盾构刀盘结构及刀具型式对盾构掘进性能的影响研究

张洪涛

（中建交通建设集团有限公司，北京 100042）

盾构刀盘结构及刀具型式对盾构掘进性能的影响研究

张洪涛

（中建交通建设集团有限公司，北京 100042）

盾构刀盘是盾构中最主要的掘进部件，针对不同地质条件选择不同的刀盘结构及刀具型式是盾构选型的关键。刀盘开口率、刀具型式及刀具的配置直接影响盾构施工掘进的效率。文章通过对土压平衡盾构和泥水平衡盾构在刀盘开口率、刀具型式及刀具布置等方面深入分析，探讨其对盾构整体掘进性能的影响。

盾构；刀盘开口率；刀盘结构；刀具型式

盾构法施工因其在施工速度、安全等方面具有明显的优越性，盾构应用的区域和领域不断扩大。针对不同区域地层、地质的特点，盾构刀盘需采取针对性的设计。盾构刀盘通过其上不同的刀具组合以及不同类型的土体改良材料，可以将掌子面土体切削下来，刮入土仓内，后通过螺旋机、皮带输送机运至渣土车内。刀盘必须具备开挖土体、稳定掌子面土压力、土体搅拌的功能，因此，在刀盘设计阶段要结合施工地层的特点综合考虑、统筹兼顾，以求达到最佳的掘进效果。

1 刀盘结构型式及特点

盾构刀盘主要由刀盘焊接结构件、刀具、辅助材料喷射装置、搅拌翼、表面耐磨材料等组成，设计时依据各个地层特点对各组成部分进行针对性设计。盾构刀盘按结构型式可分为辐条式、面板式和辐板式。辐条式刀盘的特点是刀盘结构由辐条组成，开口率较大，刮刀和先行刀均安装在箱型或者圆柱型的辐条上（图1）；面板式刀盘的特点是刀盘结构由面板组成，开口率较小，且面板上布置有主切削刀（滚刀或者撕裂刀），同时辐条上布置有切削刀和刮刀（图2）；辐板式刀盘最显著的特点是刀盘上同时有辐条、面板，但面板上无主切削刀（图3），仅作为封板起到增强刀盘结构，降低开口率的作用。

图1 辐条式刀盘

图2 面板式刀盘

图3 辐板式刀盘

从以上刀具装配位置和刀盘结构本身可以看出辐板式刀盘是介于辐条式刀盘和面板式刀盘的一种中间结构型式，其中，土压平衡盾构因施工地层地质条件范围广，可能在同一断面内存在几种地质条件，因此，在设计刀盘时 3 种结构型式的刀盘均有；泥水平衡盾构施工地层一般渗透系数较大，在富水砂层、粉细砂层及砂卵石地层稳定性较差，因此，刀盘结构通常设计为面板式或者辐板式。

2 刀盘开口率

2.1 开口率设计

刀盘开口率指刀盘开口区域面积与刀盘总面积的比值。刀盘开口率的大小主要取决于地层特点，地层内颗粒的粒径尺寸、地层的稳定性。开口率的形状尺寸以及开口位置直接决定了土体的流动性，掘进效率。目前，典型的几种地质条件为淤泥质土、黏土、砂层、砂卵石地层，全、中、微风化岩层，以及几种地质条件的混合形成的复合地层。其中，以淤泥质土、黏土、砂层地质为代表的地层多选择辐板式结构，刀盘开口率为 30%～45%，但以黏土和砂层为代表的地层亦可选择辐条式刀盘，开口率超过 50%；以砂卵石地层、全、中、微风化岩层为代表的地层多装配滚刀，刀盘开口率通常为 30% ～40%。

2.2 土压平衡盾构刀盘开口率设计

土压平衡盾构在施工硬岩层或者复合地层时，刀盘需要布置大量滚刀进行破岩，刀盘结构常为辐板式结构，因此开口率较小，根据具体地质条件、粒径尺寸等，开口率一般为 10%～40%。在均一性较好的软土地层，比如砂层、黏土层刀盘可设计成辐条式（图4）和辐板式（图5），纯辐条式刀盘开口率可高达 75%。

图4 石川岛辐条刀盘

图5 石川岛辐板刀盘

表1 辐条式刀盘与辐板式刀盘对比表

表1 给出了日本石川岛盾构 2 种型式刀盘的特点，由表1 对比可以看出两者的优缺点：辐条式刀盘开口率较大，土体易于进入土仓，这加剧了土体对土仓隔板的磨损，因此，在设计制造阶段需提高土仓的耐磨性；辐板式刀盘在遇到掘进断面内黏土较多，土体流动性差易结泥饼的地层，刀盘因开口率较小，造成切削的土体难以顺利进入土仓，使得刀具和刀盘的磨损加剧，施工效率降低。因此，刀盘结构发生调整时，相应配套的系统如搅拌装置、土体改良喷射装置以及土仓的耐磨性亦需要根据刀盘结构的变化需求进行调整。

