盾构机及其使用凿岩钻具种类

胡 铭，董鑫业

（中国钢结构协会钎钢钎具协会 秘书处，北京 100088）

0 前言

盾构机是工程机械装备制造业的标志性产品，也是当今世界上最先进的地下工程与隧道掘进超大型专用设备。在本世纪初的十年中，我国南水北调、轨道交通、公路、水利建设等一大批大型工程中隧道建设采用盾构机施工的比例不断增大，北京、上海、广州、深圳、成都、南京等城市地铁项目施工中基本上采用盾构机施工。按照城市轨道交通建设规划方案，目前国内大约有25个大城市正在进行轨道交通前期工作，总规划里程超过5000公里，总投资估算超过8000亿元。全国特大城市的地铁和轻轨通车里程将超过1500公里。目前，我国在建城市轨道的15座城市将新建轨道交通线65条，总长度为1700公里。据资料统计，我国正在使用的盾构掘进机数量约500台左右。按照目前我国若干城市报批或者已批准承建的地铁项目，加上大型的越江工程，估计我国今后5年内陆续投入施工的盾构机至少将增加300台以上，也就是说，我国的各类盾构机及盾构机用钻具产品蕴含着巨大的市场前景。

可以认为，在日益重视开发利用地下空间的今天，盾构机开挖具有广阔的市场前景。因此，了解盾构机掘进基本工作原理，掌握盾构机掘进用钻具类型是我们钎钢钎具行业应该关注的产品发展方向。

1 盾构机与掘进刀盘

盾构机是一个具备多种功能于一体的综合性隧洞开挖设备，它集合了盾构施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全部的功能，目前，盾构机已成为地下工程及隧道施工的首选设备。其优点如下：

（1）不受地面交通、河道、航运、季节、气候等条件的影响。

（2）能够经济合理地保证隧道安全施工。

（3）盾构的掘进、出土、衬砌、拼装等可实现自动化、智能化和施工运输控制信息化。

（4）掘进速度较快，效率较高，施工劳动强度较低。

（5）地下环境不受盾构施工的干扰。

其缺点为：

（6）盾构机市场销售价格较高。

（7）在饱和含水的松软地层中施工，地表沉陷风险大。

（8）隧道曲线半径过小或埋深较浅时难度较大。

（9）设备体积庞大，在转移场地过程中运输、安装及场地布置等较复杂。

盾构机按工作场地可分为：软土盾构机、硬岩盾构机、混合型盾构机三种形式，机械结构上有：开启式、半开启式（半封闭式、欠土压平衡式）、封闭式（土压平衡式）、气压式四种结构。

软土盾构机适应于未固结成岩的软土、或者某些半固结成岩及全风化和强风化围岩。刀盘只安装刮刀，无需滚刀。

硬岩盾构机适应于硬岩且围岩层较致密完整的岩层，只安装滚刀，不需要刮刀。

混合盾构机适应于以上两种情况，适应更为复杂多变的复合地层。可同时安装滚刀和刮刀。

图1 用于隧洞开凿施工作业的硬岩盾构机

气压盾构是在加气压状态下的施工模式，既可用于泥水加压式盾构机，也可用于土压平衡式盾构机。

盾构机在施工过程中要根据掘进地层的不同，需要采用不同的刀盘结构及不同的刀具组合布置形式，同时配置的刀具性能要求也不同。通常盾构机的刀盘分为刮刀刀盘、滚刀刀盘和复合刀盘三种类型（图2）。

图2 盾构机刀盘类型

刮刀刀盘通常配置刮削型刀具，适用于未固结成岩的软土地层和某些全风化或强风化的软岩地层，一般地，单轴抗压强度20MPa以下的岩土层。我国上海、天津、西安、郑州等地的盾构机施工通常使用刮刀类刀具。刮刀刀盘通常也称为辐条式刀盘或软土刀盘，结构相对简单，刀具制作比较容易。

滚刀刀盘通常配置盘形滚动刀具，适用于硬岩地层。对于铁路、公路隧道、引水工程隧道这类均一的全断面硬岩地层通常只用滚刀（配以刮板）组装成刀盘。滚刀刀盘通常称为硬岩刀盘或TBM刀盘，目前国内使用量较大的是17英寸直径的盘型滚刀，例如秦岭铁路隧道施工的TBM刀盘就采用这种滚刀。

在盾构施工工程中的大部分地层往往有软岩也有硬岩，一段软一段硬或上软下硬、密实胶结卵石土等软硬不匀的地层，例如广州地铁、深圳地铁、成都地铁、北京地铁以及江底隧道施工中普遍存在这种地层。这时就要采用复合型刀盘。

