卵石层盾构刀具的配置

王树栋

（中铁三局集团第四工程有限公司，北京 102300）

1 工程地质概况及施工中的难点

北京地铁7号线02标段盾构区间有菜市口站至广安门内站、达官营站至广安门区间。其中，菜市口站至广安门内站区间起讫里程为右k4+136.200～右k5+191.685，全长1 055.485 m，线路东侧主要穿过粉细砂层⑤2和粉质黏土层⑥，西侧主要穿越卵石层⑦。达官营站至广安门区间起迄里程为右k2+617.246～k3+887.000，全长1 269.754 m，线路全断面穿越卵石层⑦，极少部分穿越卵石层⑨。主要穿越地层的属性如表1所示。

表1 主要穿越地层属性表

施工中的难点主要是区间较长，卵石颗粒对刀具的破坏性较大，所以刀具在设计时应重点考虑刀具的耐磨性能，使每盘刀具的掘进进尺更长一些。

2 现有刀具配置情况及分析

施工中选用的掘进方式是全线盾构掘进，选用的机器是罗宾斯Φ6.3 m土压平衡盾构机，刀盘设计时确定的刀具配置如表2所示。

表2 盾构刀具配置表

根据地质资料可知区间穿越的地层主要是粉细砂层⑤2和粉质黏土层⑥以及卵石层⑦。对于粉细砂层及粉质黏土层，最适合的刀具形式是刮刀；对于卵石层，因颗粒直径较大（大于200mm），胶结特别紧密，一般使用滚刀；对于直径不大的砂质充填层，应使用专门为该地层设计的刮刀，但从性价比考虑，该层使用滚刀更合适。具体到该项目，卵石层⑦和⑨的颗粒直径介于较大与较小之间，且大部较为均匀，胶结为松散的中粗砂。参考以卵石地层为主的成都地铁以及其他城市的经验，在该地层适合使用滚刀、撕裂刀与刮刀共同布置的方式。

3 刀具配置改进建议

菜市口站至广安门内站区间以粉细砂地层及粉质黏土地层为主，从地质剖面图可看到，多个地方长距离夹有卵石地层。卵石地层一般考虑中间刀具及正面刀具，以撕裂刀为主。过渡及边缘部分安装10把刀具，由于这部分碰到卵石的几率大且掘进进尺、行走的线性距离最长，所以建议使用在卵石地层适应性更好的重型滚刀。滚刀露出高度和初始设计一致，为150 mm.为了增加撕裂刀的使用时间并增强使用效果，撕裂刀的高度为160 mm，比滚刀稍高。在115 mm的高度上布置全断面的刮刀，在刀盘上形成中间撕裂刀高度为160mm、边缘滚刀高度为150mm、刮刀高度为115mm的梯度布置。

达官营站至广安门区间主要穿越地层为卵石层⑦和⑨，根据勘探报告，这两种地层卵石的直径一般在30～60 mm之间，卵石的最大粒径超过130 mm，卵石的含量在60%～70%之间。但是根据前期开挖竖井的情况看，发现该区间卵石含量只有10%左右，卵石的粒径一般为150 mm，大的有超过400 mm的孤石。根据开挖揭露的情况，卵石粒径比勘探中大得多，为破碎这些大石头，刀具的布置向滚刀倾斜，具体的方案就是中心8把双联刀的位置布置双刃的撕裂刀，正面及边缘部分布置23把单刃强化滚刀。

3.1 刀具的外形说明

3.1.1 滚刀

滚刀使用重型加厚刀圈，17寸标准刀圈刃部宽度为20 mm，在软地层，这种刀圈对掌子面附着力小。如果这个力不能使刀圈产生有效转动，一般容易造成偏磨，并且在含卵石、漂石的地层软硬不均，掘进时受到的是时大时小的冲击载荷，容易造成刀圈崩裂、刀圈不耐磨等失效型式。使用加厚刀圈（刃部宽度加大到30 mm），能较好地解决偏磨、刀圈不耐磨、冲击使刀圈崩裂等情况。顶部设计成160°楔形，使刀圈顶部更光滑，受力更均匀，易于切入工作面且不易崩裂。

滚刀的性能：①刀圈材料采用具有江钻专利技术的特种钢材，钢材牌号为KDCMSV，材料经热处理后，具有极好的耐磨性和冲击韧性。②从以往刀具的失效型式分析，滚刀在卵石地层掘进过程中，卵石对刀毂的撞击极易导致刀毂与端盖的配合处发生变形，使得刀毂与端盖抱死，导致端盖无法拆卸。针对这一现象，我们将刀毂做了相应的改进，增加了刀毂的厚度，提高了刀毂的耐磨性和抗冲击性能，较好地解决了这一问题，延长了刀毂的使用寿命。在成都地铁卵石地层中使用这一方法，收到了很好的效果。③滚刀的密封系统采用的是美国航天制造技术，高精度的加工保证了密封效果，O形圈采用先进的氢化丁腈橡胶制成，耐酸碱、高温，能适应各种恶劣工作条件。④滚刀轴承采用世界知名的轴承制造公司TIMKEN的HH系列重型圆锥滚子轴承，它独特的几何形状及设计理念，使其具有独一无二的性能，能够同时承受径向和轴向的联合承载力。滚刀轴承最高可承受120～150℃的高温，允许短暂升至175℃，最高的赫兹接触压力为2100～3 100 MPa.⑤通过先进的数控机床保证滚刀零件尺寸的一致性，结合严格规范的装配工艺保证滚刀的扭矩控制在25～40 nm之间，能很好地适应卵砾石地层中滚刀具有较小的启动扭矩的要求。

