盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)及刀具型式對盾構(gòu)掘進(jìn)性能的影響研究

張洪濤

（中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100042）

盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)及刀具型式對盾構(gòu)掘進(jìn)性能的影響研究

張洪濤

（中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100042）

盾構(gòu)刀盤是盾構(gòu)中最主要的掘進(jìn)部件，針對不同地質(zhì)條件選擇不同的刀盤結(jié)構(gòu)及刀具型式是盾構(gòu)選型的關(guān)鍵。刀盤開口率、刀具型式及刀具的配置直接影響盾構(gòu)施工掘進(jìn)的效率。文章通過對土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)在刀盤開口率、刀具型式及刀具布置等方面深入分析，探討其對盾構(gòu)整體掘進(jìn)性能的影響。

盾構(gòu)；刀盤開口率；刀盤結(jié)構(gòu)；刀具型式

盾構(gòu)法施工因其在施工速度、安全等方面具有明顯的優(yōu)越性，盾構(gòu)應(yīng)用的區(qū)域和領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。針對不同區(qū)域地層、地質(zhì)的特點，盾構(gòu)刀盤需采取針對性的設(shè)計。盾構(gòu)刀盤通過其上不同的刀具組合以及不同類型的土體改良材料，可以將掌子面土體切削下來，刮入土倉內(nèi)，后通過螺旋機(jī)、皮帶輸送機(jī)運至渣土車內(nèi)。刀盤必須具備開挖土體、穩(wěn)定掌子面土壓力、土體攪拌的功能，因此，在刀盤設(shè)計階段要結(jié)合施工地層的特點綜合考慮、統(tǒng)籌兼顧，以求達(dá)到最佳的掘進(jìn)效果。

1 刀盤結(jié)構(gòu)型式及特點

盾構(gòu)刀盤主要由刀盤焊接結(jié)構(gòu)件、刀具、輔助材料噴射裝置、攪拌翼、表面耐磨材料等組成，設(shè)計時依據(jù)各個地層特點對各組成部分進(jìn)行針對性設(shè)計。盾構(gòu)刀盤按結(jié)構(gòu)型式可分為輻條式、面板式和輻板式。輻條式刀盤的特點是刀盤結(jié)構(gòu)由輻條組成，開口率較大，刮刀和先行刀均安裝在箱型或者圓柱型的輻條上（圖1）；面板式刀盤的特點是刀盤結(jié)構(gòu)由面板組成，開口率較小，且面板上布置有主切削刀（滾刀或者撕裂刀），同時輻條上布置有切削刀和刮刀（圖2）；輻板式刀盤最顯著的特點是刀盤上同時有輻條、面板，但面板上無主切削刀（圖3），僅作為封板起到增強刀盤結(jié)構(gòu)，降低開口率的作用。

圖1 輻條式刀盤

圖2 面板式刀盤

圖3 輻板式刀盤

從以上刀具裝配位置和刀盤結(jié)構(gòu)本身可以看出輻板式刀盤是介于輻條式刀盤和面板式刀盤的一種中間結(jié)構(gòu)型式，其中，土壓平衡盾構(gòu)因施工地層地質(zhì)條件范圍廣，可能在同一斷面內(nèi)存在幾種地質(zhì)條件，因此，在設(shè)計刀盤時 3 種結(jié)構(gòu)型式的刀盤均有；泥水平衡盾構(gòu)施工地層一般滲透系數(shù)較大，在富水砂層、粉細(xì)砂層及砂卵石地層穩(wěn)定性較差，因此，刀盤結(jié)構(gòu)通常設(shè)計為面板式或者輻板式。

2 刀盤開口率

2.1 開口率設(shè)計

刀盤開口率指刀盤開口區(qū)域面積與刀盤總面積的比值。刀盤開口率的大小主要取決于地層特點，地層內(nèi)顆粒的粒徑尺寸、地層的穩(wěn)定性。開口率的形狀尺寸以及開口位置直接決定了土體的流動性，掘進(jìn)效率。目前，典型的幾種地質(zhì)條件為淤泥質(zhì)土、黏土、砂層、砂卵石地層，全、中、微風(fēng)化巖層，以及幾種地質(zhì)條件的混合形成的復(fù)合地層。其中，以淤泥質(zhì)土、黏土、砂層地質(zhì)為代表的地層多選擇輻板式結(jié)構(gòu)，刀盤開口率為 30%～45%，但以黏土和砂層為代表的地層亦可選擇輻條式刀盤，開口率超過 50%；以砂卵石地層、全、中、微風(fēng)化巖層為代表的地層多裝配滾刀，刀盤開口率通常為 30% ～40%。

