淺談北京地區(qū)盾構刀盤選型

1、淺談北京地區(qū)盾構刀盤選型摘要：本文結合盾構施工屮的實踐經(jīng)驗，對北京地區(qū)盾構刀盤選型 過程中常見問題進行論述，為此類盾構刀盤選型提供參考。關鍵詞：盾構施工刀盤選型刀盤形式刀具屮圖分類號：tu74文獻標識碼：a文章編號：在科技飛速發(fā)展的今天，盾構在城市隧道的開挖中得到越來越廣泛的 應用。施工中會遇到各種不同地層，從淤泥、粘土、砂層到軟巖及硬巖等, 刀盤的結構關系到盾構工程的成敗、開挖效率、使用壽命及刀具費用。即 盾構的刀盤結構形式與工程地質(zhì)情況冇著密切的關系，不同的地層應采用 不同的刀盤結構形式，因而刀盤選型和刀具的選擇成為了盾構的關鍵技 術。采用什么樣的刀盤結構和刀具配置才能夠滿足盾構機在北京地

2、區(qū)隧道 掘進過程中達到最小的刀具磨損、最少的換刀次數(shù)，甚至中途不換刀的目 的，使盾構機的性價比達到較高水平。一特點1盾構機刀盤選用面板和輻條相結合的刀盤型式，滿足工程掘進距離 較長，且要穿過砂卵地層，很可能需中途換刀需要。2采用牙型交錯連續(xù)排列方式刀具，其切削阻力小、切削效率高、密封艙內(nèi)土體流動性好和易攪拌o3采用設計為楔形結構的刀盤開口槽，使刀盤中部開口逐漸變大，利 于渣土向土倉內(nèi)流動，防止結泥餅，提高開口效率。二使用范圍粉細砂、中粗砂、圓礫卵石、粘土、粉質(zhì)粘土地層及由以上相互組成 的復合地層。三刀盤選型現(xiàn)以北京地鐵6號線一期土建施工01合同段為例，具體說明盾構選 型過程中的相關觀點及看法。

3、本段線路位于北京城區(qū)東部，沿線地形基本 平坦，起伏不明顯，全線地勢西高東低。鉆孔孔口自然地面標高為32. 00 36. 33m，與周邊場地基本相平。土體從上而下依次為：粉土填土、雜填土、 粉土、粉質(zhì)粘土、粘土、粉細砂、粉質(zhì)粘土、粉土、粉細砂、中粗砂、圓 礫卵石、中粗砂、粉細砂、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土。盾構區(qū)間部分區(qū)域需要 穿越屮粗砂和砂卵石地層。1盾構機的丿j盤形式刀盤的功能是開挖、穩(wěn)定掌子面和攪拌砂土。刀盤的結構形式有面 板式和輻條式兩種，具體應用時應根據(jù)施工條件和土質(zhì)條件等因素決定。 泥水盾構采用面板式刀盤；土壓平衡盾構根據(jù)土質(zhì)條件可采用面板式或輻 條式。對于土壓平衡盾構，采用面板式刀盤時，由

4、于泥土流經(jīng)刀盤面板的 開口進人土倉，盾構掘進時土倉內(nèi)的土壓力與開挖面的土壓力之間產(chǎn)生壓 力降，且壓力降的大小受面板刀開口的影響不易確定，從而使得開挖面的 土壓力不易控制。輻條式刀盤僅有幾根輻條，切削下來的土休直接進人土 倉，沒有壓力損失，同時在輻條后設有攪拌葉片，土、砂流動順暢，土壓 平衡容易控制。因此幅條式刀盤對砂、土等單一軟土地層的適應性比面板 式刀盤較強。（比較結果詳見表）針對北京的地質(zhì)條件以及本工程地鐵隧道 埋深不超過25 m的情況，采用什么形式的刀盤將直接影響盾構機的掘進 效果，而且造價相差約為盾構機造價的4%8%。在對兩種型式的刀盤特 性進行了比較。輻條式及面板式刀盤特征比較根據(jù)上