3.1.2 中心刀

中心刀使用双联撕裂刀，露出刀盘的高度为160 mm.为增加刀头在卵石地层的耐磨性，选用的是两侧钎焊L型合金块，中间合金块嵌入基体，这样的好处是合金块可保护基体不受磨损。

3.1.3 正面撕裂刀

正面撕裂刀的刀头型式及露出高度与中心刀相同，为减少刀具切入的阻力，刀头宽度设计为76 mm.根据计算，撕裂刀对工作面的覆盖系数大于1.也就是说，撕裂刀和低一层的刮刀分层切削，可使整盘刀具的寿命更长。

3.1.4 刮刀

根据罗宾森的初始设计，刮刀的宽度为150 mm.在砂卵石地层，为延长刀具寿命，可适当增加刀具的宽度至250 mm，增加刮刀对工作面的覆盖系数。根据计算，宽度增加后，刮刀对工作面的覆盖系数由2.5增加到4左右，可见性能改善还是非常明显的。但是由于整盘正面刮刀的加宽，有可能造成刀盘总体灌入度不够，导致刀盘推力增加，扭矩增大，大盘主轴承压力过大，因此，特将正面刮刀设计成倾角型，以增加刀具的灌入度。

3.1.5 边刮刀

由于边刮刀形状复杂，露出的高度在刀盘设计之初就已经确定，如果更改会带来很多问题。因此，对于边刮刀的外形尺寸一般不做更改，但根据地层的适应性，可以使其更耐磨，所以可把原始设计的U型槽中钎焊合金块的方式改为L型槽，并且在背部增加两排合金，以增加边刮刀的耐磨性。

边刮刀的性能：①对于边刮刀及边缘刮刀，我们将切削刃部位由敷焊方式改为钎焊合金块方式，同样采用大面积钝形耐冲合金，目的是为了提高所有边刮刀的耐磨性，减少换刀次数。②合金刀刃倒角半径加大为10 mm，可有效防止合金头部因过尖而产生崩裂。③盾构穿越卵石地层时，关键是刀具对卵石的剥落，而不是对沙层或土层的切削。为了提高刀具对卵石层的剥落能力，防止刀具损坏，刀具的角度不宜过大，因此将刀具前后角设计为10°.④边刮刀基体采用优质高强度合金钢锻造而成，材料牌号为高性合金钢，材料热处理后具有极高的耐磨性和抗冲击性能：抗拉强度 σb（MPa）：≥980；屈服强度 σs（MPa）：≥835（85）；伸长率 δ5（%）：≥12；断面收缩率 ψ（%）：≥45；冲击功Akv（J）≥63.⑤刀背处防磨合金与主合金刃间距间距为10 mm，减小了土体对刀具母体的磨损，防止合金刀刃的“牙龈”的受损。⑥在合金块的选择方面，应增加合金块的抗冲击性能，针对这种卵石地层，专门研制了几种合金牌号，例如，JZ16C、JZ13A、JZ13C等。专门研制的合金具有高冲击韧性，对卵石地层具有很好的适应性。⑦边刮刀基体非安装表面敷焊耐磨合金，厚4～4.5 mm，可以提高基体的耐磨性。⑧在工艺方面，材料经真空热处理，保证基体具有很高的强度，钎焊工艺采用目前非常先进的银基钎焊技术，减小了钎焊对基体的影响，同时焊接具有很高的抗压强度。⑨鉴于以往的经验，这种边刮刀的设计既达到了良好的使用效果，又能够节约工程的施工成本。

3.1.6 周边保护刀

在砂卵石地层，对刀盘周围的磨损比较大，所以最好在外圈间隔布置周边保护刀。边刮刀磨损后，保护刀开始切削隧道的外径，避免刀盘的外圈结构直接和工作面磨损。

4 类似案例

在砂卵石地层，类似的情况有成都地铁、北京地铁直径线项目。广州深圳的地铁项目也有很多相同和相近的地层，但这些地方的卵石层胶结更为紧密，卵石直径变化更大。特别是在成都地铁，大部分卵石地层全部使用改进后的重型加厚滚刀，其效果得到了客户的认可。但具体到北京地铁7号线02标段的卵石地层，情况稍好，所以考虑在中心刀部分安装双联撕裂刀。在菜市口站至广安门内站区间，前半部分粉细砂、粉质黏土较多，后半部分卵石较多，但粒径比较适中，可用滚刀切削，也可用撕裂刀切削。结合以上因素综合考虑，在刀盘外缘使用加强型滚刀、其他部分使用撕裂刀的方式。类似的项目有十六局南水北调中线工程，使用的海瑞克9 m盾构机，外圈使用滚刀，中间使用撕裂刀，在穿越黄河底部的钙质结核、卵石地层得到了很好的效果，确保了隧道顺利贯通。