2.2 土壓平衡盾構(gòu)刀盤開口率設(shè)計

土壓平衡盾構(gòu)在施工硬巖層或者復(fù)合地層時，刀盤需要布置大量滾刀進(jìn)行破巖，刀盤結(jié)構(gòu)常為輻板式結(jié)構(gòu)，因此開口率較小，根據(jù)具體地質(zhì)條件、粒徑尺寸等，開口率一般為 10%～40%。在均一性較好的軟土地層，比如砂層、黏土層刀盤可設(shè)計成輻條式（圖4）和輻板式（圖5），純輻條式刀盤開口率可高達(dá) 75%。

圖4 石川島輻條刀盤

圖5 石川島輻板刀盤

表1 輻條式刀盤與輻板式刀盤對比表

表1 給出了日本石川島盾構(gòu) 2 種型式刀盤的特點，由表1 對比可以看出兩者的優(yōu)缺點：輻條式刀盤開口率較大，土體易于進(jìn)入土倉，這加劇了土體對土倉隔板的磨損，因此，在設(shè)計制造階段需提高土倉的耐磨性；輻板式刀盤在遇到掘進(jìn)斷面內(nèi)黏土較多，土體流動性差易結(jié)泥餅的地層，刀盤因開口率較小，造成切削的土體難以順利進(jìn)入土倉，使得刀具和刀盤的磨損加劇，施工效率降低。因此，刀盤結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整時，相應(yīng)配套的系統(tǒng)如攪拌裝置、土體改良噴射裝置以及土倉的耐磨性亦需要根據(jù)刀盤結(jié)構(gòu)的變化需求進(jìn)行調(diào)整。

為了提高輻板式刀盤的適應(yīng)性，使該型刀盤面板大小、數(shù)量可調(diào)整，有效提高刀盤的適應(yīng)性和掘進(jìn)效率，在設(shè)計該型刀盤時可按照純輻條式進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度、剛度的設(shè)計，這樣在面板調(diào)整時不影響刀盤的整體強度，但可以改善刀盤的其他掘進(jìn)指標(biāo)，提升掘進(jìn)效率。如，在北京、沈陽等地區(qū)的黏土、砂質(zhì)黏土地層施工時，取消面板，做為輻條式刀盤。在上海淤泥質(zhì)地層或含水量較高的砂層、砂卵石地層施工時，需加裝面板，做為輻板式刀盤。同一個刀盤通過面板數(shù)量、大小的調(diào)整，使該型刀盤在兼顧特定地層的適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，提升了設(shè)備的通用性和掘進(jìn)效率。

2.3 泥水盾構(gòu)刀盤開口率設(shè)計

地層滲透系數(shù)是盾構(gòu)機(jī)選型中一個很重要的指標(biāo)。當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)大于 1×10-4m/s 時，宜選用泥水盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)小于1×10-7m/s 時，可以選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B水系數(shù)在1×10-7m/s ～1×10-8m/s 之間時，既可以選用土壓平衡盾構(gòu)也可以選用泥水式盾構(gòu)。因此，在富水砂層、粉細(xì)砂層及砂卵石地層等滲透系數(shù)高及地層穩(wěn)定性差的地層，常選用泥水盾構(gòu)，其刀盤結(jié)構(gòu)通常設(shè)計為面板式，開口率通常取 10%～30%。

泥水盾構(gòu)刀盤的開口率、開口尺寸以及開口位置的布置均是選型的關(guān)鍵，需統(tǒng)籌考慮。泥水盾構(gòu)刀盤的開口亦可參照土壓盾構(gòu)刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在自穩(wěn)性好、粒徑可控地層，為提高掘進(jìn)效率，可適當(dāng)提高刀盤的開口率。以日本三菱泥水盾構(gòu)刀盤為例（圖6），該刀盤為面板式結(jié)構(gòu)，是典型 6 輻條加 6 面板結(jié)構(gòu)，面板上布有可互換的滾刀和先行刀。該型刀盤每個面板兩側(cè)均有 1 個三角翼板，共計 12 個，12 個三角翼中除 3 個位置焊接有主動攪拌翼外，其余 9 個可自行增減。面板兩側(cè)的肋板直接與刀盤外周焊接，兩側(cè)翼板不作為受力結(jié)構(gòu)件，可以任意增減，且其增減的尺寸可在主肋板外的區(qū)域自行決定。在泥水平衡盾構(gòu)中，通過翼板尺寸和數(shù)量的調(diào)整，可在一定范圍內(nèi)控制進(jìn)入泥水倉內(nèi)的粒徑。包含全部翼板的開口率為 30%，去掉 9 塊翼板后開口率調(diào)整為 34%（圖7，改進(jìn)后面板式刀盤），因此，在施工過程中可根據(jù)地層的實際情況，靈活調(diào)整三角塊數(shù)量，調(diào)整刀盤開口率，改變掘進(jìn)效率。

