苏州地铁4号线盾构刀盘刀具设计改造研究

唐 欢，贺 军TANG Huan, HE Jun（株洲钻石钻掘工具有限公司，湖南 株洲 412000）

苏州地铁4号线盾构刀盘刀具设计改造研究

唐 欢，贺 军
TANG Huan, HE Jun
（株洲钻石钻掘工具有限公司，湖南 株洲 412000）

[摘 要]基于苏州地铁4号线阳澄湖路站-金民西路站盾构区间地质条件，针对既有盾构刀盘刀具地质适应性不足的现状，在分析原盾构刀盘刀具配置及使用效果的基础上，从更换刀具、强化处理、增设耐磨板及优化材料选型等方面采取了优化改造措施，有效确保了盾构的正常掘进。

[关键词]土压平衡盾构；选型设计；刀盘刀具改造；苏州地铁

1 工程概况及难点分析

1.1 工程概况

苏州市轨道交通4号线（主线）总体呈南北走向，连接了相城、苏州古城、吴中区、吴江市松陵等重要片区。主线全长约42.030km，设车站31座，均为地下站。阳澄湖路站-金民西路站区间，全长1 638.614m，为双向隧道，隧道中心距离13.40～14.00m。隧道穿越地层主要为：③2粉质粘土、③3粉土、④1粉质粘土、④2粉土夹粉砂、⑤1粉质粘土及⑥1粘土层，土层抗压强度在5MPa以下，属于典型软土地质。根据区间工程地质与水文地质条件、地层特性、地面环境等因素，选择土压平衡盾构或复合型盾构较适宜，实际选用原用于南京地铁3号线胜太路—天元西路盾构区间掘进的海瑞克复合式土压平衡盾构机S425进行施工。

1.2 工程难点分析

1）大部分位于粉土粉砂地层。地质松散，围岩稳定性差，且经过刀盘的扰动，很容易出现隧道顶部坍塌及超挖的现象，需控制好掘进参数。此外盾构推进引起的地层变形情况也不容忽视，若处理不当会使地表产生较大的隆起或塌陷，对地上房建筑物或交通造成极大的危险。

2）盾构穿越区为软土，承载力差，很容易出现盾构下陷的情况，容易使盾构偏离轴线，造成“磕头”现象，需合理控制掘进参数及调整油缸的推力，确保姿态的正常。

3）因地层主要为粘性土层，土层的粘性大，出现泥饼的风险较大，注意添加适当的添加剂，改善泥土的流动性，防止结饼。

4）软土地层，此对换刀来说也是个严峻考验，很容易产生坍塌。造成地表沉降并出现人员伤亡的现象。

2 原盾构刀盘刀具配置及使用效果

本工程所采用的海瑞克S425盾构之前用于南京地铁3号线，所掘进区间地层特性为全断面砂岩。原盾构刀盘结构形式如下图1所示。

图1　 原刀盘结构形式示意图

原刀具配置情况如下表1所示。

表1　 原刀具配置参数表

刀盘的外径设计为6 400mm，比盾体外径6 390mm大10mm，盾体呈前大后小锥形，便于盾构在推进时减少盾壳与围岩的摩擦；刀盘转速为0～2.5r/min，由液压系统无级调速，在遇到不同地质的情况下，可调节速度，以满足开挖的需要。

盾构首先通过滚刀进行破岩，且滚刀的超前量大于切刀的超前量（滚刀刀刃间距为100mm，比刮刀高35mm），我们因由此将正面滚刀的刀圈极限磨损量设置为25mm，从而确保在滚刀磨损到极限后仍能保证刀圈高出刮刀10mm以上，避免切刀直接进行破岩，以防止对刮刀产生破坏，最终起到保证切刀使用寿命的作用。

为确保盾构在小曲线半径隧道掘进时，能够顺利调向，盾构需要有较大的开挖直径，因此在刀盘上需配置了滚刀型的仿形刀。同时，为提高刀盘的寿命，刀盘面板及周边焊有耐磨条。图2为盾构原刀盘配置的几种典型刀具。

图2　 原刀盘配置刀具

考虑到南京项目区间地层为全断面砂岩，局部岩石单轴抗压强度可达50MPa，需要滚刀进行破岩，将岩层分割压碎，最后由正面刮刀和边缘刮刀将已松动的岩层刮削下来收集到土仓内部。

针对南京地铁3号线工程的地质条件特点，原刀盘结构及刀具配置具有较好的适应性，也取得了良好的掘进效果。

3 刀盘及刀具改造设计

3.1 地质适应性分析

1）盾构最大推力 经计算可知盾构最大设计推力大于实际掘进所需推力。因而该盾构在最大推力设计上能满足要求。此外根据以往施工经验：由于原来盾构配置就能满足一般较硬岩层（80MPa以下）的地层施工，在对待软土地层，盾构所需推力小于岩层施工，故在盾构最大推力设计方面能完全能满足要求。

2）盾构最大扭矩 通过计算可知盾构设计最大扭矩大于刀盘实际所需扭矩，即满足使用要求。

3）开口率 盾构土压平衡盾构在穿越多种地层时一般开口率要求在30%～40%左右，本工程所使用盾构开口率为28%，基本达到了要求。但为了防止盾构在软土层施工时出现结泥饼的现象，建议适当增大开口率，以增加排渣能力；同时能够有效降低渣土对刀盘和刀具的磨损。

