面板式刀盘的设计

黄惠敏

摘要：盾构机刀盘是盾构掘进机的掘进机构，是影响其掘进性能的决定性因素。本文综述了盾构机刀盘的作用，重点对面板式刀盘的结构设计、刀具布置、管路设计和耐磨保护等方面进行分析总结。

关键词：盾构机、刀盘钢结构、刀具布置、添加剂、泡沫喷嘴、耐磨。

1. 引言

目前盾构工法已在城市隧道（如地铁隧道，污水排放隧道，引水、供水隧道，江河湖海底隧道，电力、电讯、供气及共同沟工程等隧道）建造中确立了绝对的统治地位，故有人将其称为城市隧道工法。刀盘是盾构机的关键部件，刀盘设计的首要任务是根据工程地质条件和施工控制要求选好刀盘的结构形式，其机构形式大致分为面板式和轮辐式的两种。轮辐式刀盘由辐条及布设在辐条上的刀具构成，其特点是刀盘的掘削的扭矩小、排土容易、土舱内土压可有效地作用到掘削面上，多用于砂、土等单一软土地层。对于地下水压大、易坍塌的土质，易喷水、喷泥，并且由于轮辐式刀盘不能安装滚刀，在风化岩、软硬不均的地层掘进时，应采用面板式刀盘。各国大中城市大多数处于河海滨沉积相地层，含水高的松软地层，强透水的沙砾层地层和泥质粉砂岩、砂岩和砂质泥岩岩层等复杂多变的地层，因此面板式刀盘倍受欢迎，而且较有研究意义。

2. 盾构机刀盘的作用

盾构机的刀盘位于盾构机的最前端，为钢结构焊接件，主要具有开挖土体、稳定掌子面、搅拌碴土三大功能。盾构掘进机的开挖是依靠盾构刀盘上布置的切刀、先行刀、滚刀等刀具，通过刀盘的旋转和千斤顶推进，刀具贯入地层将掘削面的土层进行开挖，开挖后的渣土通过刀盘的开口进入土仓；其次，盾构掘进机在不稳定的地层掘削时，刀盘的面板可以起到稳定掌子面，防止过分坍塌的作用。再次，刀盘后安装的搅拌装置对土仓内的渣土或与添加剂进行混合搅拌，使渣土具有一定的塑性，能通过螺旋输送机来调整控制土舱内的压力。

3. 刀盘的钢结构

刀盘直径一般在几米到十几米之间，结构庞大。盾构施工中经常出现刀盘强度破坏的失效形式，因此在刀盘的结构设计时应首先考虑刀盘的强度因素。刀盘强度对刀盘结构的影响主要体现在刀盘整体结构的布局及局部结构件的厚度。一般情况下使用17寸滚刀的刀盘厚度为500mm，并且可换成18寸滚刀，19寸滚刀则会选用600mm厚的刀盘；刀盘外环用120mm的钢板卷成，面板、主骨架侧板和加强筋用60mm～80mm的钢板。与主驱动连接的法兰到刀盘背后面板的传递力臂俗称牛腿，旧式设计制造工艺是将法兰和牛腿一起铸造出来，但由于刀盘的结构设计较为灵活，并且是单件生产，固定的铸件模型已经无法满足需求，若经常更改模型则制造成本加大许多。因此，现今多数刀盘的牛腿都是焊接组成的，可以是四臂、六臂、八臂，主要根据刀具尺寸、布置的不同和开口率和开口样式的不同而选择。

4. 刀具布置

刀盘的开挖直径必需大于刀盘钢结构的最大直径，否则刀盘将被卡死而无法回转。刀盘的开挖直径最终由安装在刀盘外周上的刀具来实现。在刀盘切削过程中，由于边滚刀旋转速度比靠近中心部位的要快，切削的轨迹较长，并且边滚刀与刀盘轴线存在一定角度，因此边滚刀的磨损量和复杂度都大于中心滚刀和正滚刀。在设计时应增加边滚刀的布置数量和考虑刀盘的倒角和边滚刀的安装角度。然而刀盘中心滚刀比正滚刀的更容易损坏，由于刀盘中心部位的线速度较低，粘土、粉土、膨润土等粘稠土体在中心部位的流动性较差，进而加大中心部位的扭矩，降低中心滚刀的寿命。因此，滚刀的排列密集度要根据刀的磨损程度来分布，一般情况下，中心滚刀的间隙为90mm，中环区域为100mm，在刀盘倒角区域将逐渐缩小间隙，倒角上刀刃保持在10～13把，最外一把单刃滚刀与刀盘轴线成70度角，若是双刃滚刀成60度角。见图4。对于其他类型的刀具，如撕裂刀、齿刀、先行刀等也是按照这个原则分布--随着半径的逐渐增大，同一半径上刀具的数量也逐渐增多。同时要求在刀盘面板上的刀具能尽量达到对称分布，这样保证了刀盘的整体结构受力平衡。5.1 添加剂注入的目的

