刀盤長壽命設計分析

王義，朱振華，張榮毅，韓樂

（北方重工集團有限公司，沈陽110141）

0 引 言

目前，盾構機已廣泛應用于公路、鐵路隧道，城市軌道交通、管廊工程，輸水、輸氣管道，電力隧道，礦用巷道等幾乎所有隧道工程中[1]。隨著隧道規劃里程的日益增長，以及客戶對工期和成本控制的要求日趨苛刻，能夠適應穿越復雜地層、實現長距離掘進或者多區間連續使用的復合式盾構或多模式盾構[2]產品備受客戶青睞。

刀盤作為盾構機的重要部件，其設計關系到盾構工程的成敗、開挖效率、使用壽命及刀具費用[3]。可見，刀盤長壽命設計是復合式盾構或多模式盾構性能保證的關鍵因素。刀盤常見的失效形式主要有：結構的塑性變形、開裂；過度磨損；結泥餅；刀具破損和脫落；渣土改良劑噴口堵塞或損壞；超挖刀失效等。因此，實現刀盤的長壽命設計，應該結合實際工況合理預防施工中刀盤各種失效形式的出現，綜合考慮以下幾個方面。

1 刀盤的正確選型及結構設計

刀盤主要具有三大功能：開挖土體、穩定掌子面和攪拌渣土[4]。根據給定隧道的水文地質條件和設計參數進行選型是刀盤設計的首要工作。盾構刀盤根據面板的結構形式主要分為輻條式和面板式兩大類[5]，其各自特點如表1所示。

根據表格分析可見，輻條式刀盤優勢為開口率大、渣土流動順暢、掌子面壓力測量更直接，在單一均質的砂層、小粒徑砂礫層中會有很高的掘進效率；不足之處在于其主切削刀具大部分為焊接形式，不能因地質變化而更換，地質適應性較差，粒徑較大處（大于螺旋處理能力）需要人工干預，人員進倉的安全性差。

表1 輻條型和輻條輻板型刀盤特點對比

面板式刀盤優勢在于整體結構強度大，可以實現背部更換和互換主切削刀具，刀盤周邊有空間安裝更多刀具，能夠有效限制進入開挖倉的粒徑，地質適應范圍廣，人員進入開挖倉的安全性較高；不足之處在于開口率相對較小，中心處易結泥餅。

復合式盾構機一個最主要的特點就是適應復雜多變的地層，結合以上分析，選擇面板式刀盤更適合刀盤長壽命設計的要求。同時在結構設計上，還需要針對面板式刀盤的不足之處做進一步改進，如圖1所示。

1)提高開口率。設置根據需要可調節或者可拆裝的面板設計，最大限度保證刀盤的開口率，地層允許時最大開口率可提高至50%。

2)改善中心結泥餅問題。改進刀盤中心結構設計，在保證強度下減少相交輻條數量，中心環形支撐軸向倒錐形設計，配備高壓水沖刷系統。

圖1 改進的面板型刀盤

2 適合地質的刀具選型和合理刀具布置

刀具的選型和地質條件直接相關。為保證掘削刀盤的開挖效率，盾構通常根據不同地質情況選用不同類型的刀具及刀具組合[6]。一般情況下，軟土、砂層中掘進的主切削刀具為先行撕裂刀，中心刀為魚尾刀；砂礫層、卵石層選用的主切削刀具為重型撕裂刀，中心刀為魚尾形布置的重型撕裂刀；對于硬度較大的礫石層、粒徑較大的卵石層及巖層中主切削刀具為滾刀或撕裂刀加滾刀，中心采用中心滾刀。輔助切削刀具均為刮刀，并且設計為螺栓把合式，根據其磨損程度、受沖擊大小選擇不同大小的刀具寬度和合金。另外，根據盾構機轉彎和邊刀更換的需要，需要設置仿形刀或者超挖刀。

