砂卵石地层微型土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究

聂 瑞，赵海峰，王学科，王世杰

（1.沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870；2.北方重工集团全断面掘进机国家重点实验室，沈阳 110141）

0 引言

当今城市地铁发达，地下管线密集，对地下管道的挖掘施工要求很高，促使着盾构设备朝着微型化的方向发展。行业内通常把直径小于3m的盾构机称为微型盾构机，其施工基地紧凑，开挖直径小，可满足长距离、任意半径施工要求。同时还能平衡地下水、土压力，控制地表隆起和沉降，并可以实现曲线半径为10m的锐曲线施工[1]，能够有效地利用城市狭窄的空间。

盾构机的选型取决于地质条件，土压平衡盾构机能满足砂卵石地层隧道施工的需要[2]。刀盘是土压平衡盾构机的关键部件，刀盘的开口率影响出土率和刀盘前后的压差，合适的刀盘开口率有助于保持掘进工作面的稳定性[3～5]；刀盘刀具类型、数量及合理布置决定着盾构设备的破岩能力，直接影响刀具使用寿命、盾构设备的掘进速度和掘进距离[6～8]。

目前国内很多学者对盾构机刀盘的设计进行了大量的研究，但是对微型盾构机刀盘的研究甚少。国内厂家生产的微型刀盘一般会将大中型刀盘等比例缩小，这样设计出的刀盘其选择的刀具类型、数量及布置方法并不合理，而且缺乏对地质状况的分析，不利于整个盾构工程的安全性、经济性和工作效率，因此，对微型土压平衡盾构机刀具选择与布置的研究具有十分重要的理论和实践意义。本文结合北京某地段的地貌特征，重点在刀具的选择、布置等方面进行了系统的研究，以得到一些对微型土压平衡盾构机刀盘设计有意义的理论方法，为微型刀盘设计提供可靠的理论依据。

1 刀具的选择

1.1 地质条件

本文以北京某地段地质条件为例，进行微型土压平衡盾构机刀盘的布置。该地段地层主要由无水砂卵石和有水砂卵石地层组成，一般粒径为20mm～120mm，卵石含量为50%～95%，大于200mm的漂石含量为15%～45%，充填物为粗砂和中砂，含沙量约为40%，土体流塑性差、渗透系数大、内摩擦角较大[9,10]。如图1所示。

图1 北京砂卵石地层

1.2 刀具的选型与选材

刀具的选型要求满足砂卵石地层的基本特点。目前，按照切削原理可将盾构刀具分为滚刀和切削刀两种类型。就砂卵石地层而言，因其土体松散，若采用滚刀在其掘进挤压下会产生较大变形，降低了滚刀的切削效果，严重时甚至会使滚刀丧失切削破碎的能力。而切削刀适用于软土地层，对称布置在辐条两侧，可以很容易的切削、剥离土体，其切削原理是在刀盘转动下，切削刀随刀盘旋转对开挖土体产生轴向剪切力和径向切削力，通过刀刃和刀头部分插入到地层内部，像犁子犁地一样切削地层。

由于微型土压平衡盾构机尺寸较小，因此考虑不采用中心鱼尾刀，为改善中心部位的切削和搅拌效果，在中心位置布置若干把切削刀以达到切削中心部分土体和改善中心土体流动性的目的。

超前刀，也称先行刀，与主切削刀组合协同工作，可在主切削刀切削土体之前先行切削土体，可显著增加切削土体的流动性，降低切削扭矩，提高刀具的切削效率。其超前于切刀的布置，还可以避免切刀先切削到砾石，起到保护切刀的作用。在松散体地层，尤其是砂卵石地层和钙质结核地层，先行刀的使用效果十分明显。图2为主切削刀与先行刀协同切削土体示意图。

