天津地铁盾构刀盘分析及设计※

唐欢

（株洲硬质合金集团有限公司，湖南 株洲，412000）

1 引言

盾构施工具有机械化程度高、 施工速度高、安全性高等优点，被广泛应用于地铁、隧道、水电等重大工程[1]。盾构机是衡量一个国家装备制造业水平和能力高低的关键装备之一，而盾构刀盘及刀具作为隧道掘进机的关键配套工具，其性能和寿命制约着整个工程的掘进效率及施工成本。针对不同地质选择不同类型的盾构机，同时针对性配套与之相适应的刀具，确保工程顺利进行，是盾构施工行业需重点研究的一大课题。随着国内地铁建设的风起云涌，一台盾构机完成一个项目的施工，还需转场到另一工地继续工作，这样跨区域调用盾构机施工，势必带来较大的适应性风险，需要做好论证后再做针对性改造，以确保盾构机满足新项目施工要求。

2 工程及盾构机简介

2.1 工程简介

天津地铁5、6 号线宾馆西路站～行政中心站区间为5、6 号线并行段，位于天津市宾水道，起点位于卫津河西侧，沿宾水道地下由西向东延伸，终点位于宾馆西路东侧。场地范围内主要为市政道路，地形平坦。区间沿线下穿卫津河、紫金山路、宾馆西路等市政道路。

拟建5 号线区间起点里程为CK 25+984.900，区间终点里程为WCK 26+751.573，区间长度约为766.673 m。拟建6 号线区间起点里程CK 29+332.500，区间终点里程为CK 30+142.800，区间长度约为810.3 m。区间分左线和右线，左线和右线分别形成圆形隧道，隧道结构外径6.2 m。

盾构开挖范围内的土层主要是粉土层、粉质粘土层、淤泥质粉质粘土层及粉砂层。粉质粘土层的粘粒含量较高，详细地质情况如表1 所示。

表1 各区段地质分布表

2.2 施工风险分析及应对

盾构在该地层掘进施工风险及应对如下：

（1）粘性土地层中盾构施工容易结泥饼[2]，影响盾构的掘进效率。建议添加泡沫、泥浆等添加剂改善土体的流动性，防止渣土结泥饼。同时盾构施工中注意及时给刀盘降温，防止渣土因温度过高而发生板结。

（2）场地内地下水丰富，施工中易造成螺旋输送机产生涌水及涌泥现象，应时刻注意盾构机的密封情况，通过注入泡沫和渣土改良剂来提高出土粘粒含量，同时注意控制螺旋输送机的转速和土仓压力以防止喷涌现象的产生。

（3） 结构顶板所处土层的围岩分级均为Ⅵ级，自稳能力差，很难形成自然拱，易坍落；盾构法施工对该层土体的扰动很容易造成土体的力学强度急剧下降[3]，进而造成地表塌陷。应注意控制好掘进参数，注意采用小转速、小扭矩掘进，同时减少对围岩的扰动，并及时做好注浆和二次注浆。

（4）结构底板所处土层为粉质粘土，地层承载能力较差，施工时需做好姿态控制，防止盾构机出现下沉现象。可通过调整各千斤顶的推力，达到调整盾构机姿态的目的。但调整不可过猛，需循序渐进，防止盾构管片出现错台现象。

2.3 盾构机及刀具简介

工程拟采用两台φ6420 mm 三菱土压平衡式盾构机在深覆土区间（M5 和M6 下行线）进行掘进，盾构机参数如表2 所示。

表2 盾构机参数表

盾构机图片如图1 所示。该刀盘为复合刀盘，图1a 为出厂时的盾构刀盘及刀具图，图1b为多次使用拆掉刀具后的刀盘图。

图1 盾构机照片

刀盘结构示意图见图2。

图2 盾构机刀盘图

从刀盘图上可以看出原刀盘刀具配置，具体参数见表3。盾构机刀具图见图3。

表3 原盾构刀具配置表

3 盾构适应性分析

该盾构原用于岩性地层掘进，现需将该设备用于天津软土地层掘进，需做好盾构适应性分析，以确保盾构机在该地质下能顺利掘进。

（一）盾构机类型

盾构机主要有两种类型：土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机[4]。选型的两个重要因素是：