合理的刀具布置主要包含以下幾個方面：合理的中心刀、面刀和邊刀數量設置；合理的主切削刀具的間距；合理的主、輔切削刀具高差；合理的邊刀角度設置和高差設置。其中，刀間距的設計尤其是滾刀的刀間距設計對于刀盤切削效率影響很大，是刀盤設計成敗的關鍵。刀間距大，破巖效果不理想，出現巖脊，單把滾刀載荷增大，推進速度降低；刀間距過小，造成過度破碎，整體推力增大，能量消耗大，效率低成本高。在實際設計中，為提高適應性，刀間距盡可能小，以便在遇到最硬的巖石情況下貫通整個隧道[7]。

刀盤的長壽命設計，要求刀盤、刀具對地質有很強的適應性，具體從以下幾個方面進行考慮：1）主切削刀具的安裝需要采用刀箱結構，可以從刀盤背后換刀，實現滾刀和撕裂刀互換；2）對于透水性強、斷層、流沙等不良地質地段不可更換刀具的情況，需要設計預判，設置高強度、高耐磨性的主、輔切削刀具組合；3）充分利用面板式刀盤上的箱型結構，設計“儲備型”刀具，如：在刀箱安裝多頭撕裂刀，磨損后旋轉一個角度重新安裝即可重新開始工作，減少了新刀具入倉、舊刀具出倉的運輸時間和刀具成本；4）邊刀區域線速度大且刀具受偏載，刀具磨損較嚴重，為防止刀箱破壞或者克服較硬地層，可以在周邊輻板處設計備用刀箱，在特殊情況下安裝刀具改變邊刀的整體布置；5）主、輔刀具按高度梯度設置，可設置二級或者三級高差，使刀具分批次進入切削，有利于延長刀具使用壽命，限制刀盤轉矩；6）輔助切削刀具主要是保證可更換性，刀具具體類型選擇，需要根據區間具體的地質參數進行選型，有針對性地選擇刀具的把合螺栓數量、刃角、硬質合金塊的大小及焊接形式等。

3 合理的渣土改良

開挖出的渣土作為支撐開挖面穩定的介質，要求其具有良好的塑性變形、軟稠度、小內摩擦角及小滲透率[8]。由于一般土壤不具備這些特性，所以要進行改良，其技術要點是在刀盤前部和泥土倉中注入水、膨潤土泥漿、黏土、聚合物或泡沫等混合添加材料，經強力攪拌，改變開挖的土砂塑性、流動性，降低渣土的透水性[9]。除穩定開挖面外，改良后的土體具有一定的潤滑性，能夠降低渣土對刀盤的磨損，還有利于減小刀盤旋轉阻力，降低轉矩。

復合式盾構穿越地層復雜、掘進距離長、渣土類型多。因此，為使盾構在復雜多變的工況下保持良好的適應性，需要整機考慮合理的渣土改良方案及相應的系統準備。對于刀盤本身結構而言，長壽命設計要求必須依據施工段地質情況在刀盤上配置相應的土壤改良劑噴口。受結構限制，不可能為每一種改良劑都預留一定數量的接口。可采用一種背裝式土壤改良劑噴射裝置[10]，兼具多種改良劑的噴射功能，且帶有承壓膜片，防止泥漿倒灌，根據工況需要接入不同改良劑系統即可實現改良劑的注入。由于該裝置的可更換性，有效防止了改良劑噴射裝置的堵塞或損環造成的刀盤失效。

此外，與改良劑噴口相連接的是復雜的刀盤管路及旋轉接頭。這些都是保證渣土改良能夠實施的關鍵環節。施工中往往是小問題被忽視而導致了刀盤的失效。因此，注重管路的細節設計和旋轉接頭的密封也是刀盤長壽命設計需要考慮的一個重要因素。管路采用硬管，設置要盡可能流暢、簡潔，既不能堵塞渣土流動通道，又要有良好的保護措施。旋轉接頭安裝在刀盤背部旋轉中心，將旋轉的刀盤和固定在主機上的管路有效連接，實現渣土改良劑、高壓油和油脂等有效連通。旋轉接頭部位接口多，類型復雜，保證各個接口處的密封是關鍵。