图2 主切削刀与超前刀协同切削土体

盘圈贝形刀，布置在刀盘盘圈前端面，在盾构机掘进时插入地层，专用于切削砂卵石。实际上盘圈贝形刀属于一种超前刀，可较好的解决盾构机切削砂卵石的难题[11]。

周边刮刀，安装在盾构机刀盘的最外圈，主要用于清除边缘的开挖土渣，能够有效防治渣土的沉积，确保开挖直径，防止刀盘外缘的间接磨损。如图3所示。

图3 周边刮刀

在北京砂卵石地层中，微型土压平衡盾构机刀盘刀具选用切削刀、先行刀、盘圈贝形刀与周边刮刀的组合。

根据地质特点，对刀具进行选材，刀头材质采用真空烧制的E-3类钢材，采用超硬重型刀，刀具背面实施硬化堆焊耐磨材料，可采用碳化钨或高铬堆焊焊条，堆焊层硬度宜高于HRC60。

2 刀具布置原理

从几何学角度出发，盾构机刀盘刀具的布置主要有两种方法，即同心圆布置法和阿基米德螺旋线布置法[12]，后者能保证盾构机的全断面开挖，刀具对称地分散布置在与阿基米德螺旋线相交的条幅两侧，以满足盾构机正、反两个方向回转的要求，从而达到布局、结构和负载的最优设计。微型土压平衡盾构机刀盘刀具的布置同样采用阿基米德螺旋线布置法。

微型土压平衡盾构机受尺寸所限机舱内空间较小，不利于刀具的更换，因此就要求刀具尽可能同时报废，避免中途换刀，即满足刀具磨损等寿命原则。为使整个刀盘上的刀具磨损量趋于一致，可通过调整不同半径上的磨耗系数，从而达到刀具寿命相等的目的[13]。

经过大量工程实践验证，通常盾构机刀盘外圈刀具的磨损量计算公式为：

式中：δ为磨损量，mm；

k为磨耗系数，mm/km；

R为盾构刀盘半径，m；

L为掘进距离，m；

N为刀盘转动速度，r/min；

v为掘进速度，cm/min。

式(1)只能计算单把刀具的磨损量，当刀具数量发生改变时，磨耗系数也随之变化，引入实际磨耗系数Kn参考日本某公司施工实际推算[14]有：

式中：n为1条轨迹配置刀具数量；

Kn为1条轨迹配置n把刀具的磨耗系数；

K为1条轨迹配置1把刀具的磨耗系数。

为了确定刀具安装半径，将盾构刀盘外圈半径转化为刀具安装半径：

根据刀具的等寿命原则，刀具的安装半径应满足以下关系：

其中R1为采用单螺旋线布置时刀具安装半径，即一条轨迹布置一把刀具；R2采用双螺旋线布置时刀具安装半径，即一条轨迹布置两把刀具；以此类推。

从土压平衡盾构机磨耗系数表（如表1所示），可知E-3类刚才在沙砾地层中掘进磨耗系数为12.5×103～22.5×103mm/km，取磨耗系数为：15×103mm/km，将其与最大磨损量[]δ、掘进参数同时带入式(6)中，得到临界磨损系数[e]=2.13。

表1 土压平衡盾构机磨损系数表

以临界磨损系数[e]为纵坐标，刀具安装半径R为横坐标，刀具数目n为变量，可以得到磨损系数图，如图4所示。

图4 刀具磨损系数图

根据等寿命原则，通过图4可得到不同切削半径所需的最少螺旋线数目，如表2所示，进而计算出所需的最少刀具数量。

表2 不同切削半径所需螺旋线数

可以看出随着切削半径的增大所需的螺旋线数目不断增多，即布置刀具的数量不断增大，这是由于虽然刀盘旋转时刀具的角速度相同，但刀具的线速度不同，并且刀具的线速度随着切削半径的增大逐渐增大，刀具磨损量增加，此时需要配置更多的刀具以满足等寿命原则。由于微型土压平衡盾构机直径小于3m，即刀具的切削半径小于1.5m，所以其刀具采用阿基米德单螺旋线布置。

