天津地鐵盾構(gòu)刀盤分析及設(shè)計※

唐歡

（株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司，湖南 株洲，412000）

1 引言

盾構(gòu)施工具有機(jī)械化程度高、 施工速度高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地鐵、隧道、水電等重大工程[1]。盾構(gòu)機(jī)是衡量一個國家裝備制造業(yè)水平和能力高低的關(guān)鍵裝備之一，而盾構(gòu)刀盤及刀具作為隧道掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵配套工具，其性能和壽命制約著整個工程的掘進(jìn)效率及施工成本。針對不同地質(zhì)選擇不同類型的盾構(gòu)機(jī)，同時針對性配套與之相適應(yīng)的刀具，確保工程順利進(jìn)行，是盾構(gòu)施工行業(yè)需重點(diǎn)研究的一大課題。隨著國內(nèi)地鐵建設(shè)的風(fēng)起云涌，一臺盾構(gòu)機(jī)完成一個項(xiàng)目的施工，還需轉(zhuǎn)場到另一工地繼續(xù)工作，這樣跨區(qū)域調(diào)用盾構(gòu)機(jī)施工，勢必帶來較大的適應(yīng)性風(fēng)險，需要做好論證后再做針對性改造，以確保盾構(gòu)機(jī)滿足新項(xiàng)目施工要求。

2 工程及盾構(gòu)機(jī)簡介

2.1 工程簡介

天津地鐵5、6 號線賓館西路站～行政中心站區(qū)間為5、6 號線并行段，位于天津市賓水道，起點(diǎn)位于衛(wèi)津河西側(cè)，沿賓水道地下由西向東延伸，終點(diǎn)位于賓館西路東側(cè)。場地范圍內(nèi)主要為市政道路，地形平坦。區(qū)間沿線下穿衛(wèi)津河、紫金山路、賓館西路等市政道路。

擬建5 號線區(qū)間起點(diǎn)里程為CK 25+984.900，區(qū)間終點(diǎn)里程為WCK 26+751.573，區(qū)間長度約為766.673 m。擬建6 號線區(qū)間起點(diǎn)里程CK 29+332.500，區(qū)間終點(diǎn)里程為CK 30+142.800，區(qū)間長度約為810.3 m。區(qū)間分左線和右線，左線和右線分別形成圓形隧道，隧道結(jié)構(gòu)外徑6.2 m。

盾構(gòu)開挖范圍內(nèi)的土層主要是粉土層、粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層及粉砂層。粉質(zhì)粘土層的粘粒含量較高，詳細(xì)地質(zhì)情況如表1 所示。

表1 各區(qū)段地質(zhì)分布表

2.2 施工風(fēng)險分析及應(yīng)對

盾構(gòu)在該地層掘進(jìn)施工風(fēng)險及應(yīng)對如下：

（1）粘性土地層中盾構(gòu)施工容易結(jié)泥餅[2]，影響盾構(gòu)的掘進(jìn)效率。建議添加泡沫、泥漿等添加劑改善土體的流動性，防止渣土結(jié)泥餅。同時盾構(gòu)施工中注意及時給刀盤降溫，防止渣土因溫度過高而發(fā)生板結(jié)。

（2）場地內(nèi)地下水豐富，施工中易造成螺旋輸送機(jī)產(chǎn)生涌水及涌泥現(xiàn)象，應(yīng)時刻注意盾構(gòu)機(jī)的密封情況，通過注入泡沫和渣土改良劑來提高出土粘粒含量，同時注意控制螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速和土倉壓力以防止噴涌現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（3） 結(jié)構(gòu)頂板所處土層的圍巖分級均為Ⅵ級，自穩(wěn)能力差，很難形成自然拱，易坍落；盾構(gòu)法施工對該層土體的擾動很容易造成土體的力學(xué)強(qiáng)度急劇下降[3]，進(jìn)而造成地表塌陷。應(yīng)注意控制好掘進(jìn)參數(shù)，注意采用小轉(zhuǎn)速、小扭矩掘進(jìn)，同時減少對圍巖的擾動，并及時做好注漿和二次注漿。

（4）結(jié)構(gòu)底板所處土層為粉質(zhì)粘土，地層承載能力較差，施工時需做好姿態(tài)控制，防止盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)下沉現(xiàn)象?？赏ㄟ^調(diào)整各千斤頂?shù)耐屏?，達(dá)到調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的目的。但調(diào)整不可過猛，需循序漸進(jìn)，防止盾構(gòu)管片出現(xiàn)錯臺現(xiàn)象。

