济南轨道交通4号线燕山立交桥东站—浆水泉路站盾构滚刀选型及保养方法

刘万熙 邱健 于文超 卢庆亮 栾守成

摘  要：该文对济南城市轨道交通4号线一期工程燕山立交桥东站—浆水泉路站区间不良地质因素对刀具运用的问题进行分析。通过对不良地质分析、盾构滚刀破岩工作原理、滚刀性能需求、滚刀设计配置及应用策略进行分析，提出盾构滚刀减少损坏的措施及日常保养方法。

关键词：盾构滚刀；盾构机；轨道交通；性能需求；装配质量

中图分类号：U455.3      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）18-0165-04

Abstract： In response to the adverse geological factors affecting the use of cutting tools in the section between Yanshan Overpass East Station and Zhushuiquan Road Station of Jinan Urban Rail Transit Line 4 Phase I Project， this paper analyzes the adverse geological factors， rock breaking working principle of shield tunneling cutters， performance requirements of cutters， design configuration and application strategies， and then proposes measures to reduce damage to shield tunneling cutters and daily maintenance methods.

Keywords： Shield hob; shield machine; rail transit; performance requirements; assembly quality

盾构滚刀是盾构机的核心部件之一，主要用于在地下隧道开挖过程中切割土层和岩石。盾构滚刀是一种在地下工程中用于开挖硬质地层的工具，其选型直接关系到施工效率和质量。竺维彬等[1]对复合地层影响滚刀的因素进行分析，提出滚刀磨损的对策，为复合地层施工中盾构刀具的选择具有指导意义。韩伟锋等[2]针对软硬不均地层条件，结合滚刀破岩机理试验的方法，探索软硬不均地层刀具的使用情况。郭成龙[3]通过开展滚刀贯入和切削试验，得到滚刀破岩力变化数据，为选取适用于徐州地区复合地层的滚刀奠定基础。钟振力[4]为解决复合地层地质条件复杂多变的问题，对盘形滚刀进行破岩试验，试验结果为盾构机掘进施工提供参考。李帅远[5]对盾构机刀盘滚刀进行破岩仿真分析，对刀盘滚刀进行布局优化，提高盾构设备的利用率，保证隧道建设工程的顺利实施。杨育[6]为减少更换盾构刀具风险，提供工作效率，建立预测方法，对微风化花岗岩地层滚刀进行预测。在地质构造复杂的情况下，通过选择合适的滚刀和科学的设计，可以为隧道建设的顺利进行提供有力的支持。

1  项目概况

济南城市轨道交通4号线一期工程燕山立交桥东站—浆水泉路站区间（图1），隧道出燕山立交桥东站东端头井后向东敷设，由北向南下穿经十路主路后终止于浆水泉路站西端头井。区间拟采用盾构法施工，区间右线起止里程为右CK22+067.131～右CK22+572.776，全长 505.645 m，左、右线线间距为13.0～16.1 m，隧道主体结构底板埋深为25.3～29.0 m，隧道直径约为6.4 m，具体见表1。

图1  济南城市轨道交通4号线一期工程

燕山立交桥东站—浆水泉路站区间

隧道洞身拱顶、边墙及隧底围岩主要包括：强风化闪长岩层（Ⅴ级）、中风化闪长岩3层（Ⅲ～Ⅳ级）、角砾岩层（Ⅴ级）、中风化石灰岩（破碎）层（Ⅳ～Ⅲ级）和中风化石灰岩2层（Ⅱ级）。

不良地质因素对刀具运用风险归纳为如下几点。

首先，区间起点至终点横跨闪长岩地层（右CK22+067.131～右CK22+170里程范围）、断层破碎带（右CK22+170～右CK22+250里程范围）、闪长岩地层（右CK22+250～右CK22+350里程范围）、侵入接触带（右CK22+350～右CK22+400里程范围）和石灰岩地层（右CK22+400～右CK22+572.776里程范围），地层强度差异明显且角砾岩地层固结成岩差，风化差异大，具有软弱不均特性，对盾构刀具运用易造成偏磨、弦磨及崩坏等异常风险。

其次，拟建区间右CK22+170～右CK22+250里程范围和右CK22+350～右CK22+400里程范围隧道结构穿越断层破碎带和侵入接触带，岩体不均匀，强度差异明显，致使盾构刀盘所受到的阻力不均匀，容易出现推偏现象，若强制纠偏时易导致盾构滚刀刀圈崩刃。

最后，拟建区间右CK22+400～右CK22+572.776里程范围盾构穿越中风化石灰岩和中风化石灰岩（破碎）地层，饱和单轴抗压强度最大值为82.50 MPa，天然单轴抗压强度最大值为89.20 MPa，岩质较硬，影响盾构的掘进效率。