圖6 泥水盾構(gòu)面板式刀盤

圖7 改進(jìn)后面板式刀盤

3 刀具選型及刀具布置

3.1 刀具的主要功能

刀具主要功能是通過不同刀具的組合實現(xiàn)高效切削掌子面的土體，并將切削下來的土體及時收納到土倉內(nèi)。在整個工作過程中需具有有效降低對刀盤結(jié)構(gòu)的磨損和保持刀盤開挖直徑的功能。同一種結(jié)構(gòu)型式的刀盤可以選擇不同的刀具型式和刀具配置方案，最后達(dá)到刀盤結(jié)構(gòu)和刀具型式兩方面的完美結(jié)合。刀具型式可根據(jù)運動方式、布置位置和形狀等進(jìn)行分類，按刀具結(jié)構(gòu)劃分，一般分為刀圈系列、滾刀系列和焊接刀系列 3類；按切削原理劃分，一般分為滾刀和切削刀 2 類。刀具選型根據(jù)以淤泥質(zhì)、黏土、砂層為代表的軟土地層和以全、中、微風(fēng)化為代表的巖層兩者土體開挖原理的差異性，分為以先行刀切削土體和以滾刀破巖為主的兩大體系，結(jié)合地層實際情況和多種地層的混合情況，刀具選型配置上常兼具兩者混合使用。

3.2 先行刀切削體系

先行刀切削體系下，主要配置切削作用的先行刀和鏟土作用的刮刀。具體工作原理是先行刀先行切削掌子面土體，將土體切分成塊并疏松，刮刀隨后將松動的土體收入土倉內(nèi)。該型方式一般適用于粒徑小于 400 mm的砂卵石、黏土、淤泥質(zhì)地層。先行刀切削體系中刀具主要有齒刀、刮刀和先行刀，每種刀具根據(jù)地質(zhì)特點分為不同的結(jié)構(gòu)型式和安裝型式，通過不同類型的刀具從結(jié)構(gòu)型式、安裝型式、刀具尺寸、高差等方面協(xié)同一致的配合可取得最佳的掘進(jìn)效果。

日本石川島輻條式刀盤即為先行刀切削體系（圖8）刀具配置。刀盤上配置魚尾刀、周邊先行刀、先行刀、刮刀以及外周保徑刀和超挖刀，在刀盤旋轉(zhuǎn)過程中，魚尾刀處于刀盤的中心，高于其他的先行刀，起到先行切削土體從而形成自中心向外延伸的同心圓。同時，位于最外側(cè)的周邊先行刀亦先行切削土體，通過兩者先行切削土體，使刀盤開挖直徑內(nèi)的原狀土體與外界土體隔離，從而大大降低了其他先行刀切削過程中的摩擦力，起到降低刀盤扭矩和減少先行刀磨損的重要作用，因此，在配置先行刀時需重點考慮先行刀的結(jié)構(gòu)形式、裝配形式、耐磨性、耐沖擊能力。刮刀的主要作用是將梳松的土體及時收入土倉內(nèi)，減少對刀盤的二次磨損，在設(shè)計時需根據(jù)地層確定合金尺寸、焊接工藝、裝配型式。