（1）地层渗透系数

（2）土壤颗粒大小

根据天津地层渗透系数小于1×10－7m/s，土壤颗粒较小两个因素，加上土压平衡盾构机占地面积小，渣土处理成本低，选用土压平衡盾构机，经济合理。

（二）盾构机最大推力[5-6]

盾构机推力

F=P·πD2/4

式中 F——总推力

P——单位面积上的经验推力

D——刀盘直径

P 取值范围为700-1200 kN/m2，此处地层较软，取P=800 kN/m2。计算得F=24767 kN

因而盾构机在推力方面能完全满足要求。

（三）盾构扭矩[6]

盾构扭矩T=αD3

式中 T——刀盘总扭矩

D——刀盘外径

α——扭矩系数

此处取α=14，计算得T=3467 kN·m，可以得出盾构机的设计最大扭矩能满足要求。

（四）螺旋输送机最大扭矩[7]

螺旋输送机所需回转扭矩

T=αD3

式中 D——输送机外径

α——扭矩系数

在粘性土及砂性土中取α=100-200，可以得出T=47.5～94.9 kN·m。

由此可见螺旋输送机扭矩符合要求。

（五）盾构开口率

盾构开口率是刀盘面板开口部分与刀盘总面积的比值，刀盘的开口率必须与地质条件、掌子面稳定性相匹配，天津地质为多种土层交错分布，考虑到刀盘开口率过大，会造成刀盘对掌子面支护不够，易导致掌子面垮塌；开口率过低会造成排土困难，渣土积聚在掌子面，会增加对刀盘和刀具的磨损。根据刘建琴等人的研究[8]，土压平衡盾构机刀盘开口率应在30%-50%，原刀盘开口率为40%，基本符合地层掘进要求，在此基础上适当增大刀盘中心的开口率对防止结泥饼更为理想。

（六）刀具适应性分析

原刀盘刀具配置为滚刀、边缘刮刀、正面切刀，刀具搭配是典型的岩层掘进时的刀具配置，原刀盘采用滚刀是为了进行岩石破碎，将完整的岩面分割成若干个同心圆带，此刻滚刀刀圈未经过地方的岩石也由于挤压作用产生了裂纹，结构不再致密，再用刮刀和切刀就可轻松将它刮削下来。

天津地质情况以粉质粘土，粉土为主，为典型的软土地层，岩石单轴抗压强度低，不需要进行岩面的破碎。再者，由于岩层强度低，滚刀在该地层掘进也无法正常转动，应配置软土刀具对土层刮削和扰动，使得掌子面的沙土从掌子面脱离，在切刀和边缘刮刀的刮削作用下进入土仓，最后通过螺旋输送机排出去。这样意味着原来刀盘的刀具配置是不能适应新地层掘进的。

4 刀盘及刀具设计

4.1 盾构刀具设计

（1）刀具中心部位1.6 米直径区域内采用中心鱼尾刀。该中心鱼尾刀设计成可拆卸式，当刀头磨损掉以后，拧开螺栓，更换刀头部分即可，它的高度为最低位置高出刀盘160 mm，最高位置高出刀盘310 mm，鱼尾刀的结构见图4。采用鱼尾刀理由如下：

图4 中心鱼尾刀

①在软土层掘进，地层稳定性差，且土层较为复杂，盾构在掘进过程中极易出现刀盘飘忽不定，姿态调整困难的情况，而中心鱼尾刀可以率先挤入岩面，形成一个锥形定位孔，从而起到一个定心的作用，防止盾构机出现轴线偏移的状况，通过它导引刀盘掘进方向，减少盾构机出现“抬头”或者”磕头”现象。

②粘土层掘进，粘土受热或者挤压，容易出现结泥饼的现象[9]，造成刀盘中心部位出渣口被挡住，进而造成排渣和掘进困难。采用中心鱼尾刀，可以在刀盘中心部位形成对渣土的二次翻转搅动，增加泥土的塑流性，极大减少结泥饼风险。

