卵砾石地层隧道盾构刀具选型研究

张士龙

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

卵砾石地层隧道盾构刀具选型研究

张士龙

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

从国外引进的盾构机刀具配置不能适应我国部分城市砂卵石地层卵石粒径大和石英含量高的特点，刀具磨损及冲击崩裂严重。本文总结我国砂卵石地层中盾构刀具布置的常用形式及其效果，结合南京纬七路过江隧道穿越砂卵石地层中盾构刀具选型与布置，提出盾构刀具布置不仅要遵循几何对称和力学对称原则，而且要遵循等磨损原则，注意不同刀具之间的协同作用;砂卵石地层中，正面刮刀(切削刀)和贝型先行刀组合，再辅以其他刀具;在刀具配置中，要慎重考虑贝型先行刀的布置间距和贝型先行刀与刮刀高差的取值。

卵砾石地层 盾构刀具布置 几何对称 等磨损

随着城市地铁、地下道路和过江通道的修建，盾构机被越来越多地应用［1］。由于我国的盾构技术刚起步，目前使用的盾构机大部分是从德国和日本进口［2］。由于德国和日本砂卵石地层分布较少，其盾构技术应用于砂卵石地层尚不够成熟。

砂卵石地层是一种咬合不稳定地层，粒径不均，卵石粒径大、石英含量高、内摩擦角大，不适用普通切削，但受扰动后极易自行崩塌，稳定性低于多裂隙岩层。在北京、沈阳、成都和南京广泛分布的砂卵石地层中进行隧道施工，盾构机常常出现刀盘刀具设计与地层条件不适应的情况，有些导致严重工程后果。

本文介绍盾构刀具的一般布置形式，总结我国砂卵石地层中盾构刀具布置的常用形式，对南京纬七路过江隧道穿越砂卵石地层盾构刀具布置与地层适应性进行分析。

1 刀具布置一般形式

从优化设计考虑，盾构刀具按一定的力学和几何学规律分散布置在刀盘上，从而达到布局、结构和负载的合理性［3］。切削刀具主要按阿基米德螺旋线和同心圆的几何规律在刀盘上布置，目前采用最多的是阿基米德螺旋线布置法，如图1所示。

阿基米德螺旋线极坐标表达式为［4］

图1 阿基米德螺旋线

式中，ρ为极径，ρ0为极径初始值，α为常因数，θ为极角。假设盾构中心刀最大切削直径为d3，刀盘上切削刀具宽度为b1，则

式中，c为初始切削刀与中心刀的重叠量，计算如下

式中，ΔN为切削刀的布置数目N'取余。假设盾构外径为d1，刀盘切削外径为d2，周边刮刀宽度为 b2，如图2所示，则为

式中，N'一般按照四舍五入取整，Δb为刀具切削轨迹之间搭接重叠量，若无重叠量则Δb=0。

图2 刀盘尺寸及刀具开挖半径示意

切削刀一般布置在刀盘辐条或者刀盘面板边缘，以便切削下来的土进入土仓。由于盾构刀盘的正反转，切削刀应成正负对称布置。而且，同一刀盘上切削刀的运行距离与其分布半径成正比，即相同运行时间内，外周切削刀比内周切削刀的运行距离较长，其磨损较大。按照等磨损布置原则，外周切削刀布置间距一般小于内周切削刀的布置间距。比如在切削直径1/2圆周内采用单螺线布置，其余外周采用双螺线布置，如图3所示。这种以切削刀布置为主，辅以中心鱼尾刀、周边刮刀和超挖刀的刀具布置形式在进口盾构机上较常见，适用于黏土、砂土等软土地层。

图3 刀盘切削刀布置示意

2 砂卵石地层刀具布置

北京、成都及沈阳等城市地铁隧道区间和南京过江隧道均为典型的砂卵石地层，卵石粒径大，石英含量高，刀具的磨损及冲击崩裂严重，依靠切削刀单一切削模式不能满足工程需要，使用了贝型先行开挖刀，并在胶结型砂卵石地层使用了滚刀。

刀具切削按原理分为4种:①流水型切削;②剪切型切削;③断裂型切削;④剥落型切削，见图4。砂卵石地层对应的切削模式为剥落型切削。

目前在砂卵石地层中，盾构刀盘主要有3类刀具配置方式:①正面刮刀+周边刮刀组合，在北京地铁和沈阳地铁工程中被采用;②正面刮刀+周边刮刀+滚刀组合，广泛应用于成都地铁，北京地铁也有应用;③正面刮刀+周边贝型刀+先行刀或正面刮刀+周边贝型刀+中心鱼尾刀+先行刀组合，在北京地铁应用较多。工程应用表明，第①类及第②类刀具配置方式工程效果较差，刀具磨损严重。因此，在松散砂卵石地层中，配置贝型先行刀成为盾构机刀具配置的重要参考。基于贝型先行刀 +正面刮刀的刀具配置模式，黄清飞［5］提出了犁松原理。

