面板式刀盤的設(shè)計

黃惠敏

摘要：盾構(gòu)機刀盤是盾構(gòu)掘進(jìn)機的掘進(jìn)機構(gòu)，是影響其掘進(jìn)性能的決定性因素。本文綜述了盾構(gòu)機刀盤的作用，重點對面板式刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計、刀具布置、管路設(shè)計和耐磨保護等方面進(jìn)行分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機、刀盤鋼結(jié)構(gòu)、刀具布置、添加劑、泡沫噴嘴、耐磨。

1. 引言

目前盾構(gòu)工法已在城市隧道（如地鐵隧道，污水排放隧道，引水、供水隧道，江河湖海底隧道，電力、電訊、供氣及共同溝工程等隧道）建造中確立了絕對的統(tǒng)治地位，故有人將其稱為城市隧道工法。刀盤是盾構(gòu)機的關(guān)鍵部件，刀盤設(shè)計的首要任務(wù)是根據(jù)工程地質(zhì)條件和施工控制要求選好刀盤的結(jié)構(gòu)形式，其機構(gòu)形式大致分為面板式和輪輻式的兩種。輪輻式刀盤由輻條及布設(shè)在輻條上的刀具構(gòu)成，其特點是刀盤的掘削的扭矩小、排土容易、土艙內(nèi)土壓可有效地作用到掘削面上，多用于砂、土等單一軟土地層。對于地下水壓大、易坍塌的土質(zhì)，易噴水、噴泥，并且由于輪輻式刀盤不能安裝滾刀，在風(fēng)化巖、軟硬不均的地層掘進(jìn)時，應(yīng)采用面板式刀盤。各國大中城市大多數(shù)處于河海濱沉積相地層，含水高的松軟地層，強透水的沙礫層地層和泥質(zhì)粉砂巖、砂巖和砂質(zhì)泥巖巖層等復(fù)雜多變的地層，因此面板式刀盤倍受歡迎，而且較有研究意義。

2. 盾構(gòu)機刀盤的作用

盾構(gòu)機的刀盤位于盾構(gòu)機的最前端，為鋼結(jié)構(gòu)焊接件，主要具有開挖土體、穩(wěn)定掌子面、攪拌碴土三大功能。盾構(gòu)掘進(jìn)機的開挖是依靠盾構(gòu)刀盤上布置的切刀、先行刀、滾刀等刀具，通過刀盤的旋轉(zhuǎn)和千斤頂推進(jìn)，刀具貫入地層將掘削面的土層進(jìn)行開挖，開挖后的渣土通過刀盤的開口進(jìn)入土倉；其次，盾構(gòu)掘進(jìn)機在不穩(wěn)定的地層掘削時，刀盤的面板可以起到穩(wěn)定掌子面，防止過分坍塌的作用。再次，刀盤后安裝的攪拌裝置對土倉內(nèi)的渣土或與添加劑進(jìn)行混合攪拌，使渣土具有一定的塑性，能通過螺旋輸送機來調(diào)整控制土艙內(nèi)的壓力。

3. 刀盤的鋼結(jié)構(gòu)

刀盤直徑一般在幾米到十幾米之間，結(jié)構(gòu)龐大。盾構(gòu)施工中經(jīng)常出現(xiàn)刀盤強度破壞的失效形式，因此在刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)首先考慮刀盤的強度因素。刀盤強度對刀盤結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在刀盤整體結(jié)構(gòu)的布局及局部結(jié)構(gòu)件的厚度。一般情況下使用17寸滾刀的刀盤厚度為500mm，并且可換成18寸滾刀，19寸滾刀則會選用600mm厚的刀盤；刀盤外環(huán)用120mm的鋼板卷成，面板、主骨架側(cè)板和加強筋用60mm～80mm的鋼板。與主驅(qū)動連接的法蘭到刀盤背后面板的傳遞力臂俗稱牛腿，舊式設(shè)計制造工藝是將法蘭和牛腿一起鑄造出來，但由于刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為靈活，并且是單件生產(chǎn)，固定的鑄件模型已經(jīng)無法滿足需求，若經(jīng)常更改模型則制造成本加大許多。因此，現(xiàn)今多數(shù)刀盤的牛腿都是焊接組成的，可以是四臂、六臂、八臂，主要根據(jù)刀具尺寸、布置的不同和開口率和開口樣式的不同而選擇。

4. 刀具布置

刀盤的開挖直徑必需大于刀盤鋼結(jié)構(gòu)的最大直徑，否則刀盤將被卡死而無法回轉(zhuǎn)。刀盤的開挖直徑最終由安裝在刀盤外周上的刀具來實現(xiàn)。在刀盤切削過程中，由于邊滾刀旋轉(zhuǎn)速度比靠近中心部位的要快，切削的軌跡較長，并且邊滾刀與刀盤軸線存在一定角度，因此邊滾刀的磨損量和復(fù)雜度都大于中心滾刀和正滾刀。在設(shè)計時應(yīng)增加邊滾刀的布置數(shù)量和考慮刀盤的倒角和邊滾刀的安裝角度。然而刀盤中心滾刀比正滾刀的更容易損壞，由于刀盤中心部位的線速度較低，粘土、粉土、膨潤土等粘稠土體在中心部位的流動性較差，進(jìn)而加大中心部位的扭矩，降低中心滾刀的壽命。因此，滾刀的排列密集度要根據(jù)刀的磨損程度來分布，一般情況下，中心滾刀的間隙為90mm，中環(huán)區(qū)域為100mm，在刀盤倒角區(qū)域?qū)⒅饾u縮小間隙，倒角上刀刃保持在10～13把，最外一把單刃滾刀與刀盤軸線成70度角，若是雙刃滾刀成60度角。見圖4。對于其他類型的刀具，如撕裂刀、齒刀、先行刀等也是按照這個原則分布--隨著半徑的逐漸增大，同一半徑上刀具的數(shù)量也逐漸增多。同時要求在刀盤面板上的刀具能盡量達(dá)到對稱分布，這樣保證了刀盤的整體結(jié)構(gòu)受力平衡。5.1 添加劑注入的目的

