探討復合式盾構機刀盤刀具的設計及選型

曾秋勇

（中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

在當前我國現代化城市的發展過程中，空間集約化促使地下空間的開發規模逐漸增大。作為地下鐵路、管線施工的常見手段，盾構施工在地下工程施工中得到了廣泛應用。眾所周知，我國地域廣袤，不少區域存在復合地層，復合式盾構機的應用較為常見。根據盾構施工情況，刀盤刀具的設計與選型直接關系到后期施工效果，因此，相關人員要對此引起重視，以便保障項目施工的順利開展。

2 項目概況

江西省南昌地鐵1 號線是南昌市開通的第一條地鐵路線，該項目全長28.843 km，全程24 個車站，是連接南昌市高新區、經開區等區間的重要交通工程。根據該工程項目的建設情況，整體上在紅谷灘新區呈現S 形南北走向，在贛江東岸片區呈現東西走向。在項目實施過程中，因為八一廣場地段分布著老護城河，地下水源十分豐富，區間隧道主要穿越的地層是礫砂、圓礫層，局部有泥質粉砂巖層，導致盾構機施工姿態難以控制。此外，在贛江隧道秋水廣場站至中山西路站盾構區間，總長度高達1 889 m，施工單位在實際施工過程中克服了上軟下硬的地質條件，隧道頂部距贛江底部最短距離僅5.2 m以及穿越江底斷層帶三大難題，創造了國內泥水盾構穿越復合地形實現沉降最小、在泥質粉砂巖層中掘進里程最長的紀錄。

3 復合式盾構機刀具的選型與布置

根據南昌地鐵1 號線工程地質情況來看，在盾構施工過程中，刀具類型涉及刮刀、中心魚尾刀、雙刃盤形滾刀以及重型撕裂刀等，以下對刀具的選擇進行詳細論述。

3.1 刀具的選型

3.1.1 刮刀

根據刮刀的布置情況來看，該類型的刀具主要設置在設備輻條上，其作用是減少開挖過程中礫石對設備刀盤面板的磨損程度，確保開挖工作能夠順利開展，保障渣土有序流動，將土體及時刮進土倉中[1]。

3.1.2 中心魚尾刀

與其他刀具有所不同，中心魚尾刀在安裝過程中通常采取不對稱設計，這樣在后期開挖過程中能夠增強盾構機的破土能力，防止盾構機在應用過程中刀盤面形成泥餅。

3.1.3 雙刃盤形滾刀

該類型刀具安裝于盾構機刀盤外周，主要是利用圓的外周線速度大這一特點，促使雙刃盤形滾刀在應用過程中獲得較大的線速度，將土層中的大粒徑漂石直接擠碎或切割。此外，還能將土層中較大的鵝卵石直接擠出盾構機的開挖直徑范圍外，保護盾構機設備外殼，確保開挖工作順利進行[2]。

3.1.4 重型撕裂刀

針對重型撕裂刀，為提高刀具的耐磨性，其主體遍布多層合金耐磨點，保障刀具在后期應用過程中能夠擁有良好的破巖能力。此外，重型撕裂刀在應用過程中還能輔助撕裂刀直接插入地層結構內部，將其破壞。減少盾構機運行過程中刀盤施工時的扭矩。在固定該刀具時，需要選擇專門的刀箱設計，并且保障刀箱的固定方向要與滾刀安裝結構保持一致，為后期維修保養奠定基礎。此外，在應用重型撕裂刀時，其切削軌跡會存在約8°的擺動，這一設計是為保護撕裂刀合金頭，避免刀具撞擊巖石過程中對合金頭造成損害。撕裂刀的安裝主要采用螺栓固定方式，以便后期刀具拆卸更換。

3.2 刀具的布置

在本工程案例當中，考慮到項目地質條件等因素，為保障盾構機破巖能力提高，保護刀盤面板，需要以中心魚尾刀為中心，其他刀具四散排列。在應用刀具過程中，在盾構機面板的圓周軌跡上要安裝重型撕裂刀，并且盾構機中心向四周，撕裂刀的排列數量要逐漸增加，以減少后期施工刀具磨損程度。盾構刀具布置情況如圖1 所示。

圖1 盾構刀具布置情況

3.3 刀具的切削機理與參數選擇

3.3.1 切削破巖機理

在盾構機運行過程中，擁有切削破巖功能的刀具主要為切刀，該刀具在應用過程中，刀刃會將開挖面外層巖土分離使其脫落。從運動學角度來看，切刀破巖這一過程主要分為徑向、軸向兩種手段：（1）徑向破巖主要以切向分力為主。要實現這一操作，需要在盾構機刀盤上安裝小自傳刀盤，以便該設備在后期破土過程中大小刀盤能夠實現自轉。需要注意的是，這一類型的傳動結構較為復雜，因此，尚未在盾構機設備中廣泛推廣[3]。（2）軸向破巖。盾構機在運行過程中破巖方向與掘進方向保持一致，因此，稱其為軸向破顏。在刀盤運行過程中，切刀刀具會隨著刀盤的運行于巖土之間形成夾角，在夾角的方向上會出現最大剪應力，若該剪應力超過巖土抗剪強度，那么會直接導致巖土出現裂紋，刀具刀尖部位與巖土的接觸區域會形成切削核，最終導致已經形成裂紋的巖土脫離母體，形成松散的渣土。