为了提高辐板式刀盘的适应性，使该型刀盘面板大小、数量可调整，有效提高刀盘的适应性和掘进效率，在设计该型刀盘时可按照纯辐条式进行结构强度、刚度的设计，这样在面板调整时不影响刀盘的整体强度，但可以改善刀盘的其他掘进指标，提升掘进效率。如，在北京、沈阳等地区的黏土、砂质黏土地层施工时，取消面板，做为辐条式刀盘。在上海淤泥质地层或含水量较高的砂层、砂卵石地层施工时，需加装面板，做为辐板式刀盘。同一个刀盘通过面板数量、大小的调整，使该型刀盘在兼顾特定地层的适应性的基础上，提升了设备的通用性和掘进效率。

2.3 泥水盾构刀盘开口率设计

地层渗透系数是盾构机选型中一个很重要的指标。当地层的透水系数大于 1×10-4m/s 时，宜选用泥水盾构；当地层的透水系数小于1×10-7m/s 时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在1×10-7m/s ～1×10-8m/s 之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构。因此，在富水砂层、粉细砂层及砂卵石地层等渗透系数高及地层稳定性差的地层，常选用泥水盾构，其刀盘结构通常设计为面板式，开口率通常取 10%～30%。

泥水盾构刀盘的开口率、开口尺寸以及开口位置的布置均是选型的关键，需统筹考虑。泥水盾构刀盘的开口亦可参照土压盾构刀盘的结构设计，在自稳性好、粒径可控地层，为提高掘进效率，可适当提高刀盘的开口率。以日本三菱泥水盾构刀盘为例（图6），该刀盘为面板式结构，是典型 6 辐条加 6 面板结构，面板上布有可互换的滚刀和先行刀。该型刀盘每个面板两侧均有 1 个三角翼板，共计 12 个，12 个三角翼中除 3 个位置焊接有主动搅拌翼外，其余 9 个可自行增减。面板两侧的肋板直接与刀盘外周焊接，两侧翼板不作为受力结构件，可以任意增减，且其增减的尺寸可在主肋板外的区域自行决定。在泥水平衡盾构中，通过翼板尺寸和数量的调整，可在一定范围内控制进入泥水仓内的粒径。包含全部翼板的开口率为 30%，去掉 9 块翼板后开口率调整为 34%（图7，改进后面板式刀盘），因此，在施工过程中可根据地层的实际情况，灵活调整三角块数量，调整刀盘开口率，改变掘进效率。

图6 泥水盾构面板式刀盘

图7 改进后面板式刀盘

3 刀具选型及刀具布置

3.1 刀具的主要功能

刀具主要功能是通过不同刀具的组合实现高效切削掌子面的土体，并将切削下来的土体及时收纳到土仓内。在整个工作过程中需具有有效降低对刀盘结构的磨损和保持刀盘开挖直径的功能。同一种结构型式的刀盘可以选择不同的刀具型式和刀具配置方案，最后达到刀盘结构和刀具型式两方面的完美结合。刀具型式可根据运动方式、布置位置和形状等进行分类，按刀具结构划分，一般分为刀圈系列、滚刀系列和焊接刀系列 3类；按切削原理划分，一般分为滚刀和切削刀 2 类。刀具选型根据以淤泥质、黏土、砂层为代表的软土地层和以全、中、微风化为代表的岩层两者土体开挖原理的差异性，分为以先行刀切削土体和以滚刀破岩为主的两大体系，结合地层实际情况和多种地层的混合情况，刀具选型配置上常兼具两者混合使用。

3.2 先行刀切削体系

先行刀切削体系下，主要配置切削作用的先行刀和铲土作用的刮刀。具体工作原理是先行刀先行切削掌子面土体，将土体切分成块并疏松，刮刀随后将松动的土体收入土仓内。该型方式一般适用于粒径小于 400 mm的砂卵石、黏土、淤泥质地层。先行刀切削体系中刀具主要有齿刀、刮刀和先行刀，每种刀具根据地质特点分为不同的结构型式和安装型式，通过不同类型的刀具从结构型式、安装型式、刀具尺寸、高差等方面协同一致的配合可取得最佳的掘进效果。

