富水圆砾地层盾构机刀盘刀具分析研究

王宏义

中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司 广西 南宁 530000

正文：

前言

圆砾、砂卵石地层属于力学不稳定层，其主要特性是结构松散，无胶结，呈大小不等的颗粒状，且颗粒之间的空隙大、黏聚力较小。圆砾砂卵石地层未经过扰动时是致密的，但是经过盾构外力推进后，使土壤结构发生改变，土体变得松散，失去原有的凝聚力，容易造成地面沉降。基于此问题，富水圆砾地层盾构机刀盘形式、刀具布置和刀具形状在盾构机设计就显得尤为重要，此设计可直接影响三个方面：盾构机的切削效果、出土状况、掘进速度等。

1、富水圆砾地层盾构机刀盘的选择及分析

(1) 刀盘结构的选择

刀盘采用复合式设计，支撑方式为中心支撑。刀盘可实现正反双向旋转出碴。同时也带来了刀具更换的简便性，可拆卸的刀具均可以采取背部更换，刀盘主体结构也变得更加耐用，据统计正常使用寿命大于10km。钢结构采用Q345B高强度钢板焊接而成。复合式设计可以提供对掌子面的机械支撑，同时可防止大粒径孤石进入土舱阻塞螺旋输送机。刀盘前部与支腿焊接成整体，正常工作环境下，刀盘整体强度和刚度满足全断面硬岩的掘进要求，不会出现刀盘过度变形及磨损。中铁刀盘的基本结构为辐条面板式，4个主梁+4个副梁，可安装滚刀，滚刀的刀座可实现滚刀与撕裂刀互换，为复合式刀盘。可对多种岩层进行掘进，如：风化岩层、卵石圆砾层等。

（2）刀盘开口率的选择

圆砾、砂卵石地层属于力学不稳定层，其主要特性是结构松散，无胶结，呈大小不等的颗粒状，且颗粒之间的空隙大、黏聚力较小，颗粒之间的传力方式为点对点，围岩体整体强度较低，但单个石块强度高，在地层中起骨架作用。圆砾砂卵石地层在未受到盾构机外力扰动时，结构比较紧密，就是在一定量的降水条件下，自身都具有稳定性，但经过盾构机外力影响下，土体变的松散易动，稍有不慎就会造成地面沉降。

结合成都地铁施工经验，如果刀盘开口率比较小，这会导致刀盘上的力直接作用到前方砂卵石上。因此在盾构机掘进的过程中，在刀盘转动力和推力的共同作用下，会造成掘进掌子面和刀盘上方约500mm 范围内砂卵石变得比较松散。而盾构又不具备土压平衡的作用，随着刀盘不断旋转，刀盘上方的松土不断落下落，从而导致超挖的产生。刀盘开口率小，尤其中心开口率小，盾构掘进时刀盘前方的松散砂卵石一直附着在刀盘的前方和刀刃、刀体的表面，经过多次与刀盘前面、刀具接触才能进入土舱内，造成刀盘和滚刀刀刃、刀体磨损严重。成都地铁通过1、2号线的摸索，最终认为提高刀盘中心的开口率，适当增加刀盘开口率是适应于富水砂卵石地层的，开口率一般在35%左右，或者略过。

刀盘本体在每一标段掘进完成，都会出现外侧耐磨焊磨损或耐磨块磨的情况。刀盘与前体之间位置由于刀盘长期转动，与前体土仓外壁形成磨擦，会出现较大量的磨损，需要加焊一定量的耐磨材料才能确保刀盘端面与前体土仓筒体外壁保持30mm的距离，保证盾构机工艺尺寸。

耐磨性是主要考虑的问题，刀盘面及周边属于易磨损区，需要增减这方面的耐磨性，所以采取是的复以耐磨钢板或交叉堆焊硬质合金，以增加刀盘的耐磨性。在刀盘的正面焊接有特制的瑞典HARDOX耐磨保护板来增强刀盘的耐磨性。同样的，这种特制的HARDOX耐磨块也焊接在刀盘的背面，特别在边缘区域。

刀盘耐磨环由HARDOX400耐磨钢板改进为带硬质合金条的耐磨环，能极大地提高了耐磨环的使用寿命。中铁装备盾构机刀盘大圆弧耐磨采用3道耐磨坏（如图2-1），内侧两圈为60mm宽HARDOX500合金块+16把合金保护刀，外侧一圈为30块（δ60*60*620）合金耐磨块，另外圈配置8把焊接保径撕裂刀。

为了提高刀盘面板的耐磨性，刀盘面板焊接60mm×60mm的菱形耐磨焊丝网格，网条高度5mm，网条宽度10mm；宽刮刀刀座背后设计了刮刀刀座保护刀，提高了刀座的寿命。