对于为细颗粒（75?m以下的淤泥及粘土成分）含有成分较少的砂层或砂砾层时，刀盘掘削下来的泥土的流塑性很难满足排土机构直接排放的条件，另外，其抗渗性也差，容易出现喷涌现象。为此必须向这些开挖泥土中注入添加剂，以便改变其流塑性、抗渗性，使其达到排土机构可以排放的条件。添加剂可以是气泡剂、膨润土、高吸水性树脂和水溶性聚合物等，这些材料可以根据土质和施工要求来单独使用和组合使用。

在土压平衡盾构机中，用得较多是泡沫剂，因此我们称泡沫注入口为泡沫喷嘴。泡沫剂既能改善开挖面土体的物理和力学性质，增加其流塑性和抗渗性，防止切削土体黏附在刀盘及螺旋输送机内，避免闭塞现象，同时又有效清洗刀具，减少磨损和降低刀盘的扭矩，保证开挖面的稳定性，加快盾构机的掘进速度。

5.2 泡沫喷嘴的布置

泡沫喷嘴的设计数量与盾构的直径、刀盘的支撑方式、刀盘的形状等条件有关。通常在刀盘法兰中心设置一个喷嘴，对着刀盘背后的中心部位冲洗，有效地防止刀盘中心形成泥饼；由于切削土体与添加剂之间的首次搅拌是在搅拌效果最好的开挖面前方部位进行，所以在刀盘面板一般设置4到8个泡沫喷嘴。多个喷嘴的情形下应该注意保持各个喷嘴的注射量的均等，并尽量在刀盘面板上均衡分布，以便泡沫与开挖面的土体达到充分的混合。

6. 刀盘耐磨保护

刀盘的耐磨保护设计相对很灵活，是在刀盘设计基本定形之后附加的功能，其保护的范围和形式都比较广泛。（1）刀盘的面板上有堆焊网状耐磨条或焊接厚度10～20毫米的Hardox耐磨板，也可以焊接复合耐磨块。（2）刀盘结构外径由两道耐磨环组成，材料一般为HBW400；土质较硬的时候，耐磨环前面的一道环采用硬质金属镶嵌式，后面一环配有角式的Kenna耐磨材质，耐磨环区域（刀盘圆周方向）配置有3～12把周边保护刀。（3）刀盘周边的Hardox耐磨保护或耐磨焊保护。（4）刀箱上的Hardox耐磨块保护和周边的刀箱边的Hardox耐磨楔形块保护。（5）在搅拌棒的表面堆焊网状耐磨条。刀盘的刀具常装有磨损检测，对刀具的磨损状况进行实时监测，从而掌握换刀时机，减轻刀盘磨损，提高掘进效率，保证施工进度。

7. 工程应用实例

在成都地铁四号线二期工程项目中，采用了德国海瑞克土压平衡盾构机施工。刀盘开挖直径?6280mm，四臂的面板式刀盘结构，刀盘上装有4把中心双刃滚刀，31把单刃滚刀，1把仿形超挖刀，8把边刮刀，28把刮刀。滚刀高出刀盘面板175mm，刮刀高出130mm，整个刀盘形成两层切削模式，先由滚刀击破岩石、开挖土壤，再由刮刀切削地层。刀盘面板上一共设置6条管道，刀盘背后1个高压喷嘴和刀盘面板中心部位2个喷嘴，周边3个喷嘴均匀分布在刀盘面板上，并实现单管单泵控制。由于盾构穿越较多高磨损地质，刀盘面板、周边、背面和刀箱等都加焊耐磨保护，并滚刀和刮刀各设有一个耐磨探测传感器。

8. 结束语

刀盘主要依据地质报告来分析研究设计的，但实际地质情况是无法完全准确的反映到地质资料来。因此，在设计刀盘的结构和考虑刀具布置时，应当预留一定的安全能力来应对特殊情况，确保施工的安全性。

9. 参考文献

[1]张厚美 著《盾构隧道的理论研究与施工实践》中国建筑工业出版社出版 2010

[2][日]地盘工学会 著《盾构法的调查?设计?施工》中国建筑工业出版社出版2008