复合型刀盘配置的刀具既要安装滚刀，也要安装刮刀。如在广州地铁施工中盾构机的刀盘在选择这种形式后施工效率大大加快。

刀盘是盾构机的核心部件，其结构形式、强度和整体刚度都直接影响到施工掘进的速度和成本，并且出了故障维修处理困难，因此盾构机刀盘应满足以下要求：

（1）刀盘应有足够的强度和刚度。

（2）刀盘应有较大的开口率。

（3）针对地层的变化，能够方便地更换硬岩滚刀和软岩齿刀。

（4）刀盘结构应有足够的耐磨强度。

（5）刀盘上应配置渣土搅拌装置。另外，刀盘上还应配置足够的注入口，各口装有单向阀，以满足刀具的冷却、润滑和渣土改良。

图3为目前国内地铁施工中常用的平面圆角形复合刀盘示意图。采用铸造和焊接混合型方式制作，刀盘前端面有8条辐板（开有8个对称的长条孔），其上配有滚刀（齿刀）座、刮刀座和2根搅拌棒，刀盘与驱动装置用法兰连接，法兰与刀盘之间是靠四根粗大的辐条相连。为保证刀盘的抗扭强度和整体刚度，刀盘中心部分、辐条和法兰采用整体铸造，周边部分和中心部分采用先拴接后焊结的方式连接。以前该件需从国外进口，现在已国产化。为保证刀盘在硬岩掘进时的耐磨性，刀盘的周边焊有耐磨条，面板上焊有栅格状的耐磨材料。刀盘上装有4路泡沫管，分为8个出口，各口都装有单向阀。装有塔形滚刀超挖刀一套，配油管2根，其行程为50mm。刀盘上可装双刃滚刀4把，单刃滚刀31把，正面齿刀64把。边缘齿刀16把。

刀盘外形尺寸：直径6280mm、刀圈外径6130mm、总厚度1410mm、刀盘厚度580mm。

刀盘工作参数：重量57000kg、开口率28%、超挖刀行程50mm、刀盘转速 0～6.1r/min、最大扭矩 4500kN·m，脱困扭矩5300kN·m。

盾构机刀盘旋转时靠刀具切割岩土体并由油缸向前推进，从而实现连续的机械化隧道掘进。由于我国地质复杂，盾构掘进会遇到诸如软塑粘土、砂性及粉细砂、砂卵石及软弱破碎岩石等复杂的地层。盾构刀盘旋转切削土体时会与隧道开挖面将产生复杂的相互作用力。因此，盾构机的刀具类型与布置、刀具制造质量、防磨损等问题就成为盾构机施工单位选择刀具的重点内容。

图3 地铁工程盾构机常用掘进刀盘示意

2 盾构机刀具种类和切削原理

如上所述，盾构机刀具的配置是盾构机刀具设计中非常重要的内容，其配置是否适应工程的地质条件，直接影响盾构机刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工效率。此外，盾构机刀具是盾构机破岩掘进的关键部件，在掘进中容易损坏，可以认为是一种有着较大市场发展空间的凿岩钻具类产品，值得钎钢钎具生产制造企业密切关注。盾构机刀具的使用寿命的长短，不仅与刀具制造质量有关，还与刀具的正确选型与维护有关，也就是说刀具的选型和维护直接影响到盾构机施工的安全性、可靠性和经济性。

目前盾构机使用的刀具一般分为两大类，即刮削刀具、滚动刀具（图4）。

图4 盾构机使用的两种刀具类型

2.1 刮削刀具（刮刀、割刀）

刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具，刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的刮削刀具类型有边刮刀、刮刀、齿刀、先行刀、贝壳刀、鱼尾刀等。

刮刀由刀座、刀体和刀刃三部分组成，刀座是与刀盘连接的部分，与刀盘的连接方式有焊接（先行刀）、螺栓连接（边刮刀）、插销连接（正面刮刀），齿刀或切刀与滚刀的安装方式相同。

刀体对硬质合金刀刃起支撑和保护作用，要有足够的强度和耐磨性。通常采用表面硬化处理或局部堆焊耐磨层。

刮削刀刃是刮刀刮削岩土和保护刀体不被磨损的关键部位，通常用硬质合金制作，硬质合金尺寸和形状根据刀具部位、作用、地层而定。

硬质合金刀刃与刀体的连接方式可以采用钎焊、镶嵌和镶嵌焊。钎焊焊料有铜基和银基两大类，焊接方式采用感应频焊接和真空焊接。

2.2 滚动刀具（滚刀）

滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀具。根据刀刃的形状，滚刀可分为：齿形滚刀（钢齿和球齿）、盘形滚刀（钢刀圈滚刀和球齿刀 圈滚刀）等类型（图5）。