2  滚刀的工作原理

滚刀的工作原理是当刀盘在纵向油缸的巨大推力作用下，使安装在刀盘上的盘形滚刀压入岩石；同时刀盘在旋转装置的驱动下给滚刀施加滚动力矩带动滚刀绕刀盘中心轴公转，在滚刀公转的同时，由于掌子面对滚刀的摩擦力作用，使滚刀还绕各自的刀轴自转，这样就使得滚刀在岩面上连续滚压。刀盘推力使刀圈压入岩体，滚动力矩使滚刀刀圈滚压岩体，通过滚刀刀圈对岩体的连续挤压和剪切，使安装在不同刀位的滚刀在岩面上滚切出一系列的同心圆槽，完成破岩过程，滚刀破岩过程如图2所示。

由于盘形滚刀为滚压切削，其磨损速度比先行刀要慢得多。加之刀刃较窄，在相同刀盘推力作用下，滚刀作用于岩石上的压强要大得多，因而能破碎的原始地层也比先行刀要硬得多。

3  滚刀组成结构

盾构用单刃滚刀主要包括刀圈、刀体、刀轴、密封装置和轴承等，如图3所示。

4  滚刀性能需求选型

整体来讲，本项目盾构隧道大半里程区间处于S型半径转弯状态，区间内涉及中风化石灰岩硬岩，同时考虑中风化花岗岩层的比例，结合济南地区类似的项目地层条件，基本可以认为将存在中等以上的冲击性风险（软硬不均、球状风化孤石）。边缘滚刀在此类地层条件下和半径条件下的承载受力条件较为苛刻，且穿越断层破碎带和侵入接触带时，由于岩体不均匀，强度差异明显，容易出现推偏现象，边缘刀具的异常损坏率预期会比较高。结合济南重工集团有限公司在其他地区的相关工程经验案例，本项目的掘进总合难度较大，破岩刀具应用消耗率和异常损坏风险均预计为较高水平。

针对本项目的滚刀设计配置及应用策略重点进行分析：本项目涉及连续S型半径转弯、较高强度的中风化硬岩、中等以上冲击性风险（软硬不均、断层破碎带和侵入接触带），边缘滚刀势必要持续承受高负载、交变负载、冲击性负载混合更替的工况，如何确保边缘滚刀能经受住严苛条件下可靠持续运转的稳定性考验，是首先要解决的基本问题。

滚刀的稳定性水平，在理论层次上，关键要素来自于2个方面：①刀圈与壳体（刀体/刀毂与端盖）的整体抗变形刚性，为轴承和浮动密封等动平衡运转内件提供的刚性支撑条件；②轴承和浮动密封等动平衡运转内件自身的稳定性、可靠性。

上述二者为滚刀稳定持续运行所提供的可靠性要素，彼此相辅相成。前者的构建与改善，主要来自于结构设计、选材强度、热处理工艺和装配参数等；后者则与轴承/浮动密封本身性能等级、工艺质量、装配参数相关。

针对本项目滚刀的刀圈设计，应着重注意提升耐冲击的相关性能，刀圈贯入性的考虑居于其次。应优先保证强化刀圈的韧性和强度，确保刀圈在强冲击性风险条件下崩口碎裂的概率可控，在此基础上兼顾硬度以保证对岩层的贯入破碎-连续破碎能力，提高体积性破岩的比重，在可控范围内降低一次磨锉和二次磨蚀的影响。

滚刀（无论是用于TBM还是用于盾构的）在其破岩过程中，有3种共存的破岩（阶段）模式：①模式A＝磨削，刀圈和掌子面之间挤压摩擦+滑移式的磨锉。②模式B＝应力疲劳性碎岩，岩层掌子面受挤压至疲劳极限时破裂出比例较多的小碎块。③模式C＝最理想的连续体积性破岩，岩层掌子面连续破裂成大约1/2～1个巴掌大小的石砬块。

3种模式是客观共存的。显然，模式C占比越高，刀具的破岩比能（来自刀盘，经刀具输出到岩层掌子面上释放出来的能量）释放就越顺畅；反之，A+B的占比越高，破岩比能释放效率就越低下，刀具被输出能量所反噬，刀具更容易损耗（体现为刀圈的高磨损率和整体的高异常损坏率）。要提高刀具的破岩比能，核心路径就是设法去提高滚刀影响模式C的比例和适应性，并降低刀具受刀盘前蓄积的石碴/砬块二次磨损的程度。然而，在本项目的应用场景中，模式C预期占比将难以达到很高的程度，这是由于地层条件和小半径转弯路径施工的现实条件所决定的，如此则刀圈的磨蚀损耗比重将较大，因此，刀圈设计应层面应保证足够的耐磨性及强度储备，同时可适当降低对贯入锐性的追求。