3.3 滾刀破巖切削體系

在滾刀破巖切削體系下，主要配置刮刀、滾刀，其中滾刀的重要作用是碾壓破巖。在刀具配置過程中刀具高差設(shè)計、滾刀的間距是破巖的關(guān)鍵，兩者是影響掘進(jìn)效率的主要因素。安裝在刀盤上的滾刀在推進(jìn)油缸的作用下緊壓在巖面上，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，滾刀一方面繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，同時繞自身軸線自轉(zhuǎn)。滾刀在刀盤的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圓溝槽。當(dāng)推力超過巖石的強度時，滾刀刀尖下的巖石直接破碎，刀尖貫入巖石，形成壓碎區(qū)和放射狀裂紋；進(jìn)一步加壓，當(dāng)滾刀間距滿足一定條件時，相鄰滾刀間巖石內(nèi)裂紋延伸并相互貫通，形成巖石碎片而崩落，滾刀完成一次破巖過程（圖9）。滾刀刀圈的材質(zhì)、型式、性能直接關(guān)系到刀具的破巖能力。

3.4 刀具耐磨性

先行刀切削體系和滾刀破巖切削體系均需考慮增強刀具的耐磨性，其中先行刀切削體系下主要通過合金尺寸、形狀、本身性能增強其耐磨性，在刀體母材上覆蓋耐磨層。滾刀破巖體系下和滾刀耐磨性的增強主要通過刀圈的材質(zhì)、刀圈的結(jié)構(gòu)形式和刀具上敷焊耐磨層的硬度。

圖8 先行刀切削體系

圖9 滾刀破巖機(jī)理

4 刀盤耐磨性

刀盤的耐磨性主要是刀盤結(jié)構(gòu)材質(zhì)的耐磨性和刀盤覆蓋耐磨材料的耐磨性，目前，國內(nèi)盾構(gòu)刀盤一般選材為 Q345B，部分廠家采用 Q690 等高強度板材，刀盤結(jié)構(gòu)選材主要考慮材料的經(jīng)濟(jì)性、可焊性和強度要求。刀盤覆蓋耐磨材料主要是用在刀盤正面和側(cè)面，目前，主流為 hadox 耐磨板、信鉻鋼、耐磨焊條堆焊等，根據(jù)實際使用效果，信鉻鋼的耐磨性最好，能有效保護(hù)刀盤正面，延長刀盤使用壽命。刀盤外周耐磨性能對保護(hù)刀盤至關(guān)重要，為提高刀盤外周的耐磨性，一方面設(shè)計外周保護(hù)刀，另一方提升耐磨材料及其安裝型式，根據(jù)實際使用效果，外周焊接圓周方向鑲嵌碳化物合金的刀具和信鉻鋼，耐磨效果和經(jīng)濟(jì)效果最佳。

5 結(jié)束語

盾構(gòu)刀盤是影響掘進(jìn)效率的關(guān)鍵，刀盤結(jié)構(gòu)形式、開口率、刀具選型及配置方案、耐磨措施均需統(tǒng)籌考慮，協(xié)同一致，才能最大限度發(fā)揮刀盤的性能。通過在設(shè)計階段的優(yōu)化，可以提高刀盤在使用過程中的通用性，提高掘進(jìn)效率，降低施工成本。

［1］ 李建斌.淺談盾構(gòu)刀盤的設(shè)計與應(yīng)用［J］.建筑機(jī)械化， 2006（3）.

［2］ 宋克志，王夢恕.淺談隧道施工盾構(gòu)機(jī)的選型［J］.鐵道建筑，2004（8）.

［3］ 李鳳遠(yuǎn).盾構(gòu)選型和關(guān)鍵參數(shù)選擇探討［J］.建筑機(jī)械化，2008（8）.

［4］ 竺維彬，鞠世健.廣州地鐵三號線盾構(gòu)隧道工程施工技術(shù)研究［M］.廣東廣州：暨南大學(xué)出版社，2007.

［5］ 郭信君.南京長江隧道盾構(gòu)機(jī)選型探討［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2008（4）.

責(zé)任編輯 朱開明

Study on Impact of Shield Cutter Head Structure and Cutting Tool Type on Shield Tunneling Performance

Zhang Hongtao

Shield cutter head is the most important part of the shield.In view of the different geological conditions， it is the key to select the structure of the cutter head and the cutter type.The opening percentage of the cutter head， the cutter type and the confi guration of the cutter directly have infl uence on the effi ciency of shield tunneling.The paper makes a further analysis on the soil pressure balance shield and slurry balance shield on the opening percentage of cutter head， cutter type and cutter layout， etc.and its influence on the advance performances of the complete shield is discussed.

shield， cutter head opening percentage，cutter head structure， cutter tool type

U455.43

張洪濤（1978—），男，高級工程師

2016-01-14