③将滚刀变成鱼尾刀，刀箱未被滚刀堵住，相当于增加了中心位置的开口率，更便于渣土进入土仓，结泥饼风险更小。

（2）为了确保中心鱼尾刀的效果，在结构上做重大改进，采用部分对称形式：

①增加中心部位的开口率，对中心位置泥土的翻转效果较对称结构更好。

②部分对称，能有效地减小单侧鱼尾刀不对称带来的刀盘受力不均衡状态。

（3）双联中心滚刀改为双刃羊角刀，正面单刃滚刀（最外周三把除外）改为单头羊角刀，它们高出刀盘140 mm，其刀具形式见图5（a）、图5（b）。

相对于撕裂刀，羊角刀采用两头上翘结构，对软土的挂削效果更好。刀头两端采用龟背齿大合金设计，增加了硬质合金刀片的抗崩性。沿用与滚刀一样的楔块连接安装方式，可与滚刀互换。

（4）最外周三把正面单刃滚刀改为单刀毂双刃钎焊硬质合金片滚刀，见图5（f）。

图5 新刀具配置

该项目盾构机掘进涉及到刀盘边缘穿越建筑物桩基的问题，桩基为混凝土结构，单轴抗压强度10-30 MPa，单纯采用硬质合金刀具无法完成破岩，需借助滚刀对混凝土桩进行滚压破碎。

采用双刃焊接硬质合金片滚刀理由如下：

①掌子面绝大部分是软土，仅有外周局部为混凝土桩。普通滚刀在这种情况下易发生偏磨[10]。而单刀毂双刃滚刀的两个刀圈能获得两倍于单刃滚刀的启动力矩，因而它偏磨几率更小，大量工程数据证明滚刀要保证较好的刚性和密封性能，扭矩必须控制在15 N·m 以上，而软土层通常不足以提供如此大的转矩确保滚刀能转动起来。通过将单刃滚刀改为双刃滚刀，掌子面仅需提供单刃滚刀一半的转矩即可保证滚刀正常转动，大大降低了偏磨风险。

②在抗压强度30 兆帕以下的岩层掘进，钎焊硬质合金刀圈能确保本身硬质合金不发生崩裂及脱落现象，同时硬质合金相对于刀圈突出3㎜，这种结构相当于给滚刀刀圈增加了一排“防滑钉”。能确保滚刀压入岩石面的时候，相对掌子面的摩擦系数增大，因此直接增大了滚刀的转矩。对这种以软土为主，地层支撑力较小的地层，采用钎焊硬质合金刀圈，是解决滚刀掘进过程中刀圈弦磨的有效途径。

③相对于普通刀圈而言，钎焊硬质合金片刀圈耐磨性成倍增加，边缘滚刀最大允许磨损量仅为15mm，而通过公式[11]

δ=KπNDL/V

式中 δ——刀具磨损量

K——磨损系数

N——刀盘转速

D——刀具所处的直径

L——表示刀盘掘进距离

V——盾构机掘进速度

可以看出： 边缘位置刀具安装位置半径大，磨损也是最为厉害的，提高边缘位置刀具的耐磨性就等于直接减少了换刀次数，为工程节约了成本。

（5）刀盘边缘位置增设4 把贝壳刀，见图5（c），该刀具高出刀盘130 mm，作用如下：

①加强刀盘外周的耐磨性，保护刀盘外周免遭过度磨损。

②在滚刀无法正常转动的情况下，可以替代滚刀进行边缘位置的切削。

（6） 正面切刀及边缘刮刀维持原来设计，对刀具结构进行强化。原边缘刮刀外周方向焊接硬质合金柱齿进行保护，作为其磨损最大的刀口部位仅仅堆焊一层3-5 mm 的耐磨材料进行保护。新设计边缘刮刀采用三排合金设计 （见图5（d）），刃口部位采用大块合金设计，以增加刀具的耐磨性和抗崩性，同时刮刀背部的两条合金条可起到保护边缘刮刀外径的作用，防止因边缘刮刀外周被过度磨损，造成盾构机出现卡盾的现象； 刃口接近合金部位用耐磨堆焊层进行保护，确保与合金结合的的钢基体不被磨蚀，正面切刀合金分布则由原“U”型结构，改成“L”型结构（见图5（e）），采用这样的大合金设计，刀具抗崩性和耐磨性都明显提高。

