t，最高日進度14m，最高月進度140m。

2）通過刀盤常壓換刀裝置（圖13）累計拆裝常壓滾刀刀筒和常壓切刀刀筒約500 次，更換滾刀約700 把，平均換一把滾刀時間為3～5h，提高了換刀和施工效率。

圖13 刀盤內常壓換刀照片

3）針對19 寸雙軸雙刃常壓滾刀刀座加強方案，取得了預期效果，增強了刀座的抗沖擊性。

4）由于破碎帶和巖溶地層的沖擊作用，刀具主要損壞形式為滾刀刀圈斷裂、滾刀偏磨、刀具固定螺栓脫落斷裂和刮刀合金崩落。

5 結論與建議

針對海底隧道灰巖、板巖、破碎帶和巖溶發育地層，國內首次設計了12m 級全斷面滾刀和刮刀可常壓更換刀盤，大大提高了換刀效率，降低了換刀風險，通過優化刀具選型布置、常壓滾刀刀座、刀具抗沖擊和刀盤結構強度剛度等設計，工程應用表明，刀盤具有較好的地質適應性，可為類似地層盾構刀盤設計提供借鑒。

巖溶破碎帶掘進過程中，刀盤刀具振動明顯，除了實時調整掘進參數，刀具固定螺栓和常壓換刀裝置固定螺栓等需加強檢查管理，注意系列螺栓打緊工藝，保證螺栓安裝效果和質量。

針對灰巖、破碎帶、巖溶地層，為降低刮刀崩落的風險，宜適當降低刮刀高度，增大滾刀與刮刀高差。

為減少巖溶破碎帶地層刀具的異常損壞，需進一步加強滾刀刀圈材料、熱處理、滾刀軸承承載力、滾刀裝配和滾刀載荷檢測技術的研究。