日本石川岛辐条式刀盘即为先行刀切削体系（图8）刀具配置。刀盘上配置鱼尾刀、周边先行刀、先行刀、刮刀以及外周保径刀和超挖刀，在刀盘旋转过程中，鱼尾刀处于刀盘的中心，高于其他的先行刀，起到先行切削土体从而形成自中心向外延伸的同心圆。同时，位于最外侧的周边先行刀亦先行切削土体，通过两者先行切削土体，使刀盘开挖直径内的原状土体与外界土体隔离，从而大大降低了其他先行刀切削过程中的摩擦力，起到降低刀盘扭矩和减少先行刀磨损的重要作用，因此，在配置先行刀时需重点考虑先行刀的结构形式、装配形式、耐磨性、耐冲击能力。刮刀的主要作用是将梳松的土体及时收入土仓内，减少对刀盘的二次磨损，在设计时需根据地层确定合金尺寸、焊接工艺、装配型式。

3.3 滚刀破岩切削体系

在滚刀破岩切削体系下，主要配置刮刀、滚刀，其中滚刀的重要作用是碾压破岩。在刀具配置过程中刀具高差设计、滚刀的间距是破岩的关键，两者是影响掘进效率的主要因素。安装在刀盘上的滚刀在推进油缸的作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。滚刀在刀盘的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圆沟槽。当推力超过岩石的强度时，滚刀刀尖下的岩石直接破碎，刀尖贯入岩石，形成压碎区和放射状裂纹；进一步加压，当滚刀间距满足一定条件时，相邻滚刀间岩石内裂纹延伸并相互贯通，形成岩石碎片而崩落，滚刀完成一次破岩过程（图9）。滚刀刀圈的材质、型式、性能直接关系到刀具的破岩能力。

3.4 刀具耐磨性

先行刀切削体系和滚刀破岩切削体系均需考虑增强刀具的耐磨性，其中先行刀切削体系下主要通过合金尺寸、形状、本身性能增强其耐磨性，在刀体母材上覆盖耐磨层。滚刀破岩体系下和滚刀耐磨性的增强主要通过刀圈的材质、刀圈的结构形式和刀具上敷焊耐磨层的硬度。

图8 先行刀切削体系

图9 滚刀破岩机理

4 刀盘耐磨性

刀盘的耐磨性主要是刀盘结构材质的耐磨性和刀盘覆盖耐磨材料的耐磨性，目前，国内盾构刀盘一般选材为 Q345B，部分厂家采用 Q690 等高强度板材，刀盘结构选材主要考虑材料的经济性、可焊性和强度要求。刀盘覆盖耐磨材料主要是用在刀盘正面和侧面，目前，主流为 hadox 耐磨板、信铬钢、耐磨焊条堆焊等，根据实际使用效果，信铬钢的耐磨性最好，能有效保护刀盘正面，延长刀盘使用寿命。刀盘外周耐磨性能对保护刀盘至关重要，为提高刀盘外周的耐磨性，一方面设计外周保护刀，另一方提升耐磨材料及其安装型式，根据实际使用效果，外周焊接圆周方向镶嵌碳化物合金的刀具和信铬钢，耐磨效果和经济效果最佳。

5 结束语

盾构刀盘是影响掘进效率的关键，刀盘结构形式、开口率、刀具选型及配置方案、耐磨措施均需统筹考虑，协同一致，才能最大限度发挥刀盘的性能。通过在设计阶段的优化，可以提高刀盘在使用过程中的通用性，提高掘进效率，降低施工成本。

［1］ 李建斌.浅谈盾构刀盘的设计与应用［J］.建筑机械化， 2006（3）.

［2］ 宋克志，王梦恕.浅谈隧道施工盾构机的选型［J］.铁道建筑，2004（8）.

［3］ 李凤远.盾构选型和关键参数选择探讨［J］.建筑机械化，2008（8）.

［4］ 竺维彬，鞠世健.广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究［M］.广东广州：暨南大学出版社，2007.

［5］ 郭信君.南京长江隧道盾构机选型探讨［J］.现代交通技术，2008（4）.

责任编辑 朱开明

Study on Impact of Shield Cutter Head Structure and Cutting Tool Type on Shield Tunneling Performance

Zhang Hongtao

Shield cutter head is the most important part of the shield.In view of the different geological conditions， it is the key to select the structure of the cutter head and the cutter type.The opening percentage of the cutter head， the cutter type and the confi guration of the cutter directly have infl uence on the effi ciency of shield tunneling.The paper makes a further analysis on the soil pressure balance shield and slurry balance shield on the opening percentage of cutter head， cutter type and cutter layout， etc.and its influence on the advance performances of the complete shield is discussed.

shield， cutter head opening percentage，cutter head structure， cutter tool type

U455.43

张洪涛（1978—），男，高级工程师

2016-01-14