3.3.2 滾壓破巖機理

盤形滾刀在運用過程中會在盾構機設備推力的作用下緊貼巖面，在刀盤旋轉運行過程中，滾刀會圍繞刀盤中心軸公轉，而后圍繞自身安裝軸自轉，這樣一來會在設備掌子面上切割出同心圓溝槽。此時，巖石強度若低于滾刀施加的壓力，那么巖土會被直接碾碎，刀具刀刃會直接貫穿到巖石當中，導致巖石直接被壓碎。這便是盤形滾刀的破巖過程。

3.3.3 刀具參數的選擇

通常情況下，在復合式地層中，刀具的選擇需要根據隧道直徑確定。以盤型滾刀為例，在該項目中，通過分析掘進隧道直徑，確定滾刀直徑設計約為56.67 cm（17 寸）。此外，滾刀刀間距d，巖石破裂角φ 以及刀刃貫入度h之間存在式（1）所示關系，可以通過式（1）計算盤型滾刀刀間距：

4 復合式盾構機刀盤的設計與選型

有關復合式盾構機刀盤的設計與選型，工作人員首先要明確刀盤設計流程，確定其結構形成與支承方式，選擇合適的刀盤材料，保障其剛度與強度。筆者通過以下內容對復合式盾構機刀盤的設計與選型進行詳細論述。

4.1 刀盤的綜合設計流程

在設計刀盤之前，相關人員需要對該項目的地質條件進行勘測，探究對施工有影響的夾含物，選擇相對應的盾構機。隨后明確盾構機結構類型、配備刀具類型以及道具數量等。盾構機刀盤設計流程如圖2 所示。設計人員要嚴格按照該設計流程逐項開展設計工作，以便刀盤刀具能夠滿足項目需求，為后續施工活動順利開展奠定基礎。

圖2 盾構機刀盤設計流程

4.2 刀盤結構形式的選擇

復合底層盾構機的破巖方式有兩種結構，分別為面板型刀盤結構、輪輻式刀盤結構[4]。在本項目中采用輪輻式刀盤結構，切削下來的渣土會通過刀盤開口槽流入土艙。其中，刀盤開口尺寸、形狀需要根據開挖面穩定性、地質條件以及挖掘效率等因素決定。此外，刀盤結構前方主要有錐面、平面、球面3 種形狀。根據本案例盾構機運行實況來看，球面能夠保障盾構機周邊刀具作用的開挖軌跡與磨損程度保持一致，適合用于復合地層開挖，因此，在該項目盾構機刀具前方選擇球面結構。

4.3 刀盤支承方式

常見刀盤支承方式有3 種：（1）中心支承。根據實際應用情況，此類型支撐結構十分簡單，因此，普遍應用于小直徑盾構刀盤支承重。因為結構特點，中心支承的盾構機黏質土附著情況較少。需要注意的是，該設備對于大塊卵石、渣石的處理較為困難。（2）中間支承。相較于中心支承，其整體結構平衡性較高，因此，應用于中型、大型盾構機中。（3）外圈支承。雖然該結構能夠促使盾構機內部形成空間較大，但是因為刀盤外部極易黏附黏土的關系，導致設備運行效率受到影響。根據本項目施工情況來看，盾構機刀盤支承方式選擇中間支承結構。

4.4 刀盤結構設計

設計刀盤結構時，首先，要保證在不同荷載作用下，刀盤結構本身具有良好的剛度與強度，以便保障開挖活動有序開展。其次，需要提高刀盤的耐磨性，保障其與圍巖接觸時不受破壞，以免在盾構機開挖過程中出現過量磨損現象。最后，要在明確開口率的情況下調整盾構機刀盤面板開口位置，以便與刀座安裝孔相協調，有助于刀盤動平衡。

根據刀盤結構設計情況，要提高盾構機單盤結構整體強度，需要選擇焊接型箱形結構。要促使刀盤整體受力平均，要使用3~4 根梁作為連接結構，該結構不僅受彎，還需要承受扭矩的作用。一般選擇Q345 作為刀盤與構件連接結構的材料，以提高刀盤的耐磨性，還需要結合項目施工要求，在設備工作面焊接耐磨影響合金材料。刀盤結構類型為圓盤結構，主要由底板、面板以及肋構成，工作人員在對刀盤結構進行計算時，需要充分考慮支撐梁，將其作為刀盤整體進行設計。

綜上所述，在本項目當中，刀盤的構造設計帶面板的6 條主輻條與6 條輔助輻條，整個刀盤最大扭矩設計為6 259 kN·m、覆土深度為30 m。

5 結語

綜上所述，作為決定盾構機施工質量的重要因素，刀盤刀具的選型、設計至關重要。相關人員在刀具刀盤選型設計工作中，需要充分考慮工程項目運行特點，明確刀具參數的同時，選擇合適的刀盤結構與支承方式，以便滿足項目開挖需求，為后續施工活動順利開展奠定基礎。