2.3 盾構(gòu)機(jī)及刀具簡介

工程擬采用兩臺φ6420 mm 三菱土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在深覆土區(qū)間（M5 和M6 下行線）進(jìn)行掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)參數(shù)如表2 所示。

表2 盾構(gòu)機(jī)參數(shù)表

盾構(gòu)機(jī)圖片如圖1 所示。該刀盤為復(fù)合刀盤，圖1a 為出廠時的盾構(gòu)刀盤及刀具圖，圖1b為多次使用拆掉刀具后的刀盤圖。

圖1 盾構(gòu)機(jī)照片

刀盤結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 盾構(gòu)機(jī)刀盤圖

從刀盤圖上可以看出原刀盤刀具配置，具體參數(shù)見表3。盾構(gòu)機(jī)刀具圖見圖3。

表3 原盾構(gòu)刀具配置表

3 盾構(gòu)適應(yīng)性分析

該盾構(gòu)原用于巖性地層掘進(jìn)，現(xiàn)需將該設(shè)備用于天津軟土地層掘進(jìn)，需做好盾構(gòu)適應(yīng)性分析，以確保盾構(gòu)機(jī)在該地質(zhì)下能順利掘進(jìn)。

（一）盾構(gòu)機(jī)類型

盾構(gòu)機(jī)主要有兩種類型：土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和泥水平衡盾構(gòu)機(jī)[4]。選型的兩個重要因素是：

（1）地層滲透系數(shù)

（2）土壤顆粒大小

根據(jù)天津地層滲透系數(shù)小于1×10－7m/s，土壤顆粒較小兩個因素，加上土壓平衡盾構(gòu)機(jī)占地面積小，渣土處理成本低，選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，經(jīng)濟(jì)合理。

（二）盾構(gòu)機(jī)最大推力[5-6]

盾構(gòu)機(jī)推力

F=P·πD2/4

式中 F——總推力

P——單位面積上的經(jīng)驗(yàn)推力

D——刀盤直徑

P 取值范圍為700-1200 kN/m2，此處地層較軟，取P=800 kN/m2。計算得F=24767 kN

因而盾構(gòu)機(jī)在推力方面能完全滿足要求。

（三）盾構(gòu)扭矩[6]

盾構(gòu)扭矩T=αD3

式中 T——刀盤總扭矩

D——刀盤外徑

α——扭矩系數(shù)

此處取α=14，計算得T=3467 kN·m，可以得出盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計最大扭矩能滿足要求。

（四）螺旋輸送機(jī)最大扭矩[7]

螺旋輸送機(jī)所需回轉(zhuǎn)扭矩

T=αD3

式中 D——輸送機(jī)外徑

α——扭矩系數(shù)

在粘性土及砂性土中取α=100-200，可以得出T=47.5～94.9 kN·m。

由此可見螺旋輸送機(jī)扭矩符合要求。

（五）盾構(gòu)開口率

盾構(gòu)開口率是刀盤面板開口部分與刀盤總面積的比值，刀盤的開口率必須與地質(zhì)條件、掌子面穩(wěn)定性相匹配，天津地質(zhì)為多種土層交錯分布，考慮到刀盤開口率過大，會造成刀盤對掌子面支護(hù)不夠，易導(dǎo)致掌子面垮塌；開口率過低會造成排土困難，渣土積聚在掌子面，會增加對刀盤和刀具的磨損。根據(jù)劉建琴等人的研究[8]，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤開口率應(yīng)在30%-50%，原刀盤開口率為40%，基本符合地層掘進(jìn)要求，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)增大刀盤中心的開口率對防止結(jié)泥餅更為理想。

（六）刀具適應(yīng)性分析

原刀盤刀具配置為滾刀、邊緣刮刀、正面切刀，刀具搭配是典型的巖層掘進(jìn)時的刀具配置，原刀盤采用滾刀是為了進(jìn)行巖石破碎，將完整的巖面分割成若干個同心圓帶，此刻滾刀刀圈未經(jīng)過地方的巖石也由于擠壓作用產(chǎn)生了裂紋，結(jié)構(gòu)不再致密，再用刮刀和切刀就可輕松將它刮削下來。