3 刀具的布置

3.1 切削刀的布置

由于该微型土压平衡盾构机在中心位置使用切削刀，取中心切削刀作用范围的直径为l=980mm，带入其他施工参数，得出微型土压平衡盾构机参数表：

表3 微型土压平衡盾构机参数表

根据式(7)可算出盾构机单方向回转所需的最少主切削刀数量：

经计算得N=15.1取N0=16，由于盾构机在掘进过程中刀盘左右旋转，切削刀对称布置在条幅左右两侧，以此切削刀数量为单方向的2倍，即最少切削刀数量为32。

主切削刀与中心切削刀的重叠量可根据式(8)算出，c=58.5mm；

至此可算出阿基米德螺旋线布置曲线的极轴初始值ρ0=464；

图5 刀具单螺旋线布置曲线

该微型土压平衡盾构机主切削刀采用阿基米德单螺旋线布置，即单回转方向上不同切削半径只需要配置一把主切削刀，对称布置于3跟条幅两侧。

中心切削刀的主要作用是切削和搅拌中心部分的土体，改善中心土体的流动性，在布置曲线初始值关于极轴对称的位置布置4组8把中心刀即可达到这一目的。切削刀具体布置位置，如图6所示。

图6 切削刀单螺旋线布置图

由此可知，直径为3m的微型土压平衡盾构机，在砂卵石地层中，刀盘布置切削刀数量为38把，大于满足盾构机回转所需的最少主切削刀数量32把。

3.2 先行刀的布置

3.2.1 先行刀的布置曲线

先行刀与主切削刀协同工作，在主切削刀前先行切削土体，要求先行刀与主切削刀按照同样的阿基米德螺旋线布置以达到相同的布置轨迹。因此，主切削刀对称的布置在与阿基米德螺旋线相交的条幅两侧，而先行刀布置在与螺旋线相交的条幅中间，如图7所示。

图7 先行刀布置图

3.2.2 先行刀的超前量

在盾构机的掘进过程中先行刀除具有切削土体的作用外，还具有提高切削土体流动性的作用，因此合理选择先行刀的超前量能够减缓对主切削刀的磨损，增加主切削刀的寿命，对延长掘进起到至关重要的作用[15]。

先行刀的超前量应适中，超前量过大时虽然对地层的切削性较好，但不利于开挖面的稳定；反之，较小的超前量虽然切削性差，但是对开挖面的扰动小，有利于开挖面的稳定。NFM公司的先行刀超前主切削刀10mm～15mm，IHI的贝型先行刀超前主切削刀50mm[16]，通过对现场使用情况的调查，发现NFM公司的先行刀布置并不合理，超前量较小，导致先行刀磨损较为严重时，无法起到先行切削土体的作用，相当于没有改善土体流动性能力的主切削刀直接切削土体，这对刀盘的损害很大。

结合微型土压平衡盾构机开挖面直径较小这一特点，选取先行刀超前主切削刀的超前量为30mm。

3.2.3 盘圈贝型刀的布置

盘圈贝型刀安装在辐条式刀盘前端面，用于松动、切削砂卵石，为更好的配合主切削刀，将其对称的布置于刀盘前端面的辐条两侧，具体位置如图9所示。

图8 盘圈贝型刀布置图

综上所述，直径为3m的微型土压平衡盾构机，在砂卵石地层中，刀盘布置先行刀的数量为15把，盘圈贝型刀的数量为6把，先行刀超前主切削刀的超前量为30mm。

3.3 周边刮刀的布置

周边刮刀安装在刀盘外圈，在其迎土面钎焊有硬质合金球齿，主要用于承受沙砾、卵石的磨粒磨损与冲击。周边刮刀的主要作用是确保刀盘开挖直径，防止刀盘外缘的间接磨损，而微型盾构机的开挖面较小，因此不宜选择过多的周边刮刀，其数量与具体布置位置如图9所示。

图9 周边刮刀布置图

如图所示，该微型土压平衡盾构机共布置周边刮刀6把。

4 刀盘力学分析

按照刀盘的实际尺寸，以mm为单位，建立了微型土压平衡盾构机刀盘模型，如图10所示。

通过计算与分析得出了盾构机在砂卵石地层启动、掘进时刀盘的载荷。其中，微型盾构机额定扭矩700kN.m，许用应力192MPa。

表4 刀盘各工况载荷

4.1 刀盘正常掘进工况分析

刀盘正常掘进工况下的应力云图如图11所示，从图中看出，刀盘正面受力均匀，最大应力35MPa，整个刀盘最大应力集中于刀盘辐条背面板与云腿连接处为115.5MPa。刀盘所用材料的屈服极限345MPa，屈服安全系数1.8，最大应力为115.5MPa，远远小于许用应力192MPa，由此可见正常工况下满足强度要求。