图4 四种不同切削模式

对于卵砾石地层，刀盘刀具设计与地层条件不适应是导致严重工程后果的主要因素，对刀盘或刀具改造后工程效果表明:因刀具过度磨损导致的严重工程事故问题完全可以依靠合理的刀盘设计和刀具配置来避免。

工程应用表明:对于卵砾石地层，正面刮刀(切削刀)和贝型先行刀的组合方式，再辅以其他周边刀具，如中心鱼尾刀、周边刀，是刀具布置的较好选择。在刀具布置方面，除了要考虑刀具布置的几何对称性，还要考虑刀具的等磨损原则。同时，还要注意不同刀具之间的协同切削。由工程实践经验，盾构刀盘外圈刀具的磨损量由下式计算

式中，δ为磨损量，mm;K为磨耗系数，mm/km;D为盾构刀盘外径，m;wd为刀盘转动速度，r/min;L为掘进距离，km;v为掘进速度，m/min。

3 刀具布置与地层适应性分析

随着盾构掘进地层的不同，刀具的布置也应不同，即刀具布置的地层适应性需要在施工中验证。下面结合南京纬七路过江隧道盾构刀具磨损情况，对刀具的优化布置进行探讨。

南京纬七路过江隧道主要穿越地层上部由第四系全新统新近沉积松散粉细砂组成，中部由第四系中密～密实粉细砂组成，下部由上更新统密实砾砂、圆砾等组成，第四系地层下伏基岩为白垩系钙质泥岩夹钙质细砂岩。本工程盾构隧道穿越地层以粉细砂和砾砂地层为主。

南京纬七路过江隧道工程采用2台φ14.93 m泥水加压平衡盾构掘进，刀盘采用辐条—面板式结构，开口率约35%，刀具由189把刮刀(切削刀)(包括118把固定刀和71把常压可更换刀)、16把先行刀、6对周边大铲刀、6对小铲刀和2把仿形刀组成，刮刀高出面板200 mm，先行刀高出面板250 mm，先行量50 mm。盾构刀盘形式见图5，各类刀具详图及介绍如下:

图5 南京纬七路长江隧道刀盘结构

1)固定刮刀:焊接在刀盘主辐臂上，不可常压更换，共118把，结构形式如图6(a)所示。

2)可更换刮刀:可更换切削刀通过特殊构造设计，作业人员在主辐臂内可实现常压更换，总数71把，中心7个圆柱刀每轨迹一把，其余每轨迹2把，可更换刀具形式如图6(b)所示。

3)先行刀:盾构所配置的16把先行刀焊接于刀盘主辐条上，总高度250 mm，高出其他刀具50 mm，先行刀结构形式如图6(c)所示。

4)周边刮刀:布置在刀盘副辐臂边缘，成对布置，盾构掘进时将底部沉积大粒径土渣刮入土仓。周边刮刀结构形式如图6(d)所示。

南京纬七路长江隧道盾构既有刀盘刀具在部分断面砾砂层中掘进约270 m时出现刀盘及周边刀严重磨损、刀具合金大面积脱落失效等现象，并且先行刀刀头整个上部完全磨损，根据堆焊痕迹可估计磨损约90 mm，剩余高度约165 mm，低于刮刀高度，完全失效。由此可知，16把先行刀的数目过少，不符合等磨损刀具布置原则。

图6 各类盾构刀具结构形式(单位:mm)

根据等磨损和刀具切削协同作用原则，贝型先行刀的间距应取为其厚度的6倍。根据目前先行刀常规设计厚度，对应间距可取为300～400 mm，同时根据国内砂卵石地层先行刀设计应用工程经验，先行刀与刮刀高差建议取为40～50 mm。这些建议在南京地铁10号线和3号线的盾构刀盘刀具配置中得到了应用。

4 结论

1)盾构刀具布置中，不仅要遵循几何对称和力学对称原则，而且要遵循等磨损原则，注意不同刀具之间的协同作用。

2)针对砂卵石地层，正面刮刀(切削刀)和贝型先行刀的组合方式，辅以其他刀具，是刀具布置的较好选择。

3)正面刮刀(切削刀)和贝型先行刀的组合中，贝型先行刀的布置间距和贝型先行刀与刮刀高差取值是刀具布置成败的关键。

［1］王梦恕．我国地下铁道施工方法综述与展望［J］．地下空间，1998，18(2):98-103．

［2］王梦恕，施仲衡，刘建航．地下隧道工程装备国产化发展研究报告［R］．北京:北京交通大学，2007．

［3］陈国盛．阿基米德螺旋线在盾构技术中的应用［J］．重工与起重技术，2006(2):18-20．

［4］闫玉茹，黄宏伟，程知言，等．盾构切削刀具的布置规律及优化研究［J］．隧道建设，2010(5):508-512．

［5］黄清飞．砂卵石地层盾构刀盘刀具与土相互作用及其选型设计研究［D］．北京:北京交通大学，2010．

U455.43

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．28

1003-1995(2013)04-0091-03

2012-07-23;

2013-01-16

国家自然科学基金项目(51178027)

张士龙(1979— )，男，安徽泗县人，工程师。

(责任审编 李付军)