本项目对破岩滚刀的需求重点归纳如下。

首先，保障刀具承载的可靠性为优先。作为滚刀运转核心的轴承，设法提升轴承自身可靠性（承载能力、稳定运行时间）和启转扭矩应对交变载荷时的适应性；轴承稳定运行保障条件之一的刚性稳固支撑（整刀的壳体刚性保护），尤其是本项目涉及持续小半径转弯高负载条件的边缘滚刀；轴承稳定运行保障条件之二的润滑条件维持（整刀密封持续可靠），由壳体与浮动密封环的刚性/强度/加工质量共同实现保障。

其次，提高刀圈对强负载、多变负载、冲击性负载与高磨蚀性工况的适应性。刀圈须有足够的整体承载强度与抗冲击韧性，刃部硬度适中，不宜设置太硬（脆性高）以降低崩刃风险；与工况匹配的刃形及刃宽设计，既要耐冲击和耐磨，又要能够顺利贯入硬岩、保障顺利开刃，具有磨损自锐特性。因此，本项目采用19寸单刃轴式滚刀圆弧刃型刀圈，如图4所示，19寸单刃轴式滚刀圆弧刃型盾构滚刀，使刀圈兼具破岩贯入适应性和相对均衡的耐磨性储备、抗冲击性能。

5  滚刀减少损坏的措施

装配质量是影响滚刀使用寿命非常重要的一个因素，要注意做好以下措施。

装配滚刀过程中应注意检查各个零部件的完好情况，使用质量合格的零部件，如轴承内外圈滚道表面应无压痕、无裂纹等问题；应用的O型圈一般为质量合格且第一次使用，否则需全部更换。

装配刀圈时，要注意控制加热的温度和时间不要超标，温度不能超过175 ℃，加热时间不要超过5 min，否则将引起刀圈退火、硬度下降。

安装端盖密封座时，加热温度不宜超过120 ℃，否则将引起O型圈损坏。

注油不能过量，否则使用过程温度升高后由于热胀效应将引起滚刀漏油。

滚刀装配后要进行气密性检查，加气压至2～3.5 kPa，应能保持5 min不泄压。

检查不漏油后进行转动扭矩检测，一般启动扭矩设为25～35 N·m比较合适。

定期检查：由于硬岩掘进时刀具受到巨大冲击载荷，导致刀具容易受损，紧固螺栓也容易松动。因此，在每个硬岩掘进环节完成后，都需要对刀具进行定期检查。

多换刀：一般正面滚刀径向允许磨损量为20～30 mm；边缘滚刀允许磨损量为10～15 mm；相邻滚刀磨损量差应小于15 mm。磨损量与地层情况、盾构机刀盘刀具布置及刀具类型有关。例如，在完整性良好的硬岩全断面中，应适度缩减对滚刀的允许磨损量，否则滚刀磨损会导致推力增加、破岩效率下降。例如，对三菱1638#/1639#盾构机，滚刀和齿刀高差为20 mm，正面滚刀最大磨损量不要超过20 mm，否则齿刀就会接触岩石，产生剧烈摩擦、发热，并导致掘进困难；而该盾构机（边缘滚刀）开挖直径为6 290 mm，前体直径为6 260 mm，两者差30 mm，故最外2把滚刀的最大磨损量不能超过15 mm，否则将出现刀盘开挖洞径小于盾构机前体直径，导致盾构机出现卡壳事故。

多维护：开舱检查时应先用水冲洗滚刀和刀箱（刀座），清理滚刀周围的岩碴和杂物；对于相邻滚刀磨损量差过大的（大于15 mm）要调高差，刀具换完后要对刀具螺栓进行复紧；恢复采掘时应小推力开始、缓慢速度进行逐步调试。

6  结束语

近年来，泥水盾构滚刀选型研究得到了广泛关注和探索。研究人员通过对滚刀的结构设计、不同地质条件的研究，为泥水盾构滚刀选型提供了新的视角和方法。未来的研究可以进一步结合实际工程进行验证和应用，以推动泥水盾构滚刀选型的发展和进步。

参考文献：

[1] 竺维彬，王晖，鞠世健.复合地层中盾构滚刀磨损原因分析及对策[J].现代隧道技术，2006（4）：72-76，82.

[2] 韩伟锋，陈馈，李凤远，等.软硬不均地层盾构滚刀受力特性研究[J].建筑机械化，2016，37（9）：55-58.

[3] 郭成龙.徐州地区复合地层盾构滚刀破岩力及破岩效率的研究[D].徐州：中国矿业大学，2021.

[4] 钟振力.盘形滚刀在软硬地层界面处的破岩力试验研究[D].广州：暨南大学，2018.

[5] 李帅远.盾构机盘形滚刀破岩仿真及刀盘结构优化研究[D].郑州：郑州大学，2020.

[6] 杨育.厦门轨道交通3号线跨海段盾构滚刀磨损预测[J].隧道建设（中英文），2018，38（S1）：182-187.