图11 正常工况下刀盘应力应变图

图11(c)为刀盘在正常工况下刀盘综合位移变形图，从图中看出最大位移出现在刀盘边缘的位置，最大值为1.13mm。通过分析刀盘应力图和位移图可知，在刀盘正常工作状态下，刀盘整体上应力分布均匀，位移最大值在允许范围内，满足设计要求。

4.2 刀盘启动脱困工况分析

刀盘在静扭脱困工况下应力云图如图12(a)、12(b)所示。由图可知，最大应力出现在云腿与法兰连接处，大小为109MPa；刀盘结构综合位移云图如12(c)所示，面板边缘有最大位移为1.07mm；综合来看，刀盘在静扭脱困工况下刀盘受力状况均匀，变形较小，满足设计要求。

图12 静扭脱困工况下刀盘应力应变图

5 结论

1）针对某北京地下某段砂卵石地层地质特征，对微型土压平衡盾构机刀盘刀具进行了选材，并确定了切削刀、先行刀、盘圈贝形刀与周边刮刀的组合形式。

2）依据刀具磨损的等寿命原则和阿基米德螺旋线布置法得到了刀具布置的几何规律，并确定了阿基米德螺旋线的具体表达式和所需数目。

3）根据微型土压平衡盾构机的主要参数和阿基米德螺旋线的具体表达式，确定了切削刀的布置位置和具体数量为38把。根据主切削刀的位置和先行刀的布置理论得出先行刀的布置位置和具体数量为15把，盘圈贝形刀6把，先行刀超前切削刀的超前量为30mm。并布置周边刮刀6把。

4）对刀盘进行有限元建模，对该刀盘的正常掘进和启动脱困工况进行有限元计算，分析不同工况下刀盘的强度，结果表明刀盘受力与变形状况良好，满足设计要求。

[1] 张文.微型土压平衡盾构螺旋输送机数值分析及优化研究[D]. 沈阳：沈阳工业大学,2014.

[2] 乐贵平.浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型[J].现代隧道技术,2003,40(3)：14-30.

[3] 王洪新.土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究[J].土木工程学报,2010,(03)：88-92.

[4] 刘建琴,郭伟,黄丙庆.土压平衡盾构刀盘开口率与刀盘前后压差的关系[J].天津大学学报,2011,(08)：659-664.

[5] Pierre Chambon, Jean-Franois Corte. Shallow tunnels in cohesionless of soil Stability tunnel face[J].Journal of Geotechnical Engineering,1994,120：1148-1165.

[6] 管会生,高波.盾构切削刀具寿命的计算[J].工程机械,2006(1)：25-28.

[7] 蒲毅.盾构掘进机刀具运动特性及布局研究[D].天津：天津大学,2012.

[8] Sonwdon, R.A., M.D.Ryley. A study of disc cutters in anisotropic rock[J]. Int.J.Rock Min.Sci.&Geomech,Abstr,1983,20(5)：110-121.

[9] 江华,江玉生,张晋勋,等.北京地铁砂卵石地层土压平衡盾构施工刀盘扭矩研究[J].中国铁道科学,2013,34(03)：59-65.

[10] 蒲晓波,王模公,吴文彬.国内典型砂卵石地层土压平衡盾构设计改进及应用[J].隧道建设,2013,33(11)：972-976.

[11] 宋克志,袁大军,王梦恕.隧道掘进机常用切割刀具应用分析[J]. 建筑机械,2006(11)：72-75.

[12] 蒲毅,裴瑞英,等.土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究[J].机械工程学报,2011,47(15)：161-168.

[13] 宋克志,潘爱国.盾构刮刀锯的工作原理分析[J].建筑机械,2007,(02)：74-76.

[14] 胡显鹏.刀具磨损[D].北京：北京交通大学,2006.

[15] 张国京.北京地区土压式盾构刀具的适应性分析[J].市政技术,2005,23(1)：9-14.

[16] 付飞达,姚平,张岚,等.沈阳地区盾构机刀盘的研究[J].科技传播,2012(7)：53-57.