图5 盾构机常用的滚动刀具类型

盾构掘进机滚刀主要是盘形滚刀，根据安装位置，滚刀可分为正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀等，其中使用正滚刀和中心滚刀的数量较多（图6）。

图6 正滚刀和中心滚刀

盘形滚刀根据形状可分为单刃、双刃和多刃型。目前常用刀刃外径的尺寸有13英寸、15英寸、17英寸、19英寸等规格，其中以17英寸系列产品使用量较大。

盾构机滚动刀具结构主要由刀圈、刀体（套）、刀轴、轴承、金属浮动密封环、刀盖（座）及联接螺栓等件组成。滚刀的内部结构是保证滚刀工作时正常旋转的关键，通常由轴承、密封、润滑油脂组成，其结构见图7。

图7 盾构掘进机滚刀结构示意

2.3 盾构机刀具切削原理

在盾构机工作过程中，通常对土层及部分软岩地层采用刮削刀具，对硬岩或坚硬岩层采用盘形滚动刀具。下面叙述盘式滚刀的切削破岩过程。

盾构机钻进时，安装在刀盘上的盘形滚刀在千斤顶的作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。滚刀在刀盘的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圆沟槽。当推力超过岩石的强度时，盘形滚刀刀尖下的岩石直接破碎，刀尖贯入岩石，形成压碎区和放射状裂纹；进一步加压，当滚刀间距满足一定条件时，相邻滚刀间岩石内裂纹延伸并相互贯通，形成岩石碎片而崩落，盘形滚刀完成一次破岩过程（图 8）。

图8 盘式滚刀的切削破岩过程

由图8可以看出，滚刀在高推力作用下，切入岩石表面（切入深度10-15mm，取决于岩体强度），同时岩面产生局部变形及很高的接触应力。并在此应力作用下，刀刃与岩石接触部分的岩体产生粉碎区，即应力核心区。此核心区深度越深、范围越大对提高破岩效率越明显。当沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉强度或抗剪强度时，便产生张拉裂缝。该裂缝是滚刀能否破岩的先决条件。在应力核心区下层是应力过渡区，该区为应力衰减区，对岩体裂缝的产生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂缝，由于其方向与破岩方向一致，因此也不能显著地提高破岩效率，但能加大下个循环中压入阶段应力范围。当相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互连通时，表面部分岩体便被裂缝分割，形成碎片并脱离开挖面，从而完成岩石破碎过程。

3 盾构机刀具结构与材料

3.1 刮削刀具的结构与材料

刮刀是由刀座、刀体和刀刃三部分组成的。刀座直接安装在盾构机刀盘上，安装方法有焊接（如先行刀）、螺栓连接（如边刮刀）、插销接（如正面刮刀）等。刮削刀具中有刀座与刀体为一体的，也有与刀体焊接为一体的，目前国内生产的刀座材料通常选择焊接性能较好的低碳合金钢。

刀体的作用是对硬质合金刮削刃起支撑和保护作用，要求有足够的强度和耐磨性能，通常选用中碳合金钢或空淬钢，在焊接硬质合金刮削刃过程中实施热处理硬化工艺，使刀体硬度达到HRC42以上，有的刀体还采用局部堆焊硬质耐磨层材料，以提高耐磨性能。

刮削刀具的刀刃通常采用硬质合金，其大小和形状根据刀具部位、作用、地层，以及刀具的设计形式选择。目前 使用量较多的刮削刀具见图9。

图9 盾构机常用刮削刀具

3.2 盘式滚动刀具的类型与材料

盾构机在中硬岩地层掘进时通常采用滚动刀具破岩，目前国内盾构施工使用较多的滚动刀具是盘式滚刀。根据不同的岩石状况，盘式滚刀的刀圈分为以下几种类型（图10）。

普通型或加厚钢刀圈：适用于掘进紧密型岩土地层、断裂砾岩、砂岩、砂粘土等地层，以及中硬岩石，如大理石、灰岩地层，高磨损岩层。

图10 常用的几种盘式滚刀的刀圈

镶齿硬质合金刀圈：适用于掘进坚硬岩石，如玄武岩、斑岩及石英等地层。

镶齿硬质合金、堆焊耐磨硬质材料刀圈：适用于掘进坚硬岩石和高磨蚀性岩层。

如上所述，在盾构机盘式滚动刀具中刀圈是主要损耗部件，也是市场需求量较大的凿岩工具产品类型，而盘式滚刀的刀圈材质是决定滚刀能否掘进硬岩的关键。根据刀圈的工作条件，制作刀圈材料主要以合金工具钢和合金结构钢为主，采用锻造方式制作刀圈毛坯。选用制作刀圈的钢材应满足以下性能要求：