4.2 盾构刀盘设计

4.2.1 加强刀盘抗磨性

在刀盘面板大面积裸露表面用悍达耐磨钢板进行保护；其它易磨损位置和进渣口的周围进行网格状耐磨堆焊；在刀盘圆周焊接硬质合金耐磨板；并在刀盘背部焊耐磨钢板（见图6）。

图6 刀盘耐磨保护

4.2.2 刀盘泡沫喷嘴设计

刀盘上布置5 个泡沫喷嘴（见图7），泡沫喷嘴既可以用来喷射膨润土稠泥浆、泡沫，也可以用来喷水。

图7 泡沫喷嘴位置分布

通过喷口喷出喷润土、添加剂、泡沫，可对土仓内的渣土的塑流性进行改良，既可防止渣土板结，还可以增加渣土的流动性，减少对刀盘和刀具的磨损，此外一旦中心位置被堵后，还可通过它喷射清水及分散剂等对刀盘中心位置的泥团进行冲散。泡沫喷嘴采用背装式设计，方便维护维修；泡沫喷嘴上方设有防尘罩，既可防止喷嘴被泥土堵塞，又可防止泡沫喷嘴被磨损和损坏。泡沫喷嘴结构见图8。

图8 泡沫喷嘴结构示意图

4.2.3 螺旋输送机耐磨性设计

由于地层磨损系数大，作为排渣的主要机构的螺旋输送机需要具备较好的耐磨性[12]，它决定着出渣能否顺利进行，现做如下改进（见图9）：

图9 螺旋输送机强化

（1）外周焊接耐磨板，它采用硬质合金结构，焊接在刀盘上，一旦被过度磨损可以用气割的形式拆卸下来。

（2）螺旋叶片上用耐磨堆焊进行保护。

（3）刀盘背面和盾构机主机隔板各设4 根搅拌棒（见图10），其中刀盘背面的搅拌棒为主动搅拌棒，它随着刀盘一起转动，主机隔板上的搅拌棒为被动搅拌棒，不能转动，但它们都能对刀盘背部土仓内的渣土进行搅拌。通过增设搅拌棒，增加土体的流动性，减少刀盘结泥饼概率。搅拌棒一般伸出刀盘后端面约700 mm，形状设计成倒棱锥形，棱边与刀盘切线方向平行，从而减少与泥土间的阻力，防止刀盘的运行扭矩明显增加，搅拌棒用耐磨堆焊进行全方位保护。

图10 搅拌棒设计

（4）刀箱是滚刀和羊角刀的安装座，一但刀箱受到较大冲击出现变形等损伤或者过度磨损，一方面造成新刀具出现安装问题，同时还极有可能造成原刀具出现拆卸不下的问题，给施工带来意外损失。建议在刀箱两侧安装刀箱保护座，它采用Q345 钢材，焊接在刀箱两侧（见图11 标出部分）。

图11 刀箱保护块安装图

（5）中心隔板配备高压冲洗水口，一但中心处结泥饼，通过喷射高压水进行缓解和处理。

盾构刀盘在含泥岩，粘土的地层中掘进，易产生结泥饼现象。刀盘中心位置因为受到开口较小、布刀位置不够、无法布置切刀等因素的影响，对掌子面的切削效果较差，一但高粘性渣土附着在中心位置的刀盘和刀具上，造成中心位置排渣效果减弱，刀盘和刀具磨损加剧。此外掘进过程中产生的热量无法随渣土及时排出，土仓内渣土的温度将越来越高，最终会导致渣土板结，出渣口被完全堵死。配备高压冲洗水口，一但出现结泥饼，可以喷射高压水柱进行冲刷。

5 应用效果

刀盘改造后，一盘刀实现了整条隧道贯通，刀盘出洞后，对刀盘及刀具进行检查，图12 为盾构机出洞后的照片，由照片可以看出，刀具使用正常，刀盘磨损微弱。

图12 珠海号盾构机出洞图

同一条线另外两工地盾构机使用情况见图13。

图13 其它工地盾构机出洞图片

6 结论

针对天津地铁某盾构机掘进项目，从盾构机的类型，推力、扭矩等参数进行分析，以确保设备整体性能配置达到要求，在此基础上对盾构机刀盘及刀具进行优化设计，最终盾构机发挥出了最佳掘进效能。同时也为老盾构机在新项目施工前提供了一种论证方法，该案例的经验是：事先详细勘探好地质状况，再使盾构机及刀盘与地质状况完全匹配，才能发挥盾构机最大的优势，确保掘进顺利。