天津地質(zhì)情況以粉質(zhì)粘土，粉土為主，為典型的軟土地層，巖石單軸抗壓強(qiáng)度低，不需要進(jìn)行巖面的破碎。再者，由于巖層強(qiáng)度低，滾刀在該地層掘進(jìn)也無法正常轉(zhuǎn)動，應(yīng)配置軟土刀具對土層刮削和擾動，使得掌子面的沙土從掌子面脫離，在切刀和邊緣刮刀的刮削作用下進(jìn)入土倉，最后通過螺旋輸送機(jī)排出去。這樣意味著原來刀盤的刀具配置是不能適應(yīng)新地層掘進(jìn)的。

4 刀盤及刀具設(shè)計

4.1 盾構(gòu)刀具設(shè)計

（1）刀具中心部位1.6 米直徑區(qū)域內(nèi)采用中心魚尾刀。該中心魚尾刀設(shè)計成可拆卸式，當(dāng)?shù)额^磨損掉以后，擰開螺栓，更換刀頭部分即可，它的高度為最低位置高出刀盤160 mm，最高位置高出刀盤310 mm，魚尾刀的結(jié)構(gòu)見圖4。采用魚尾刀理由如下：

圖4 中心魚尾刀

①在軟土層掘進(jìn)，地層穩(wěn)定性差，且土層較為復(fù)雜，盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中極易出現(xiàn)刀盤飄忽不定，姿態(tài)調(diào)整困難的情況，而中心魚尾刀可以率先擠入巖面，形成一個錐形定位孔，從而起到一個定心的作用，防止盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)軸線偏移的狀況，通過它導(dǎo)引刀盤掘進(jìn)方向，減少盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)“抬頭”或者”磕頭”現(xiàn)象。

②粘土層掘進(jìn)，粘土受熱或者擠壓，容易出現(xiàn)結(jié)泥餅的現(xiàn)象[9]，造成刀盤中心部位出渣口被擋住，進(jìn)而造成排渣和掘進(jìn)困難。采用中心魚尾刀，可以在刀盤中心部位形成對渣土的二次翻轉(zhuǎn)攪動，增加泥土的塑流性，極大減少結(jié)泥餅風(fēng)險。

③將滾刀變成魚尾刀，刀箱未被滾刀堵住，相當(dāng)于增加了中心位置的開口率，更便于渣土進(jìn)入土倉，結(jié)泥餅風(fēng)險更小。

（2）為了確保中心魚尾刀的效果，在結(jié)構(gòu)上做重大改進(jìn)，采用部分對稱形式：

①增加中心部位的開口率，對中心位置泥土的翻轉(zhuǎn)效果較對稱結(jié)構(gòu)更好。

②部分對稱，能有效地減小單側(cè)魚尾刀不對稱帶來的刀盤受力不均衡狀態(tài)。

（3）雙聯(lián)中心滾刀改為雙刃羊角刀，正面單刃滾刀（最外周三把除外）改為單頭羊角刀，它們高出刀盤140 mm，其刀具形式見圖5（a）、圖5（b）。

相對于撕裂刀，羊角刀采用兩頭上翹結(jié)構(gòu)，對軟土的掛削效果更好。刀頭兩端采用龜背齒大合金設(shè)計，增加了硬質(zhì)合金刀片的抗崩性。沿用與滾刀一樣的楔塊連接安裝方式，可與滾刀互換。

（4）最外周三把正面單刃滾刀改為單刀轂雙刃釬焊硬質(zhì)合金片滾刀，見圖5（f）。

圖5 新刀具配置

該項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)涉及到刀盤邊緣穿越建筑物樁基的問題，樁基為混凝土結(jié)構(gòu)，單軸抗壓強(qiáng)度10-30 MPa，單純采用硬質(zhì)合金刀具無法完成破巖，需借助滾刀對混凝土樁進(jìn)行滾壓破碎。

采用雙刃焊接硬質(zhì)合金片滾刀理由如下：

①掌子面絕大部分是軟土，僅有外周局部為混凝土樁。普通滾刀在這種情況下易發(fā)生偏磨[10]。而單刀轂雙刃滾刀的兩個刀圈能獲得兩倍于單刃滾刀的啟動力矩，因而它偏磨幾率更小，大量工程數(shù)據(jù)證明滾刀要保證較好的剛性和密封性能，扭矩必須控制在15 N·m 以上，而軟土層通常不足以提供如此大的轉(zhuǎn)矩確保滾刀能轉(zhuǎn)動起來。通過將單刃滾刀改為雙刃滾刀，掌子面僅需提供單刃滾刀一半的轉(zhuǎn)矩即可保證滾刀正常轉(zhuǎn)動，大大降低了偏磨風(fēng)險。

