小盾构机大开口率刀盘与刀具配置

史雪珊/SHI Xue-shan

（广东华隧建设股份有限公司，广东 广州 510635）

随着城市化进程的不断加深, 电力隧道施工中盾构的应用也逐渐增多。盾构刀盘的结构、开口的尺寸、刀具的配置等方面是影响盾构刀盘开挖能力的重要因素，而盾构刀盘的开口率是其中最重要的指标，适合的刀盘开口率，是盾构具备高效的挖掘效率和良好开挖稳定性的重要条件之一。对于泥水盾构来说，刀盘的开口率将影响到刀盘的扭矩、排渣的效率，特别是在高粘性的地层中掘进时，较大的刀盘开口率也有利于保证刀盘具备较好的开挖效率。

1 刀盘开口率对盾构掘进的影响

目前常用的盾构刀盘型式可分为面板式、辐条式和辐板式（辐条+面板组成）三类。面板式刀盘开口率较小，一般在10%～30%之间，辐条式刀盘的开口率较大，一般在30%～85%之间，而辐板式的开口率又介于面板式和辐条式之间，一般在25%～50%之间。三种类型的刀盘都有各自的特点，可根据盾构开挖地层情况选用适应性最好的刀盘形式。土压平衡盾构的开口率一般在10%～66%之间，而泥水平衡盾构刀盘的开口率在10%～30%之间。

从长期工程施工的经验来看，当盾构在淤泥质土层、砂层等自稳性较差的地层中掘进时，过大的刀盘开口率容易引起开挖地层的过度损失，而较小的开口率反而能确保较好的开挖稳定性。而当盾构在粘土、风化岩等自稳性较好的地层掘进时，较大的开口率能保证开挖的渣土快速排走，防止渣土在刀盘上粘结而形成泥饼，造成刀盘开口的堵塞、驱动扭矩的上升进而可能造成刀具的严重损坏。因此，开口率的选用应紧密结合盾构开挖地层的特性。总的来说，隧道处于粘土、风化岩的几率比淤泥质土层、砂层多得多，所以刀盘设计时采用大开口率的情况更多。

2 泥水盾构常规开口率的局限性

长期以来，盾构刀盘开口的设计是基于对地层地质和地下水土压力等因素作为主要的参考因素。刀盘的开口尺寸宽度应不大于盾构排渣系统的排出能力，对于泥水盾构来说，即刀盘开口的宽度不大于排泥管入口的直径，一般约在200～250mm 之间。这极大地限制了泥水盾构刀盘开口率最多达到30%左右。此外，长期以来基于成本和施工场地等因素考虑，泥水盾构多施工于软弱地层和渗透性较大的地层。在刀盘设计时，长期存在“采用较小开口尺寸来预防过挖造成地层过度损失”的理念。这都造成了刀盘性能的先天性不足，严重限制了泥水盾构在可塑、硬塑状粘土和各种强风化和中风化岩层中施工时的掘进效率，更加不适应在复合地层中施工。因此，必须综合考虑多方面的因素采用最适合的开口率。

3 盾构适合的最大开口率的选用

复合地层盾构选用大开率刀盘是十分必要的，隧道埋深范围内遇到可塑、硬塑状粘土和砂质、砾质粘性土以及各种强风化和中风化岩层的几率很高。通常盾构在此类地层中掘进，挖掘面的粘性土体受到刀盘的碾压，极易自刀盘中心位置向四周逐步在刀盘面附着形成坚硬泥饼，逐渐把刀盘入口堵塞，并裹死刀盘面板的滚刀导致滚刀的偏磨，造成刀具的过大磨损，严重地降低盾构掘进能力。如若盾构开口率过小，盾构在这种地层中形成刀盘泥饼的情况会更为严重，因而盾构采用大开口率显得极为必要。

相对于常规的泥水盾构刀盘开口率来说，刀盘采用大开口率，在粘性较强的地层中掘进，掘进能力起到很大的改善作用。因此，在目前采用可获得较大开口率的辐条式刀盘，其刀盘开口率受刀具、刀盘结构等多方面因素的影响，不可能无限增大。开口率选用时需考虑以下因素。