5、述的地質(zhì)條件，我項目部與盾構機生產(chǎn)廠家共同研究如何進行 刀盤選型。既能夠適應木工程地質(zhì)條件，同時乂能適應螺旋輸送機正常出 土允許最大尺寸的石確；刀盤的開口率能適應不同地質(zhì)條件快速掘進的要 求；在容易塌方的地段施工，工作人員需在刀盤作業(yè)面施工時，由于面板 的抵擋土體作用較強，在這種情況下，適于選用面板式刀盤形式?？紤]到 安全因素，本次工程掘進距離較長，且要穿過砂卵地層，很可能需屮途換 丿j,因此采購的盾構機刀盤選用面板和輻條相結合的刀盤型式，刀盤上分 別留有六個外加劑注入口以滿足土體改良需要。2盾構的開口率根據(jù)地層條件以砂卵石和粉質(zhì)粘土為主，為使渣土易于流動，防止 結泥餅，提高開口效率，刀盤開口

6、槽設計為楔形結構，使刀盤中部開口逐 漸變大，利于渣土向土倉內(nèi)流動，本盾構機開口率為47%。盾構機丿j盤結構3刀具的選擇及布置刀具布置和刀具形狀在盾構機設計中是非常重要的內(nèi)容。刀具布置 方式及刀具形狀是否適合應用工程的地質(zhì)條件，直接影響盾構機的切削效 果、出土狀況和掘進速度。對于全斷面切削的輻條面板相結合式刀盤，從盾構機的發(fā)展歷史看，刀具布置有兩種方式：第一種為刀具整體連續(xù)排列方式，因其切削阻力較 大，盾構機密封艙內(nèi)土體流動性差，現(xiàn)已很少使用，僅偶爾在切削阻力小 的淤泥質(zhì)地層中采用；第二種為刀具牙型交錯連續(xù)排列方式，因其切削阻 力小、切削效率高、密封艙內(nèi)土體流動性好和易攪拌而被廣泛使用。目前 世

7、界上基本均采用牙型交錯連續(xù)排列方式。我公司采購的盾構機，其刀具 布置就是采用該方式，見圖。刀具布置圖根據(jù)北京市地鐵隧道施工中可能碰到的三種地質(zhì)條件，刀具布置時 應按照牙型交錯連續(xù)排列的原理，確保盾構機刀具的切削軌跡布滿開挖全 斷面；另針對不同切削要求（包括不同地質(zhì)的要求），本標段盾構機設置齒 刀（94把）、周邊刮刀仃2把）、先行刀（42把）、魚尾刀（1把）、仿型刀 （2把）。按照各種刀具的特點及作用，經(jīng)過分析比較，各種刀具可采用下圖的布置方式。4刀具的形狀及作用刀具的形狀必須適應施工地質(zhì)的特點，并且刀具在切削斷面不同的 位置其作用及要求均不同，因此應對刀具進行設計。針對北京地鐵隧道穿 越三種主

8、要地層的特點，刀具選型時應考慮以下耍素。 刀具在砂、砂卵石地層中的切削效率，即如何減少切削阻力，保證 切削土體的流動性；通過刀具形狀的改變，減少刀具掘進磨損，提高刀 具的耐久性；適應城市繁華地區(qū)施工的需要，盡可能減少刀盤旋轉刀具 切削土體過程對周邊土體及環(huán)境的干擾，如振動、噪音等；材料和設計 方面因素，對解決盾構機在砂卵石地層掘進時刀具的磨損（包括撞擊掉塊 等）提出切實可行的措施，保證盾構機刀具長距離掘進的可靠性。1）刀具的類型及切削原理目前盾構機刀具按切削原理劃分，一般公認有滾刀和齒刀兩種類型 （根據(jù)隧道圍巖性質(zhì)不同、切削目的不同，這兩類刀具還可進一步細分）。 滾丿j的切削原理主耍是刀具依靠

