复杂地层盾构机刀盘刀具优化设计研究

田宝恩寇宝庆

摘要：在盾构法隧道穿越江河过程中，刀盘刀具是保证盾构施工的重要部件，在盾构施工时，选用何种刀具配备通常取决于盾构机掘进的地层条件。本论文以西气东输二线北江盾构穿越工程为例，介绍了盾构机刀具的种类和切削原理，并针对广东地区特殊地质情况，优化设计泥岩等复杂地层盾构机刀盘刀具的配置。

关键词：北江盾构；刀具种类；切削原理；优化设计

Abstract: In the process of shield tunnel across the river, cutter head is the guarantee of the important

components of shield construction . Choose tools type In shield tunnel usually depends on shield

construction machine tunneling formation conditions. This paper introduces the type of shield construction

machine tools and cutting principle on the basis of the west-east second line of shield beijiang river project

and according to situation of guangdong area complex stratum, it optimize Cutter head configuration when

shield tunnelling in shale and sandy

中图分类号：TG501

1 盾构机刀具种类

刀具是是盾构机重要的部件，在盾构施工时选取何种刀具通常取决于盾构机掘进的地层条件。为了适应从软土到硬岩不同地层的切削，开发了不同种类的切削刀具。目前，盾构机上常见的刀具有滚刀、切刀、刮刀、先行刀等[1]。

滚刀按照刀圈的数量分为单刃、双刃和三刃，在风化的砂岩和泥岩等软岩地层时，一般采用双刃滚刀，在较硬岩中采用单刃滚刀。

切刀主要适用于软土地层，一般布置在刀盘开口的两侧，用于切削和剥离土体，切刀的形状和位置按便于切削地层来设计，在同一轨迹上一般有多把切刀同时切削。

先行刀一般位于面板上，先行刀在切刀切削土体之前先行切削土体，从而保护切刀并避免其先切削到地层，先行刀主要有贝壳刀和撕裂刀。

刮刀主要安装在刀盘的外边缘，用于清理刀盘边缘部分的开挖边缘渣土防止沉积，确保刀盘的开挖直径和防止刀盘边缘的间接磨损。

2 刀具切削原理

刀具的布置方式需根据地质情况进行充分的考虑，不同的工程地质特点，采用不同的刀具配置方案，以获得良好的刀具切削效果和掘进速度。

2.1 滚刀破岩机理

盾构机在岩石地层中采用滚刀进行破岩，其破碎形式属于滚压破碎岩石，滚刀在盾构机推力和和扭矩作用下，对岩石产生冲击压碎和剪切辗碎并贯入岩石，并在掘进掌子面形成同心圆沟槽。当盾构机推力超过岩石强度时，岩体表面裂纹加深加大，相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落，形成石渣破碎岩石[2]，其破岩机理如图1所示。

图1 滚刀破岩机理

2.2 切刀切削原理

切削刀的切削原理主要是在盾构机向前推进的同时，刀具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，通过刀刃的切削作用和前刀面的推挤作用使得被开挖土体产生应力与变形。其中刀刃的切削作用使得切削层土体的应力超过土体的强度，使切削层上体沿刀刃方向产生分离。前刀面的推挤作用使得己分离的土体产生变形而与母体分离形成土屑。土屑再随切削刀具正面进入开口，因此刀具既有切削的功能也有装载的功能。

切削时，刀具通常做2个方向的运动，一个是沿开挖面的运动，它起着分离岩土的作用；另一个是切入开挖面的运动，它改变切屑的厚度，切削刀具的工作原理如图2所示。

图2 盾构切削刀具切削原理图

由于刀盘需要正反旋转，因此切刀的布置也在正反方向布置，为了提高切刀的可靠性，在每个轨迹上至少布置2把。考虑到刀盘的受力均匀性，切刀布置具有对称性，以延长切刀的使用寿命。

2.3 撕裂刀破岩机理

撕裂刀在开挖面沿径向分层切削，预先疏松土体，降低切刀的冲击荷载，减少切削力矩。在砂卵石地层中适宜采用重型撕裂刀，利用撕裂刀随刀盘旋转产生的冲击惯性能量，对卵石、砾石等进行松散。