②在抗壓強(qiáng)度30 兆帕以下的巖層掘進(jìn)，釬焊硬質(zhì)合金刀圈能確保本身硬質(zhì)合金不發(fā)生崩裂及脫落現(xiàn)象，同時硬質(zhì)合金相對于刀圈突出3㎜，這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于給滾刀刀圈增加了一排“防滑釘”。能確保滾刀壓入巖石面的時候，相對掌子面的摩擦系數(shù)增大，因此直接增大了滾刀的轉(zhuǎn)矩。對這種以軟土為主，地層支撐力較小的地層，采用釬焊硬質(zhì)合金刀圈，是解決滾刀掘進(jìn)過程中刀圈弦磨的有效途徑。

③相對于普通刀圈而言，釬焊硬質(zhì)合金片刀圈耐磨性成倍增加，邊緣滾刀最大允許磨損量僅為15mm，而通過公式[11]

δ=KπNDL/V

式中 δ——刀具磨損量

K——磨損系數(shù)

N——刀盤轉(zhuǎn)速

D——刀具所處的直徑

L——表示刀盤掘進(jìn)距離

V——盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度

可以看出： 邊緣位置刀具安裝位置半徑大，磨損也是最為厲害的，提高邊緣位置刀具的耐磨性就等于直接減少了換刀次數(shù)，為工程節(jié)約了成本。

（5）刀盤邊緣位置增設(shè)4 把貝殼刀，見圖5（c），該刀具高出刀盤130 mm，作用如下：

①加強(qiáng)刀盤外周的耐磨性，保護(hù)刀盤外周免遭過度磨損。

②在滾刀無法正常轉(zhuǎn)動的情況下，可以替代滾刀進(jìn)行邊緣位置的切削。

（6） 正面切刀及邊緣刮刀維持原來設(shè)計，對刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化。原邊緣刮刀外周方向焊接硬質(zhì)合金柱齒進(jìn)行保護(hù)，作為其磨損最大的刀口部位僅僅堆焊一層3-5 mm 的耐磨材料進(jìn)行保護(hù)。新設(shè)計邊緣刮刀采用三排合金設(shè)計 （見圖5（d）），刃口部位采用大塊合金設(shè)計，以增加刀具的耐磨性和抗崩性，同時刮刀背部的兩條合金條可起到保護(hù)邊緣刮刀外徑的作用，防止因邊緣刮刀外周被過度磨損，造成盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)卡盾的現(xiàn)象； 刃口接近合金部位用耐磨堆焊層進(jìn)行保護(hù)，確保與合金結(jié)合的的鋼基體不被磨蝕，正面切刀合金分布則由原“U”型結(jié)構(gòu)，改成“L”型結(jié)構(gòu)（見圖5（e）），采用這樣的大合金設(shè)計，刀具抗崩性和耐磨性都明顯提高。

4.2 盾構(gòu)刀盤設(shè)計

4.2.1 加強(qiáng)刀盤抗磨性

在刀盤面板大面積裸露表面用悍達(dá)耐磨鋼板進(jìn)行保護(hù)；其它易磨損位置和進(jìn)渣口的周圍進(jìn)行網(wǎng)格狀耐磨堆焊；在刀盤圓周焊接硬質(zhì)合金耐磨板；并在刀盤背部焊耐磨鋼板（見圖6）。

圖6 刀盤耐磨保護(hù)

4.2.2 刀盤泡沫噴嘴設(shè)計

刀盤上布置5 個泡沫噴嘴（見圖7），泡沫噴嘴既可以用來噴射膨潤土稠泥漿、泡沫，也可以用來噴水。

圖7 泡沫噴嘴位置分布

通過噴口噴出噴潤土、添加劑、泡沫，可對土倉內(nèi)的渣土的塑流性進(jìn)行改良，既可防止渣土板結(jié)，還可以增加渣土的流動性，減少對刀盤和刀具的磨損，此外一旦中心位置被堵后，還可通過它噴射清水及分散劑等對刀盤中心位置的泥團(tuán)進(jìn)行沖散。泡沫噴嘴采用背裝式設(shè)計，方便維護(hù)維修；泡沫噴嘴上方設(shè)有防塵罩，既可防止噴嘴被泥土堵塞，又可防止泡沫噴嘴被磨損和損壞。泡沫噴嘴結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 泡沫噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