9、擠壓破巖，一般用于巖石隧道的掘進。當 雖然穿越松散地層但有大粒徑的礫石（粒徑大于400mm）、并且含量達到一 定比例時，也可采用滾刀型刀具。另在隧道地質(zhì)條件復雜多變、巖石（強 度不算太高）與一般土體（或粘土或砂土）交錯頻繁出現(xiàn)的情況，也有可能 采用滾刀型刀具，即在復合式盾構機屮采用。北京地區(qū)一般不需要采用滾 刀型刀具，在西四環(huán)向東的北京市大部分地區(qū)不需要。齒刀的切削原理則主要是盾構機向前推進的同時，刀具隨刀盤旋轉對 開挖面土體產(chǎn)生軸向（沿隧道前進方向）剪切力和徑向（刀盤旋轉切線方向） 切削力，不斷將開挖面前方土體切削下來。切削刀一般適用于粒徑小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散體地層。2）

10、主要刀具形狀及作用 齒刀齒刀是盾構機切削開挖面土體的主刀具，齒刀一般形狀如下圖所示。 一般情況下，b （前角）與a （后角）值隨切削地層特性不同變化，取值范圍 在5。20°之間，粘土地層稍大，砂卵石地層稍小。針對北京市地層特 點，b （前角）和q （后角）值采用15° o 先行刀先行丿j即為先行切削土體的刀具。先行刀在設計中主要考慮與齒刀組 合協(xié)同工作。刀具切削土體時，先行刀在齒刀z前先行切削土體，將土體 切割分塊，為切削刀創(chuàng)造良好的切削條件。據(jù)其作用與目的，先行刀斷面 一般比齒刀斷面小。采用先行刀，一般可顯著增加切削土體的流動性，大 大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，

11、減少切削刀的磨耗。在松散體 地層，尤其是砂卵石地層使用效果十分明顯。為了減輕切削刀和邊緣刮刀 的荷載，減少刀具磨損，刀盤配置了先行刀，并且先行刀分為a型與b型 兩種類型。a型先行刀共36把分布在輻條前端，用于保護輻條和止面刮刀; b型先行刀共6把分布在刀盤面板外側，用于保護周邊刮刀和刀盤最外圈。 盾構機穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時，若采用滾刀型刀具, 因土體屑松散體，在滾刀掘進擠壓下會產(chǎn)生較大變形，大人降低滾刀的切 削效果，有時甚至喪失切削破碎能力。針對北京市大粒徑砂卵石地層的特 性，采用先行刀，將其布置在刀盤盤圈前端面，專用于切削砂卵石。 中心魚尾刀采用大刀盤全斷面切削土體，布置

12、在幅條上不同位置的切削刀，從刀 盤外周至中心，運動圓月逐漸減小，中心點理論上可以視為零。換言之密 封艙內(nèi)切削土體的運動長度也是由外至內(nèi)逐漸變小，相應土體流動狀態(tài)也 是越來越差。而且中心支撐部位（直徑約14m）不能布置切削刀，為改善中 心部位土體的切削和攪拌效果，在中心部位設計一把尺寸較大的中心魚尾 刀。 仿形刀盾構機一般設計兩把仿形刀（一把備用），布置在輻條的兩端。本機刀 盤設置兩把仿形丿j （其中一把為備用），行程均為175mm,可用于方向修正、 曲線施工時的超挖：可操作仿形刀，僅對需要超挖的部分進行挖掘。也可 以根據(jù)行程以及位置（角度）的設定，隨著刀盤的轉動，自動進行超挖。5刀盤的支撐方式

13、支撐方式一般分為屮心支撐方式和屮間支撐方式，屮間支撐方式具 有以下優(yōu)點：刀盤的支撐位于中間，刀盤強度大；刀盤密封集中于中間部, 可靠性高；機械加工部位小，制作精度高，中心部的有效空間大。因此 在在大負荷、偏負荷的場所，多使用中間支撐形式。鑒于上述原因，我公 司選擇使用的支撐形式為中間支撐形式。四刀盤使用壽命分析1刀盤磨損概述刀具切削土體會造成刀具的磨損，為提高刀具的耐磨特性，延長刀 具使用壽命，刀具的前端通常焊接耐磨性非常高的超硬合金刀刃。超硬合金采用e3標準。由于超硬合金韌性較差、抗沖擊能力弱，刀具根據(jù)土質(zhì) 的不同，需要改變超硬合金刀刃的鑲入方法，以彌補其弱點。當切削地層 為砂卵石，尤其是大