（1）高的屈服强度，避免刀刃端在高应力下压溃变形；

（2）足够高的硬度，增加耐磨性，减少刀圈磨损；

（3）良好的冲击韧性，防止刀圈断裂；

（4）良好的抗回火性能，提高材料的热稳定性，保证刀圈在热装和滚压岩体过程中不降低硬度。

（5）良好的热加工和冷加工的工艺性能，材料成本相对较低，制造方便。

（6）经热处理后硬度可达到HRC52-59，可以承受较大的冲击，具有较高的耐磨性能，刀具制造费用相对较低，刀圈适用地层范围广，从软岩、中硬岩到硬岩都可选用。

常用制作滚刀刀圈的钢材牌号及化学成分见表1。

表1 滚刀刀圈的钢材牌号及化学成分wt%

球齿刀圈是在钢基体上镶嵌硬质合金齿，硬质合金齿的齿形有球状或楔状等形状，硬度为HRA85-88范围内，通常采用冷压固齿方式镶嵌在球齿刀圈钢基体上。球齿刀圈主要用于抗压强度超过175MPa的坚硬岩石掘进作业，其寿命通常是钢制刀圈的3-5倍，但由于采用硬质合金材料，制造成本比钢刀圈要高。

4 滚动刀具的内部结构要求

4.1 滚动刀具密封装置：

盾构机滚动刀具是在高推力、大扭矩的泥水环境条件下对岩土进行破碎掘进的凿岩工具，工作条件非常恶劣。刀具的密封性能对保证滚刀内腔的润滑剂不漏出并防止外来物进入，使轴承正常工作、延长刀具工作寿命是十分重要的。目前滚动刀具的密封装置多采用金属浮动密封环密封结构。

金属浮动密封环密封属于机械端面密封种类的一种，采用这种密封装置的滚动刀具在均匀载荷、润滑优良的条件下试验寿命高达5000h。由于滚刀作业受力复杂多变、使用环境恶劣，有一定的外部介质压力等，通常使用寿命会降很多，但还是能满足滚刀使用要求。

金属浮动密封环密封由两个啮合的金属密封环和两个富有弹性的复合橡胶密封圈组成。具有浮动能力，可补偿装配端间隙或防止偏斜。金属密封环是密封装置中的主要零件，其结构及质量的好坏起决定性作用。金属密封环采用高硬度的耐磨高铬钼的铸钢材料，硬度HRC60-65，工作表面粗糙度Ra≤0.1μm，表面平面度≤0.0015mm。

金属密封环有以下特性：

（1）采用4度导油斜面及大曲率半径球面环与平面环结构，有利于形成油膜，以保证轴承润滑油不泄漏及阻止泥土进入轴承腔；

（2）采用高光洁度及硬度工作面，减少了摩擦阻力，使工作面贴合良好，提高密封性能；

（3）浮动密封环采用的复合橡胶O型密封圈，具有可压缩性大及回弹性好等特点。始终对金属环施加压力，让金属环工作面始终接触，保证轴承润滑油不泄漏及阻止泥土进入轴承腔，起到密封效果。

4.2 滚动刀具轴承

前期的盾构机刀具使用较多的刀具轴承是滚柱和滚珠轴承结合的方式，通常用滚柱承受较高的径向载荷和冲击载荷，用滚珠承受推力，把滚刀和轴承固定在一起，滚刀体和轴起滚道的作用。由于这种形式的轴承在刀具拆卸维修时非常不方便，在盾构掘进机滚刀上已普遍被圆锥滚动轴承代替（图11）。

图11 滚动刀具轴承结构示意

圆锥滚动轴承采用锥形滚柱和滚道，具有以下特点：

（1）能同时承受径向载荷和轴向推力；

（2）就相同的轴承尺寸而言，承载能力更大，寿命更长；

（3）调节性能好；不管是轴向游隙还是预加负荷，均能按设计要求达到最佳性能；

（4）其锥型结构而固有的自动移油特点，能从滚道接触区域除去任何微粒沾染物，大大降低了受工作环境污染物的影响；

（5）与其他类型的轴承相比，因纯滚动效果较佳，摩擦系数减少，速度提高；

（6）由于其内外滚道可分离，安装和拆卸简便。

5 结语

（1）盾构机是装备制造业的标志性产品，也是当今世界上最先进的隧道掘进超大型专用设备。目前我国生产盾构机和盾构机刀具的企业不断增加，表明盾构机刀具产品有着较大的市场发展空间。

（2）盾构机刀具属于凿岩钻具产品范畴领域，但目前我国钎钢钎具行业中从事盾构机刀具生产的只有四家企业，对大多数钎具生产企业来说盾构机刀具是一种比较陌生的产品。有条件的企业应关注这一产品的市场动向，注意产品实物和技术资料的收集、整理和分析，从而逐步开展研制工作。