3.2 刀盘及刀具改造

我们通过分析，针对盾构刀盘及刀具，应从如下几个方面进行改进。

3.2.1 采用羊角刀替换滚刀

取消原滚刀设计，采用羊角刀替代滚刀进行软土刮削，原因为：①使用增加掘进距离。羊角刀等硬质合金刀具在20MPa以下的地层，其性能能够得以稳定发挥，另一方面，其耐磨性较滚刀刀圈更加优良，能增加盾构掘进距离，以降低松散地层盾构停机换刀的机率及人员进仓换刀的风险；②降低偏磨失效现象出现的机率。当盾构在软土地层掘进时，由于地层较为松散，掌子面无法提供足够的反推力保证滚刀能正常转动起来，现在市面上的滚刀一般启动扭矩在20Nm以上，在这种地层下使用，滚刀无法完成自转，造成偏磨失效是必然的。具体改进设计分析如下。

1）优化刀具配置 正面位置采用宽度为100mm的正面羊角刀（图3a），中心位置采用200mm宽的中心羊角刀（图3b），边缘采用60mm、间距为100mm的边缘双头羊角刀（图3c），这样既增加了刀具耐磨性，又能保证刀盘具备良好的刮削效率，对于长距离掘进至关重要。

图3　 羊角刀结构示意图

2）合理选择刃口宽度 由于刀盘中心位置空间较小，无法布置切刀，导致中心位置切削能力较弱，因此需要增加刀刃的宽度。改造过程中，选用200mm宽的刃口，用来保证中心位置的切削宽度，以防止由于刀具宽度过窄而使得刮刀覆盖不到而出现较宽土带的现象出现（即刮削盲区），有效避免了中心位置粘土的堆积，降低了刀盘接泥饼的几率，确保了盾构掘进效率。

3）边缘羊角刀优化设计 边缘位置采用双头边缘羊角刀，增加刀刃的数量，从而使得刮削轨迹线增多，进而导致土体被分割成更更小面积的区域，方便边缘刮刀进行刮削。此外刀头增多，刀具耐磨性增加，我们知道边缘位置的线速度相当于中心位置的几十上百倍，意味着刀盘每旋转一圈它走过的距离远远超过中心及正面位置，因此增加边缘羊角刀的耐磨性至关重要。

同时可以看出，滚刀改装成羊角刀后，刀箱内的间隙明显增大，这样无形中增加了刀盘的开口率。经过刀具替换后经计算刀盘开口率可到30%以上，这样增加了渣土排送速度，降低了刀盘及刀具的磨损，还增大了开口率减小了结泥饼的风险。图4为刀箱安装羊角刀与滚刀的结构示意图。从图中可以看出，用羊角刀替代滚刀后开口率有了明显的增加。

图4　 刀箱安装羊角刀/滚刀示意图

3.2.2 对切刀和边缘刮刀进行强化处理（图5）

切刀和边缘刮刀均采用大合金结构设计。小齿刀、边缘刮刀分别采用双排、三排合金设计（图5a），加大刃口部位合金尺寸，以增加刀具的耐磨性和抗崩性。实践证明：增加硬质合金的厚度有利于提高硬质合金的抗崩性能。同时，在边缘刮刀背部预设两条合金条以起到保护作用，防止边缘刮刀外周被过度磨损，进而造成盾构卡盾的现象出现；刃口接近合金部位用耐磨堆焊层进行保护，耐磨堆焊主要硬质相为WC，相对于高铬铸铁，耐磨性更好。

图5　 加强型刀具结构示意图

3.2.3 增设耐磨板

刀盘外周增设耐磨板进行保护（图6），以防止刀盘外周由于过度磨损而导致外径减小。

盾构刀盘采用优化改造后刀具的结构示意图如图7所示。

图6　 增设耐磨板结构示意图

图7　 优化改造后刀盘示意图

3.2.4 采用YG11C合金替代YG13C

由表2可以看出，YG11C牌号的硬质合金在耐磨性上优于YG13C牌号的硬质合金，而前者的抗冲击韧性则小于后者。

表2　 材料性能对比

该盾构掘进区间地层的风化程度较为均匀，对刀具冲击较小，采用更为耐磨的YG11C牌号硬质合金，有利于实现长距离掘进，同时抗冲击性也能满足地质要求。

3.2.5 优化冲刷系统

中心隔板配备高压冲洗水口，一旦中心处结泥饼，可以通过喷射高压水进行缓解和治理。

4 结 论

苏州地铁软土地层围岩稳定性较差，容易出现地表沉降、隆起及结泥饼等不良现象，本文针对阳澄湖路站-金民西路站区间的地层特点，在分析既有盾构存在适应性不足的基础上，对刀盘、刀具进行针对性的优化改造。研究结果表明：①刀盘刀具具有良好的地层适应性是确保盾构顺利掘进的关键；②配备高耐磨型刀具，对盾构长距离掘进能够起到至关重要的作用；③保证排料顺畅的能力，能够有效延长盾构刀盘和刀具的使用寿命。通过工程实践证明，优化改造后的盾构刀盘刀具的地层适应性得到了进一步提高，完全满足了本工程中盾构正常掘进的需求。

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（编辑 张海霞）

［中图分类号］TU621

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366（2015）02-0063-04

［收稿日期］2014-11-29

Research of reconstruction design of shield cutter head tools of Suzhou metro line 4