14、粒徑砂卵石時，刀具受卵石沖擊易造成崩刀(合金刀 刃崩裂)，此時不能用單純的滑動磨擦理論描述，因此很難定量計算摩損 量。刀具的磨耗分析可按照滑動距離和挖掘土方量兩種方法計算，按滑動 距離計算與實際狀況誤差較小，一般使用此方法。根據(jù)上述觀點，刀盤刀具的磨損難以精確預算，本資料根據(jù)以下參數(shù) 和假定，盡可能參考相似挖掘事例來進行分析和計算。刀具磨損計算參數(shù)與假定條件如下： 盾構施工標段各類土體區(qū)間長度計算 不同土體性質(zhì)下下刀具磨耗量(mm) 刀具的滑動距離(km) 根據(jù)上記得出的刀盤磨耗系數(shù)(mm/km) 掘進速度和轉速2刀具的磨損形態(tài)及磨損系數(shù)近年來的盾構挖掘施工中，刀盤上配置了先行刀等輔助刀具，有

15、效降 低了切削刀的磨損，提高了刀盤挖掘性能和耐久性。當先行刀尚未磨損或 磨損輕微，能有效保護切削刀時狀態(tài)稱為“先行保護狀態(tài)”。如果先行刀磨損至與切削刀高度相同時，先行刀幾乎不起作用，切削 刀磨損急劇增人，這種情況稱為“無先行保護狀態(tài)”。3先行刀蘑損量計算先行刀磨損計算公式如下:式屮：8刀具磨損量l挖掘距離k刀具磨損系數(shù)d挖掘外徑=6. 18 mn刀盤旋轉速度=0.95 min-1v推進速度=0. 03 m/min先行丿j容許磨損量設為20mm,根據(jù)區(qū)間內(nèi)不同土質(zhì)比例統(tǒng)計計算磨損 如下表：先行刀磨損計算表挖掘距離1720m (砂土： 65%、粘性土： 35%)磨損系數(shù) 探36x 103 nim/

16、km容許磨損量50. 0 mm計算磨損量38. 1 mm容許磨損余量119 mm注：磨損系數(shù)：(50x0. 65+10x0. 35) x 10-3 = 36x 10-3 (mm/km)4切削刀磨損量計算切削刀的磨損計算根據(jù)有先行刀保護區(qū)間和先行刀磨損后無保護區(qū) 間來進行探討推定的。以下的公式表示為刀盤磨損推定量:式中：5刀具磨損量l挖掘距離k刀具磨損系數(shù)d挖掘外徑=6. 18 mn刀盤旋轉速度=0.95 min-1v推進速度=0. 03 m/min先行刀容許磨損量設為25 mm,根據(jù)區(qū)間內(nèi)不同土質(zhì)比例統(tǒng)計計算磨 損如下表：切削刀磨損計算表掘進距離1720m (砂土： 65%、粘性土： 35%)先行防護有無有磨損系數(shù) 探18 x 103 mm/km容許磨損量25 mm計算磨損量19.0 mm容許磨損余量6. 0 mm注：磨損系數(shù)：(25x0. 65 + 5x0. 35) x 10-3 =18x 10-3 (mm/km)5刀具壽命的計算結果分析按照類似土質(zhì)的施工事例所得出的磨損系數(shù)，本工程地質(zhì)條件和施工 距離條件最嚴峻的甜水園站一十里堡路站區(qū)間的土質(zhì)條件下刀具計算結 果如下：區(qū)間挖掘完后先行刀的計算磨損量為38.1 mm,容許磨損余量