3 刀具配置差异性分析

3.1 刀盘刀具区域划分

刀盘面板上划分三个不同的区域，中心区、正面区、边缘区，因其承担的破岩量和刀具的受力特性差异，刀具的性能也有差别。中心区是刀盘的中心，特点是空间小，滚刀的转弯半径小，所以滚刀滑动加滚动，承受轴向力大，所以中心刀与正滚刀要求刀圈韧性指标较高。正面区处于中心区和边沿区之间，工作时刀具正对着掘进掌子面，有一定的转弯半径，是纯滚动工作。边缘区位于刀盘的边沿，其刀具不但承担的破岩量大，且刀具受力复杂，还要保证开挖直径，刀圈应具备较强的抗磨性。

3.2 刀具间距和高度差

在复合地层施工中，刀具配置的差异性主要表现在滚刀、切刀和先行刀的配置数量和刀具的高度、组合高度差和刀具切削轨迹线等方面。滚刀的刀间距过大和过小都不利于破岩，间距过大，滚刀间会出现“岩脊”现象，间距过小，滚刀间会出现小碎块现象，降低破岩功效。

4 泥岩地层刀具优化设计

北江盾构穿越工程是西二线广-南支干线重点控制性工程，在广东肇庆和佛山之间穿越北江，盾构穿越地质条件复杂，其中穿越1350米泥岩，250米卵石地层，泥岩地层中岩石质量差，含粘土量大，掘进过程中易在刀盘面形成泥饼，导致刀具和开挖面中间形成“夹塞”情况，无法有效切削土体。由于软地层、糊刀导致刀具无法转动造成偏磨，致使推进速度非常缓慢，推进压力、设备负荷异常过大，严重影响盾构施工效率，刀盘面板结泥饼如图3所示；卵石地层土体松散，刀具磨损严重，大大降低滚刀切削效率，甚至丧失切削破碎能力，刀具配备不合理将对刀盘产生磨损，必须优化盾构机刀盘刀具配备。

图3 盾构机刀盘泥饼

中心滚刀切削岩石时具有线速度低特点，在泥岩中掘进极易造成刀具偏磨和泥饼形成情况，设计安装中心刀具为撕裂刀，增大刀盘中部开口率，增大刀盘中部切削性能和刮渣效率，有效防止泥饼形成。由于泥岩中，提供给滚刀的摩擦力较小，使滚刀的扭矩难以达到，造成早期的偏磨，针对此情况，设计滚刀刀圈采用镶合金齿敷焊的刀圈，不仅可以增加滚刀摩擦力，达到滚刀的扭矩，解决滚刀偏磨现象，而且滚刀的耐磨性能也有很大的增强，从而提高滚刀的整体寿命，滚刀镶齿合金刀圈如图4所示。在刀盘正面面板处安装贝壳刀，可以起到先行刮刀切削作用，由于贝壳刀合金块采用梯度合金，面积大、钎焊深度深，两端合金具有较高韧性，中间具有较高耐磨性和耐冲击性， 在卵石层中掘进时，增大刀具耐磨性和抗冲击性，对刀盘有很好的保护作用，贝壳刀如图5所示。

图4 镶齿合金滚刀刀圈图5 刀盘配备贝壳刀

针对泥岩等复杂地层的刀盘刀具采用撕裂刀、贝壳刀和带镶齿敷焊刀圈的滚刀及刮刀混合布置，滚刀露出刀盘高110mm，撕裂刀露出刀盘高110mm，贝壳刀露出刀盘高90mm，刮刀露出刀盘高80mm，几种刀具呈立体分布层次，形成三个梯度，当上个梯度磨损后，下个梯度可以起到补充切削作用，这样减少刀具磨损和换刀次数，有效防止泥岩中掘进泥饼形成和卵石层中掘进对刀盘的磨损，提高盾构施工效率，泥岩等复杂地层刀具配备和刀具切削轨迹线如图6、图7所示。

图6泥岩地层盾构机刀盘刀具配备图7 刀具布置和切削轨迹线

5 结束语

刀盘刀具配置关系到盾构能否顺利掘进，必须结合地质状况进行配备。刀具及刀具组合不合理将会严重影响盾构掘进，在盾构施工中经常出现刀具磨损严重、破损、脱落等情况，导致工程事故的发生，给整个工程的工期、造价带来严重影响，所以，优化刀具配备，最大程度的延长刀具的使用寿命，减少换刀频率，降低工程风险。

参考文献

[1] 盾构施工技术[M].北京：人民交通出版社，2008:57-58.

[2] 宋天田.复合地层条件下盾构刀盘设计研究.地下空间与工程学报,2007,3(3):479-481.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。