2、刀具得选型及磨损研究

盾构机设计中两条重要的因素是：刀具布置、刀具形状。应根据现场工程的实际地质条件来选取刀具形状和刀具布置方式,刀具选择的正确性将直接影响到盾构机的掘进速度、切削效果以及出土状况等。盾构机的刀具按切削原理一般分为切削刀和滚刀两种，其余的刀具统称为辅助刀具。切削刀又可分为：切刀、刮刀、先行刀等。

当盾构机作业砂卵石地层，特别是体型较大卵石地层时，应采用撕裂刀，切削砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体、砂卵石的难题。以南宁地质为例，因此采用撕裂刀、切刀和刮刀等混合配置的组合方案，既能有效开挖各种淤泥、砂土、粘土、圆砾，又能适应各种素混凝土加固区及泥岩地层中的掘进，刀盘的形状采用防堵塞设计，刀具型式和安装位置便于切割和清除土碴。安装式中心撕裂刀、撕裂刀，有良好的破岩能力，能有效地代替滚刀的功能，可用来破碎素混凝土墙体以及在较为坚硬的砾石层中行走

（1）、中铁盾构机刀具配置

戴菲儿幻想秦川会一心一意地守着她，直到她死去。为此她加倍取悦秦川补偿秦川，她认为即使她是一条狗，秦川也会被感动。直到秦川带回一个叫做艾莉的妖里妖气的女孩，戴菲儿才相信，之前秦川对她的爱和依恋，全都是假象。玩偶只是玩偶，玩偶只配为男人的器官活着。

刀具型式

①、撕裂刀

刀盘配置4把180mm高的中心撕裂刀和31把180mm高的撕裂刀。

②、切刀

刀盘配置36把180mm高的切刀，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构机向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力，在刀盘的转动下，刀刃和刀头部分插入到地层内部，不断将开挖面前方土体切削下来，可在粒径小于400mm的砂、卵石、粘土等松散体地层掘进。

③、边缘刮刀

刀盘配备8把130mm高的边缘刮刀，用来对付各种砂土、粘土等较松散的地层及全风化的岩层等其它未固结的土体，刮刀上装有碳化钨刀刃，目的是为了更好的降低掘进过程中产生的磨损，可用来校准盾构的开挖直径。

④、保护刀

刀盘配备保护刀8把和外圈保护刀，其中外圈保护刀采取8+8+整环的模式，整环中合金条厚度为150mm，每块共有6条。通过配备保护刀，使得刀具在掘进过程中磨损程度有一定的减弱，提高了刀具的寿命，起到了保护刀盘的目的，也降低了施工中间换刀的频率，降低了施工风险。

⑤、超挖刀

用于盾构曲线施工时的超挖及盾构姿态的调整，由液压油缸操纵伸缩，其行程为0～20mm。

（2）、 刀具简要说明

撕裂刀、刮刀、边缘刮刀、保径刀等切刀类刀具，一般采用刀体镶嵌硬质合金块，采用银基钎焊技术焊接，合金块形状及排布方式根据地层需要进行设计。刀体材料选用优质合金结构钢，机械性能如下：抗拉强度1130MPa、经热处理后硬度HRC40±3。硬质合金块拥有良好的耐冲击性能，采用超粗颗粒压制、热等静压、低压烧结等技术，抗弯强度可达2990Mpa以上。刀具全部采用银基钎焊技术，焊缝强度可达到260Mpa。焊缝采用高铬耐磨焊丝，堆焊层表面硬度可达HRC55-60。

（3）、刀具使用总结

①、在纯硬岩地层掘进时，通常采取滚刀破岩。滚刀破岩的原理是，依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的，这样能达到较好的掘进效果。

②、撕裂刀设计合金块高度为50mm；根据统计南金区间出洞后合金块磨损量为3-6mm；金会区间中铁盾构机采用原装撕裂刀，出洞后合金块磨损量4-20mm；中心区磨损较少，边缘区磨损量较大，因此撕裂刀合金块磨损允许量能满足使用要求，能够有效减少换刀次数。

③、比较滚刀撕裂刀磨损情况，针对圆砾地层，滚刀换刀次数会多于撕裂刀换刀次数，刀具的更换耗资耗时，而且富含水砂砾层，必须气压换刀，换刀对盾构是的工期及安全影响很大。圆砾地层较松散，是一种咬合不稳当地层，粒径不均，内摩擦角大，受扰动后极易自行崩塌，因此并不需要多大的切削力，撕裂刀能够满足要求。

4、结束语

本文主要就富水圆砾砂卵石地层的盾构机刀盘刀具配置进行分析研究，分析圆砾地层的地层特性，总结出适应圆砾地层的盾构机刀盘结构特点是必须增强刀盘的耐磨性，并对各型刀具特点进行分析，总结出适应富水圆砾地层盾构机的适应性刀具配置。通过对刀盘刀具的研究，有效的提高了掘进的速度，缩短了工期时间，提高了生产效率，从而为企业赢得了宝贵的时间，直接为企业节省成本，提高企业的经济效益，对以后企业的长久发展有着深远的意义。