4.2.3 螺旋輸送機(jī)耐磨性設(shè)計

由于地層磨損系數(shù)大，作為排渣的主要機(jī)構(gòu)的螺旋輸送機(jī)需要具備較好的耐磨性[12]，它決定著出渣能否順利進(jìn)行，現(xiàn)做如下改進(jìn)（見圖9）：

圖9 螺旋輸送機(jī)強(qiáng)化

（1）外周焊接耐磨板，它采用硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)，焊接在刀盤上，一旦被過度磨損可以用氣割的形式拆卸下來。

（2）螺旋葉片上用耐磨堆焊進(jìn)行保護(hù)。

（3）刀盤背面和盾構(gòu)機(jī)主機(jī)隔板各設(shè)4 根攪拌棒（見圖10），其中刀盤背面的攪拌棒為主動攪拌棒，它隨著刀盤一起轉(zhuǎn)動，主機(jī)隔板上的攪拌棒為被動攪拌棒，不能轉(zhuǎn)動，但它們都能對刀盤背部土倉內(nèi)的渣土進(jìn)行攪拌。通過增設(shè)攪拌棒，增加土體的流動性，減少刀盤結(jié)泥餅概率。攪拌棒一般伸出刀盤后端面約700 mm，形狀設(shè)計成倒棱錐形，棱邊與刀盤切線方向平行，從而減少與泥土間的阻力，防止刀盤的運(yùn)行扭矩明顯增加，攪拌棒用耐磨堆焊進(jìn)行全方位保護(hù)。

圖10 攪拌棒設(shè)計

（4）刀箱是滾刀和羊角刀的安裝座，一但刀箱受到較大沖擊出現(xiàn)變形等損傷或者過度磨損，一方面造成新刀具出現(xiàn)安裝問題，同時還極有可能造成原刀具出現(xiàn)拆卸不下的問題，給施工帶來意外損失。建議在刀箱兩側(cè)安裝刀箱保護(hù)座，它采用Q345 鋼材，焊接在刀箱兩側(cè)（見圖11 標(biāo)出部分）。

圖11 刀箱保護(hù)塊安裝圖

（5）中心隔板配備高壓沖洗水口，一但中心處結(jié)泥餅，通過噴射高壓水進(jìn)行緩解和處理。

盾構(gòu)刀盤在含泥巖，粘土的地層中掘進(jìn)，易產(chǎn)生結(jié)泥餅現(xiàn)象。刀盤中心位置因?yàn)槭艿介_口較小、布刀位置不夠、無法布置切刀等因素的影響，對掌子面的切削效果較差，一但高粘性渣土附著在中心位置的刀盤和刀具上，造成中心位置排渣效果減弱，刀盤和刀具磨損加劇。此外掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的熱量無法隨渣土及時排出，土倉內(nèi)渣土的溫度將越來越高，最終會導(dǎo)致渣土板結(jié)，出渣口被完全堵死。配備高壓沖洗水口，一但出現(xiàn)結(jié)泥餅，可以噴射高壓水柱進(jìn)行沖刷。

5 應(yīng)用效果

刀盤改造后，一盤刀實(shí)現(xiàn)了整條隧道貫通，刀盤出洞后，對刀盤及刀具進(jìn)行檢查，圖12 為盾構(gòu)機(jī)出洞后的照片，由照片可以看出，刀具使用正常，刀盤磨損微弱。

圖12 珠海號盾構(gòu)機(jī)出洞圖

同一條線另外兩工地盾構(gòu)機(jī)使用情況見圖13。

圖13 其它工地盾構(gòu)機(jī)出洞圖片

6 結(jié)論

針對天津地鐵某盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)項(xiàng)目，從盾構(gòu)機(jī)的類型，推力、扭矩等參數(shù)進(jìn)行分析，以確保設(shè)備整體性能配置達(dá)到要求，在此基礎(chǔ)上對盾構(gòu)機(jī)刀盤及刀具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終盾構(gòu)機(jī)發(fā)揮出了最佳掘進(jìn)效能。同時也為老盾構(gòu)機(jī)在新項(xiàng)目施工前提供了一種論證方法，該案例的經(jīng)驗(yàn)是：事先詳細(xì)勘探好地質(zhì)狀況，再使盾構(gòu)機(jī)及刀盤與地質(zhì)狀況完全匹配，才能發(fā)揮盾構(gòu)機(jī)最大的優(yōu)勢，確保掘進(jìn)順利。