1）刀盘的刀具配置和刀具尺寸 根据长期的技术研究和施工情况总结，为确保刀盘的开挖时的挖土、破岩效果，以及保证渣土在开挖面的流动性。刀具的轨迹间距一般在10cm 左右，刀具应高出面板约10cm 左右。在广州这种复合地层施工时，刀盘还必须具有换装背装式的滚刀的刀座的能力。为满足刀具轨迹间距和刀具高度的要求，盾构还需采用17 英寸及以上尺寸的滚刀。这些因素直接决定了刀盘辐条的宽度和辐条的数量，这也限制了刀盘开口率的尺寸上限。

2）刀盘开口通道的厚度 在刀盘设计选用开口率时，还必须考虑的采用大开口率与刀盘结构强度的影响。刀盘的结构强度的设计取决于盾构开挖时所需推力、扭矩和地层地质条件。在要求刀盘达到同等结构强度时，辐条的宽度和刀盘辐条厚度呈现一种反比例关系，即刀盘辐条越窄，刀盘辐条的厚度越大。刀盘厚度增大会带来开口处流道变长，这将降低渣土进入刀盘的流动效果，降低刀盘的进渣效率。所以在选择刀盘大开口率尺寸时需考虑这方面的因素。特别是在广州复合地层条件下，刀盘比较容易结泥饼，在考虑其开口率时需谨慎选择。

4 泥水盾构刀盘改造成大开口率的效果

在广州地铁某盾构区间采用的三菱泥水盾构的辐板式刀盘开口率为26%。该区间中开挖断面上部大多数为<3-2> 砂层，少量的<5-2>、<6>、<7>，而下部为<8>、<9>岩层。虽然在掘进过程中较好的控制了循环泥浆的质量和盾构推进的参数，但推进时仍呈现高推力、高扭矩的特点，而且容易频繁形成泥饼，如图1。

图1 26%开口率时在粘土及风化岩中的推力扭矩值

之后，在不影响刀盘结构强度的情况下，取消了几块刀盘小面板，将刀盘的开口率增大至36%，同时刀盘开口宽度明显加大。在改进之后，盾构投入广州地铁某盾构区间施工，在类似的地层条件下，盾构的刀盘的进渣效率明显提高，盾构推力、刀盘扭矩参数明显下降，也降低了刀盘形成泥饼的趋势。在之后高粘性土等特殊地段掘进时，在长距离的陶瓷型粘土的掘进过程中，未出现刀盘泥饼，均能保持较好的挖掘效率，如图2。

5 ∅4350mm泥水盾构开口率的选择

相对于采用25%～30%等常规开口率的盾构，泥水盾构采用大开口率的刀盘在广州地区这种复合地层的适应能力更强。因此在∅4350mm 泥水盾构的研发过程中，采用了整体大尺寸开口率的刀盘。

图2 36%开口率时在粘土及风化岩中的推力扭矩值

根据地质条件的要求，刀盘采用可换装滚刀的刀座形式，滚刀采用17 英寸的滚刀，刀具的轨迹间距一般在10cm左右。在这样的刀具配置条件下，采取8 条辐条组成辐条式刀盘形式，既满足刀具装配的要求，也可以获得较大的整体刀盘开口尺寸。同时刀盘中心具备较大开口率的尺寸，可有效防止泥饼的形成。在选定刀盘的型式并参考盾构施工掘进参数的要求条件下，经过计算，该盾构设计选用36%的刀盘开口率尺寸，达到该刀盘最优化的大尺寸开口率。经对刀盘结构进行有限元分析优化后及刀盘在各种工况下的受力检验和强度校核，形成了盾构刀盘的最终设计。

[1]张凤祥，朱合华，傅德明，等.隧道技术[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]崔国华，王国强，何恩光，等.盾构的研究现状及发展前景[J].矿山机械，2006，(06):24-27.

[3]陈国彬.土压平衡盾构刀盘结构介绍与刀具应用浅析[J].中国水运，2007，（06)：61-62.

[4]宋克志，王本福.常见盾构刀盘型式及选用[J].筑路机械与施工机械化，2007，（06）：45-46.