小盾構(gòu)機大開口率刀盤與刀具配置

史雪珊/SHI Xue-shan

（廣東華隧建設(shè)股份有限公司，廣東 廣州 510635）

隨著城市化進程的不斷加深, 電力隧道施工中盾構(gòu)的應(yīng)用也逐漸增多。盾構(gòu)刀盤的結(jié)構(gòu)、開口的尺寸、刀具的配置等方面是影響盾構(gòu)刀盤開挖能力的重要因素，而盾構(gòu)刀盤的開口率是其中最重要的指標，適合的刀盤開口率，是盾構(gòu)具備高效的挖掘效率和良好開挖穩(wěn)定性的重要條件之一。對于泥水盾構(gòu)來說，刀盤的開口率將影響到刀盤的扭矩、排渣的效率，特別是在高粘性的地層中掘進時，較大的刀盤開口率也有利于保證刀盤具備較好的開挖效率。

1 刀盤開口率對盾構(gòu)掘進的影響

目前常用的盾構(gòu)刀盤型式可分為面板式、輻條式和輻板式（輻條+面板組成）三類。面板式刀盤開口率較小，一般在10%～30%之間，輻條式刀盤的開口率較大，一般在30%～85%之間，而輻板式的開口率又介于面板式和輻條式之間，一般在25%～50%之間。三種類型的刀盤都有各自的特點，可根據(jù)盾構(gòu)開挖地層情況選用適應(yīng)性最好的刀盤形式。土壓平衡盾構(gòu)的開口率一般在10%～66%之間，而泥水平衡盾構(gòu)刀盤的開口率在10%～30%之間。

從長期工程施工的經(jīng)驗來看，當(dāng)盾構(gòu)在淤泥質(zhì)土層、砂層等自穩(wěn)性較差的地層中掘進時，過大的刀盤開口率容易引起開挖地層的過度損失，而較小的開口率反而能確保較好的開挖穩(wěn)定性。而當(dāng)盾構(gòu)在粘土、風(fēng)化巖等自穩(wěn)性較好的地層掘進時，較大的開口率能保證開挖的渣土快速排走，防止渣土在刀盤上粘結(jié)而形成泥餅，造成刀盤開口的堵塞、驅(qū)動扭矩的上升進而可能造成刀具的嚴重損壞。因此，開口率的選用應(yīng)緊密結(jié)合盾構(gòu)開挖地層的特性?？偟膩碚f，隧道處于粘土、風(fēng)化巖的幾率比淤泥質(zhì)土層、砂層多得多，所以刀盤設(shè)計時采用大開口率的情況更多。

2 泥水盾構(gòu)常規(guī)開口率的局限性

長期以來，盾構(gòu)刀盤開口的設(shè)計是基于對地層地質(zhì)和地下水土壓力等因素作為主要的參考因素。刀盤的開口尺寸寬度應(yīng)不大于盾構(gòu)排渣系統(tǒng)的排出能力，對于泥水盾構(gòu)來說，即刀盤開口的寬度不大于排泥管入口的直徑，一般約在200～250mm 之間。這極大地限制了泥水盾構(gòu)刀盤開口率最多達到30%左右。此外，長期以來基于成本和施工場地等因素考慮，泥水盾構(gòu)多施工于軟弱地層和滲透性較大的地層。在刀盤設(shè)計時，長期存在“采用較小開口尺寸來預(yù)防過挖造成地層過度損失”的理念。這都造成了刀盤性能的先天性不足，嚴重限制了泥水盾構(gòu)在可塑、硬塑狀粘土和各種強風(fēng)化和中風(fēng)化巖層中施工時的掘進效率，更加不適應(yīng)在復(fù)合地層中施工。因此，必須綜合考慮多方面的因素采用最適合的開口率。

3 盾構(gòu)適合的最大開口率的選用

復(fù)合地層盾構(gòu)選用大開率刀盤是十分必要的，隧道埋深范圍內(nèi)遇到可塑、硬塑狀粘土和砂質(zhì)、礫質(zhì)粘性土以及各種強風(fēng)化和中風(fēng)化巖層的幾率很高。通常盾構(gòu)在此類地層中掘進，挖掘面的粘性土體受到刀盤的碾壓，極易自刀盤中心位置向四周逐步在刀盤面附著形成堅硬泥餅，逐漸把刀盤入口堵塞，并裹死刀盤面板的滾刀導(dǎo)致滾刀的偏磨，造成刀具的過大磨損，嚴重地降低盾構(gòu)掘進能力。如若盾構(gòu)開口率過小，盾構(gòu)在這種地層中形成刀盤泥餅的情況會更為嚴重，因而盾構(gòu)采用大開口率顯得極為必要。

相對于常規(guī)的泥水盾構(gòu)刀盤開口率來說，刀盤采用大開口率，在粘性較強的地層中掘進，掘進能力起到很大的改善作用。因此，在目前采用可獲得較大開口率的輻條式刀盤，其刀盤開口率受刀具、刀盤結(jié)構(gòu)等多方面因素的影響，不可能無限增大。開口率選用時需考慮以下因素。

