探析土压平衡盾构机刀盘开口特性及刀具布置方法

兰远增

摘要：国家工程建设不断发展，盾构机作为一种非常重要的工程机械，在隧道、地下轨道等工程中都有着非常广泛的应用。刀盘刀具作为盾构机的关键结构，是实现盾构机掘进功能的主要部件，对土压平衡盾构机刀具开口特性以及布置方式进行研究，是保证刀盘受力平衡，减少掘进功耗，减少刀具磨损的必要措施。

关键词： 土压平衡 盾构刀盘； 开口特性； 刀具布置

1 盾构刀盘

英国工程师Marc Isambard Brunel 早在1818 年从食船虫打洞过程中得到了启发，研究盾构工法并获取了专利，至今盾构已经发展了将近200 年。盾构工法是在盾构的掩护下进行开挖和衬砌，是一种比较安全的掘进方式，而且地下施工不会受到地面交通的影响，能够在河底施工而不影响河道通航，气候和地质条件对盾构施工的影响也很小，是一种振动、噪声等环境污染较小的施工方式，现今已经发展为隧道工程、地铁工程、公路、地下管线和水下管线等基础设施建设最主要的施工方法。

盾构刀盘是盾构机械中最重要的部位，位于盾构机最前端，在刀盘旋转过程中，刀盘上布置的刀具能够对掘进截面上土体进行切削，以此实现掘进开挖，开挖产生的渣土能够通过刀盘上的开口送入土仓，盾构施工过程是在支撑下进行，能够稳定掘进截面，而且通过土仓内渣土和膨胀土、泥浆、泡沫剂等充分混合，最后通过螺旋输送机将渣土排出。

最初的盾构开挖施工机械上并没有盾构刀盘，而是在工程实际中经历了盲目选择和逐渐发展优化的过程，在1896 年，工程师普莱斯设计研发了轮辐式刀盘盾构，通过4 条辐条型手臂组成切削刀盘，在手臂上固定切削和刮削刀，逐渐产生了刀具选择和配置的观念。

工程实际中，盾构在掘进中会遇到各种复杂地质情况，岩土物理力学性能随机性很大，盾构刀盘可能会承受几十倍上百倍的载荷突变，所以刀盘必须要具有优良的地质适应性才能够保证相当的寿命，需要通过刀盘刀具的合理配置优化刀具的受力特性，减少刀具损坏和磨损。

2 开口特性

2. 1 滚刀破岩

1） 滚刀机理。滚刀压入岩石之后，滚刀和岩石接触位置会出现岩石在受压塑形变形作用下产生的坚硬的密实核，积聚了大量变形能，在密实核附近会出现大量裂纹。在滚刀压力作用下，裂缝不断扩展交会，侧向裂缝与自由面或者相邻裂缝交会会造成岩石破碎。滚刀破岩过程承受的载荷有着明显的跃进性，压入阶段载荷不断增加，达到临界值，岩石开始破碎剥落，载荷得到迅速释放，滚刀继续前进，载荷再次上升，如此循环。

2） 滚刀破岩载荷。滚刀破岩主要受三向力作用，垂直刀盘平面的垂直力、滚刀轨迹圆切线滚动力、沿轨迹圆法线方向侧向力。在多种破岩预测公式中，科罗拉多矿业学院的公式比较成熟，但是这是一种基于线性切割的实验理论，没有侧向力预测。

2. 2 切刀切削岩土

1） 切削机理。随着盾构机的掘进，切刀会对开挖面产生沿着掘进方向的剪切力和刀具旋转切线方向切削力，开挖面岩土内部产生应力和变形并发生结构破坏，产生岩土碴，在切刀运动下排入土仓。受到岩土地质力学性质、刀具形式、切削参数等因素影响，土体主要受流动型破坏、剪切型破坏、断裂型破坏和剥离型破坏等。

2） 切刀切削载荷计算。盾构机切刀切削载荷有切刀切削土体载荷和切刀切削破损软岩载荷两类，土壤和软岩之间有着很大的物理力学性质差别。切刀切削预测模式也存在不同。稀松切刀切削力预测是当今比较成熟的切刀切削载荷计算模型。

3 刀具布置方法

3. 1 刀具数量确定

刀具磨损和地质条件、刀具材质以及刀具安装位置都有关系。根据刀具磨损等寿命原则，为了保证刀盘上刀具磨损量基本一致，需要调整不同半径上磨耗系数，保证不同刀具的寿命基本相等。刀具实际磨耗系数可按照日本某公司经验公式推算：

在给定地质情况下，磨耗系数是定值，给定刀具限定磨损量，施工要求以及掘进参数，就能够获得相应的临界磨损系数以及临界掘进系数，对应磨损系数法和掘进系数法。以刀具安装半径作为横坐标，磨损系数作为掘进系数纵坐标，能够获得磨损系数和掘进系数函数，从而确定不同切削半径上满足刀具磨损等寿命原则时需要的最少刀具数量。

3. 2 布置曲线

从几何学角度来看，刀具在刀盘上的布置方法有阿基米德螺旋线布置法和同心圆布置法两种，阿基米德螺旋线布置法将刀具分散对称布置在和螺旋线相交的辐条两侧，满足正负两个方向的转动要求。

按照等寿命原则，切削半径小于R1，刀盘径向，每个回转半径上需要配备一把刀具。按照地质报告以及施工要求确定盾构机结构参数和刀具几何尺寸，最终确定螺旋线布置方案，主切削刀数量按下式布置：

双螺旋和多螺旋曲线布置也是一种常见的布置方案，按照盾构刀具磨损等寿命原则，切削半径超过R1，沿刀盘径向，每个回转半径都要配置两把或者多把刀具，满足使用要求。

如果使用双螺旋布置方案，布置曲线需要的参数计算方法和单螺旋线是相同的。第一条螺旋线布置可按照单螺旋线进行，第二条的螺距和第一条基本一致，但是极轴初始值要和极坐标轴左右对称。

3. 3 先行刀空间立体布局

先行刀主要发挥疏松土体、防止大粒径卵石冲击主切削刀，控制住切削刀冲击载荷。主切削刀实际深度p = 0 时切削效率最高。主切削刀两侧没有剪切力和摩擦力，前刀面挤压土体造成破坏，但是这是一种理想状态。根据分析，可知先行刀对主切削刀最小超前量是h /2n 时能够达到最佳状态，其超前量为：

4 结语

进行了刀具在刀盘布置分析，依据刀具等寿命原则，基于阿基米德螺旋线布置方法，明确了刀具数量和先行刀具的布置方案，对减少盾构机刀盘磨损有一定作用。

参考文献：

[1] 张国京. 北京地區土压式盾构刀具的适应性分析[J]. 市政技术，2011，23（ 1） ： 9 - 14.

[2] 裴瑞英. 盾构机刀具磨损与布局问题分析研究[D]. 天津： 天津大学，2010.

[3] 梁兴林. 浅议小松盾构机与海瑞克盾构机在小一新区间掘进性能差异[J]. 广东科技，2012，（ 3） ： 104 - 106.