對于為細(xì)顆粒（75?m以下的淤泥及粘土成分）含有成分較少的砂層或砂礫層時，刀盤掘削下來的泥土的流塑性很難滿足排土機構(gòu)直接排放的條件，另外，其抗?jié)B性也差，容易出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象。為此必須向這些開挖泥土中注入添加劑，以便改變其流塑性、抗?jié)B性，使其達(dá)到排土機構(gòu)可以排放的條件。添加劑可以是氣泡劑、膨潤土、高吸水性樹脂和水溶性聚合物等，這些材料可以根據(jù)土質(zhì)和施工要求來單獨使用和組合使用。

在土壓平衡盾構(gòu)機中，用得較多是泡沫劑，因此我們稱泡沫注入口為泡沫噴嘴。泡沫劑既能改善開挖面土體的物理和力學(xué)性質(zhì)，增加其流塑性和抗?jié)B性，防止切削土體黏附在刀盤及螺旋輸送機內(nèi)，避免閉塞現(xiàn)象，同時又有效清洗刀具，減少磨損和降低刀盤的扭矩，保證開挖面的穩(wěn)定性，加快盾構(gòu)機的掘進(jìn)速度。

5.2 泡沫噴嘴的布置

泡沫噴嘴的設(shè)計數(shù)量與盾構(gòu)的直徑、刀盤的支撐方式、刀盤的形狀等條件有關(guān)。通常在刀盤法蘭中心設(shè)置一個噴嘴，對著刀盤背后的中心部位沖洗，有效地防止刀盤中心形成泥餅；由于切削土體與添加劑之間的首次攪拌是在攪拌效果最好的開挖面前方部位進(jìn)行，所以在刀盤面板一般設(shè)置4到8個泡沫噴嘴。多個噴嘴的情形下應(yīng)該注意保持各個噴嘴的注射量的均等，并盡量在刀盤面板上均衡分布，以便泡沫與開挖面的土體達(dá)到充分的混合。

6. 刀盤耐磨保護

刀盤的耐磨保護設(shè)計相對很靈活，是在刀盤設(shè)計基本定形之后附加的功能，其保護的范圍和形式都比較廣泛。（1）刀盤的面板上有堆焊網(wǎng)狀耐磨條或焊接厚度10～20毫米的Hardox耐磨板，也可以焊接復(fù)合耐磨塊。（2）刀盤結(jié)構(gòu)外徑由兩道耐磨環(huán)組成，材料一般為HBW400；土質(zhì)較硬的時候，耐磨環(huán)前面的一道環(huán)采用硬質(zhì)金屬鑲嵌式，后面一環(huán)配有角式的Kenna耐磨材質(zhì)，耐磨環(huán)區(qū)域（刀盤圓周方向）配置有3～12把周邊保護刀。（3）刀盤周邊的Hardox耐磨保護或耐磨焊保護。（4）刀箱上的Hardox耐磨塊保護和周邊的刀箱邊的Hardox耐磨楔形塊保護。（5）在攪拌棒的表面堆焊網(wǎng)狀耐磨條。刀盤的刀具常裝有磨損檢測，對刀具的磨損狀況進(jìn)行實時監(jiān)測，從而掌握換刀時機，減輕刀盤磨損，提高掘進(jìn)效率，保證施工進(jìn)度。

7. 工程應(yīng)用實例

在成都地鐵四號線二期工程項目中，采用了德國海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機施工。刀盤開挖直徑?6280mm，四臂的面板式刀盤結(jié)構(gòu)，刀盤上裝有4把中心雙刃滾刀，31把單刃滾刀，1把仿形超挖刀，8把邊刮刀，28把刮刀。滾刀高出刀盤面板175mm，刮刀高出130mm，整個刀盤形成兩層切削模式，先由滾刀擊破巖石、開挖土壤，再由刮刀切削地層。刀盤面板上一共設(shè)置6條管道，刀盤背后1個高壓噴嘴和刀盤面板中心部位2個噴嘴，周邊3個噴嘴均勻分布在刀盤面板上，并實現(xiàn)單管單泵控制。由于盾構(gòu)穿越較多高磨損地質(zhì)，刀盤面板、周邊、背面和刀箱等都加焊耐磨保護，并滾刀和刮刀各設(shè)有一個耐磨探測傳感器。

8. 結(jié)束語

刀盤主要依據(jù)地質(zhì)報告來分析研究設(shè)計的，但實際地質(zhì)情況是無法完全準(zhǔn)確的反映到地質(zhì)資料來。因此，在設(shè)計刀盤的結(jié)構(gòu)和考慮刀具布置時，應(yīng)當(dāng)預(yù)留一定的安全能力來應(yīng)對特殊情況，確保施工的安全性。

9. 參考文獻(xiàn)

[1]張厚美 著《盾構(gòu)隧道的理論研究與施工實踐》中國建筑工業(yè)出版社出版 2010

[2][日]地盤工學(xué)會 著《盾構(gòu)法的調(diào)查?設(shè)計?施工》中國建筑工業(yè)出版社出版2008