4 完善的耐磨保護措施

施工中的磨損是影響刀盤壽命一個重要因素。由于刀盤不可避免的磨損往往給工程帶來干擾和隱患[11]。刀盤磨損包括刀具磨損和刀盤結構的磨損，兩者存在著明顯的先后關系。正常情況下，刀具由于對開挖土體進行切削、刮削作用，出現磨損是合理的。但是由于刀具的過度磨損未得到及時的處理，導致刀盤結構開始出現磨損，直至刀盤因過度磨損而失效是損失慘重的。可見，及時檢查和更換磨損的刀具是延長刀盤壽命的一個關鍵措施。不同類型的刀具其破巖原理不同，其磨損方式也不盡相同。滾刀的磨損一般分為正常磨損和非正常磨損，正常磨損主要指均勻磨損和偏磨，非正常磨損主要包括漏油、刀圈崩裂、擋圈脫落等。常見的刮刀磨損方式有刀刃崩裂、刀體斷裂、刮刀偏磨[12]。

解決刀具磨損為上策，但是開倉維護工作是有條件限制的，不良地質地段沒有可靠的加固措施是不允許開倉的，因此，刀盤結構的磨損防護依然不容忽視。刀盤常規的耐磨設計包含正面耐磨板、周邊耐磨條、滾刀保護塊、刮刀座保護塊、噴口保護刀等。復合盾構所面臨的長距離隧道施工是對刀盤耐磨性能的嚴峻考驗。為適應長距離掘進，刀盤的耐磨保護設計，需要全面考慮，給出針對性的措施。首先，耐磨板需要選用雙層復合耐磨板，耐磨層硬度可達60 HRC；其次，刀盤周邊區域由于線速度大磨損相對較大，宜采用鑲嵌有硬質合金塊的耐磨條，耐磨條之間焊接復合耐磨板；最后，對以上耐磨措施不能覆蓋的區域，如周邊刀箱的端面和側面，需要貼焊復合耐磨板或者進行網格耐磨焊，硬度不小于55 HRC。

5 智能刀盤

智能刀盤，即刀盤智能化，包含如下幾個方面：1）結構變形的實時監測和極限報警。防止因為偏載、過載等造成刀盤鋼結構乃至主軸承的損傷和破壞。2）刀具的常壓磨損檢測。包括主切削刀具和輔助切削刀具的磨損檢測，減少停機時間，減少人工帶壓進倉次數，安全高效，防止由于刀具的過度磨損給刀盤結構造成磨損。3）刀盤結構的磨損檢測。能夠及時發現刀盤結構的輕微磨損，以便早期處理。4）掌子面工況影像監測。根據需要，配置在刀盤內部的影像設備會自動伸出到掌子面附近，提供實時影像，大大降低開倉檢查的風險。5）超挖量測量。在配備仿形刀或超挖刀情況下，對超挖量進行實時檢測，提高設備整體的適應性及靈活性。6）機器人換刀系統。實現換刀過程的自動化、智能化，安全快捷，此系統對刀盤、刀具整體設計復雜程度、標準化程度要求較高。

以上所有智能手段的監測信息都會以信號形式傳遞進主控室，根據需要出現在顯示屏上，為操作人員、工程師等提供參考，并及時處理由于過載、過度磨損等造成的刀盤、刀具損傷。智能刀盤是刀盤長壽命設計的有力保障。工程實際中，需兼顧成本因素，選擇合適的智能手段。

6 結 論

刀盤長壽命設計的前提是要充分分析給定施工段的水文地質條件和隧道設計參數，正確選型刀盤、刀具；刀具的合理布置使刀盤、刀具有良好的地質適應性，以及刀具、改良劑噴射裝置等主要消耗件的可更換性；合理的渣土改良、完善的耐磨保護措施和智能刀盤是長壽命設計的保障。以上分析僅從刀盤的結構本身出發，分析了刀盤長壽命設計需要考慮的因素。實際施工中，刀盤的長壽命還有賴于前期詳細的地勘、完善的施工組織和施工管理。