基于地层岩性的土压平衡盾构机刀盘设计研究

李天明　王莹

摘 要：分析了广州地铁某隧道地层岩性的现状，对其盾构施工条件进行了评价，针对地质情况设计了土压平衡盾构机的刀盘刀具，总结出土压平衡盾构机刀盘刀具的配置特点。

关键词：土压平衡盾构机；地层岩性；刀盘；刀具

盾构机是暗挖地下隧道的专用工程机械，可以进行开挖、支护、衬砌等多种作业一体化施工，被广泛应用于地铁、铁路、公路、市政管网等隧道工程建设。土压平衡盾构机掘进过程中会遇到不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等，开挖过程中受力十分复杂，工作环境恶劣[1]，所以根据地层岩性研究刀盘刀具是非常有意义的。

1 工程概况及地层岩性分析

广州地铁某隧道设计为双线圆形隧道，隧道内径为5400mm，外径6000mm。隧道分为三个区间。

盾构一区间上覆第四系为人工填土层、冲积-洪积砂层、土层、淤泥质土和残积土层，其中砂层在东湖范围厚度较大，软土埋藏在浅部，且厚度较薄，残积土层在东湖一带缺失，在东山口一带则厚度较大。下伏基岩白垩系上统东湖段河西濠段红色碎屑岩，风化程度不均一，软硬夹层较多。岩性为棕红色，紫红色，岩性为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹薄层状泥灰岩。

盾构二区间上覆第四系土层厚度为5.50米-13.20米，下伏基岩为白垩系上统大 山组三元里段碎屑岩，上部软硬夹层较多，岩面略有起伏。岩性主要为杂色砾岩夹暗紫红色粉细砂岩、砾岩与粉细砂互层；本区段盾构隧道部分地段通过微风化砾岩，其抗压强度较高，最大值达62.2MPa。

盾构三区间上覆第四系土层厚度变化较大，厚度为5.30-18.40米，下伏基岩为白垩系上统大 山组黄花岗段地层，风化较强烈且不均一，软硬夹层较多，岩面起伏较大。岩性主要为紫红色泥岩、泥质粉砂岩，夹含砾粉细砂岩，局部石灰岩和石膏。

2 盾构段岩土工程条件分析评价

根据勘察资料，盾构一区间隧顶埋藏标高约为-13～-19m，埋深约20-26m，根据工程地质断面图隧道在岩层中掘进。由于软硬夹层较多，同时由于红色碎屑岩为泥钙质胶结，应采取一定的碴土改良措施，防止形成泥饼。

盾构二区间隧道结构顶板埋藏深度约21-27m。根据工程地质断面图，隧道大部分地段在微风化岩层中通过，围岩性质相对较好。本段盾构隧道部分地段通过微风化砾岩，其抗压强度较高，最大值达62.2MPa，盾构机掘进时，应注意刀盘的选择。

盾构三区间隧道顶板埋深约17-22m。隧道大部分地段通过岩石全风化带和强风化带，属Ⅱ-Ⅲ类围岩，对盾构施工较为有利。但由于本区间软硬夹层较多，盾构施工时应注意刀具的选型和刀盘的选择，以及保证良好的碴土改良系统。

3 刀盘的设计

根据岩土情况，设计刀盘具有一般的土压平衡特点，并适合于在岩石条件下开挖。开挖直径6280mm。

刀盘由6个辐条和6个钢板组成。每个辐条两边安装刮刀。这些刀具用于在软土或软岩条件下进行切割。通常软岩硬度限制大约为40MPa，但是这些刮刀能够切碎60MPa的硬岩，但只可用于很短一段隧道的开挖。在硬岩中掘进时要根据情况更换一定数量的滚刀。

刀盘外表面焊接有硬化防磨保护层，并有以下特点：最终硬度从52 到56HRc；工作温度T°<100°C；用于承受冲击负荷的结构表面的硬化面层；硬化面层具有高的抗磨损性能。

刀盘的构造、布局、刀盘开口的设计和刀具的布置充分考虑了渣土的流动性，避免刀盘渣土通道被堵塞，减少刀盘的磨损。

所有的刀具以及滚刀都能从开挖室里刀盘的背面进行拆卸和更换。撕裂刀和盘形滚刀可互换安装。在刀盘后部支撑隔板的左侧中部有专门更换刀具的仓门，配备起吊机具及平台，便于刀具运输和换刀的操作；人仓内配备可拆卸的运输刀具的单轨梁，在管片安装机上配备可拆卸的吊运刀具的手动装置。

4 刀具的设计

土压平衡盾构机的刀盘根据地质条件的不同一般分软土和硬岩两种刀盘布置形式，软土区刀盘的布置形式是以齿刀为主辅以边缘滚刀和刮刀，硬岩刀盘的布置形式是以滚刀为主辅以刮刀。

刮刀用来切割未固结的土壤。可以将开挖面的土壤剥离下来。刮刀的宽度使得每把刀的切割轨迹之间有一定的重叠。刮刀上镶有碳化钨刀刃，目的是为了更好地防止开挖过程中产生磨损。刀体由经过机加工的碳钢制成，刀刃由用铜焊焊在刀体凹槽中的碳化钨镶嵌块构成。刀体上可能与开挖面发生摩擦的其他表面由硬化面层加以保护。切刮刀安装在焊在刀盘辐条两侧的支架上，不需要在开挖面上挖一个深孔便可以拆卸一把刀或安装一把新刀。

滚刀在推力的作用下贯入岩层，同时在开挖面岩石阻力的作用下随刀盘做同心圆滚动，岩石被挤压，形成挤压切槽，并在小半径范围内将挤压裂纹延伸到周围的岩石，最终在刀盘推力作用下挤压切槽两边的岩石呈片状破碎。刀盘上装备有用于安装17″单刃滚刀及双刃滚刀（仅中心滚刀为双刃）的刀座，以适应盾构机在硬岩中使用盘型滚刀。所有盘形滚刀都从刀盘后面进行拆装。盘形滚刀高出标准刮刀40mm。刀盘上装备有单刃滚刀，它有利于渣土沿着滚刀的两侧流过，可防止由于渣土的积聚对滚刀造成的额外磨损。滚刀额定承受载荷为250KN；滚刀的转动扭矩在25-35NM之间可以调整，以避免盾构机在软土地层中掘进时滚刀不转造成偏磨。

超前撕裂刀用于先行切割和松动固结土。它比标准刮刀高20mm，每一个撕裂刀与其对应的标准刮刀处于同一半径上，可以和盘形刀具互换。所有撕裂刀都从刀盘后面进行拆装。

5 结束语

刀具是盾构机的一个非常重要的组成部分，对刀具合理选择、使用 、维护和更换，直接决定盾构掘进工程的质量、进度和工程成本。土压平衡盾构机在刀盘选型和刀具配置时要着重注意以下几点：（1）实际施工时会遇到各种复杂的地层，地质资料不能完全准确反映实际地质情况。因此在盾构刀盘选型时要对地质进行充分的分析，刀盘及刀具配置要有一定的富余。（2）对于复合岩土地层，刀盘除配置切削型刀具外，还要配置盘形滚刀，对于岩层首先通过盘形滚刀进行破岩。（3）渣土改良不仅有利于土压控制，还可以延长刀具寿命，注意保持刀盘面板注入口的畅通。

参考文献

[1]李朝，等.北京砂卵石地层盾构机刀盘磨耗分析及工程措施[J].建设机械与管理，2012，8：20～21.