1）刀盤的刀具配置和刀具尺寸 根據(jù)長期的技術(shù)研究和施工情況總結(jié)，為確保刀盤的開挖時的挖土、破巖效果，以及保證渣土在開挖面的流動性。刀具的軌跡間距一般在10cm 左右，刀具應(yīng)高出面板約10cm 左右。在廣州這種復(fù)合地層施工時，刀盤還必須具有換裝背裝式的滾刀的刀座的能力。為滿足刀具軌跡間距和刀具高度的要求，盾構(gòu)還需采用17 英寸及以上尺寸的滾刀。這些因素直接決定了刀盤輻條的寬度和輻條的數(shù)量，這也限制了刀盤開口率的尺寸上限。

2）刀盤開口通道的厚度 在刀盤設(shè)計選用開口率時，還必須考慮的采用大開口率與刀盤結(jié)構(gòu)強度的影響。刀盤的結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計取決于盾構(gòu)開挖時所需推力、扭矩和地層地質(zhì)條件。在要求刀盤達到同等結(jié)構(gòu)強度時，輻條的寬度和刀盤輻條厚度呈現(xiàn)一種反比例關(guān)系，即刀盤輻條越窄，刀盤輻條的厚度越大。刀盤厚度增大會帶來開口處流道變長，這將降低渣土進入刀盤的流動效果，降低刀盤的進渣效率。所以在選擇刀盤大開口率尺寸時需考慮這方面的因素。特別是在廣州復(fù)合地層條件下，刀盤比較容易結(jié)泥餅，在考慮其開口率時需謹慎選擇。

4 泥水盾構(gòu)刀盤改造成大開口率的效果

在廣州地鐵某盾構(gòu)區(qū)間采用的三菱泥水盾構(gòu)的輻板式刀盤開口率為26%。該區(qū)間中開挖斷面上部大多數(shù)為<3-2> 砂層，少量的<5-2>、<6>、<7>，而下部為<8>、<9>巖層。雖然在掘進過程中較好的控制了循環(huán)泥漿的質(zhì)量和盾構(gòu)推進的參數(shù)，但推進時仍呈現(xiàn)高推力、高扭矩的特點，而且容易頻繁形成泥餅，如圖1。

圖1 26%開口率時在粘土及風(fēng)化巖中的推力扭矩值

之后，在不影響刀盤結(jié)構(gòu)強度的情況下，取消了幾塊刀盤小面板，將刀盤的開口率增大至36%，同時刀盤開口寬度明顯加大。在改進之后，盾構(gòu)投入廣州地鐵某盾構(gòu)區(qū)間施工，在類似的地層條件下，盾構(gòu)的刀盤的進渣效率明顯提高，盾構(gòu)推力、刀盤扭矩參數(shù)明顯下降，也降低了刀盤形成泥餅的趨勢。在之后高粘性土等特殊地段掘進時，在長距離的陶瓷型粘土的掘進過程中，未出現(xiàn)刀盤泥餅，均能保持較好的挖掘效率，如圖2。

5 ?4350mm泥水盾構(gòu)開口率的選擇

相對于采用25%～30%等常規(guī)開口率的盾構(gòu)，泥水盾構(gòu)采用大開口率的刀盤在廣州地區(qū)這種復(fù)合地層的適應(yīng)能力更強。因此在?4350mm 泥水盾構(gòu)的研發(fā)過程中，采用了整體大尺寸開口率的刀盤。

圖2 36%開口率時在粘土及風(fēng)化巖中的推力扭矩值

根據(jù)地質(zhì)條件的要求，刀盤采用可換裝滾刀的刀座形式，滾刀采用17 英寸的滾刀，刀具的軌跡間距一般在10cm左右。在這樣的刀具配置條件下，采取8 條輻條組成輻條式刀盤形式，既滿足刀具裝配的要求，也可以獲得較大的整體刀盤開口尺寸。同時刀盤中心具備較大開口率的尺寸，可有效防止泥餅的形成。在選定刀盤的型式并參考盾構(gòu)施工掘進參數(shù)的要求條件下，經(jīng)過計算，該盾構(gòu)設(shè)計選用36%的刀盤開口率尺寸，達到該刀盤最優(yōu)化的大尺寸開口率。經(jīng)對刀盤結(jié)構(gòu)進行有限元分析優(yōu)化后及刀盤在各種工況下的受力檢驗和強度校核，形成了盾構(gòu)刀盤的最終設(shè)計。

[1]張鳳祥，朱合華，傅德明，等.隧道技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]崔國華，王國強，何恩光，等.盾構(gòu)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].礦山機械，2006，(06):24-27.

[3]陳國彬.土壓平衡盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)介紹與刀具應(yīng)用淺析[J].中國水運，2007，（06)：61-62.

[4]宋克志，王本福.常見盾構(gòu)刀盤型式及選用[J].筑路機械與施工機械化，2007，（06）：45-46.