探讨复合式盾构机刀盘刀具的设计及选型

曾秋勇

（中铁隧道集团三处有限公司，广东 深圳 518000）

1 引言

在当前我国现代化城市的发展过程中，空间集约化促使地下空间的开发规模逐渐增大。作为地下铁路、管线施工的常见手段，盾构施工在地下工程施工中得到了广泛应用。众所周知，我国地域广袤，不少区域存在复合地层，复合式盾构机的应用较为常见。根据盾构施工情况，刀盘刀具的设计与选型直接关系到后期施工效果，因此，相关人员要对此引起重视，以便保障项目施工的顺利开展。

2 项目概况

江西省南昌地铁1 号线是南昌市开通的第一条地铁路线，该项目全长28.843 km，全程24 个车站，是连接南昌市高新区、经开区等区间的重要交通工程。根据该工程项目的建设情况，整体上在红谷滩新区呈现S 形南北走向，在赣江东岸片区呈现东西走向。在项目实施过程中，因为八一广场地段分布着老护城河，地下水源十分丰富，区间隧道主要穿越的地层是砾砂、圆砾层，局部有泥质粉砂岩层，导致盾构机施工姿态难以控制。此外，在赣江隧道秋水广场站至中山西路站盾构区间，总长度高达1 889 m，施工单位在实际施工过程中克服了上软下硬的地质条件，隧道顶部距赣江底部最短距离仅5.2 m以及穿越江底断层带三大难题，创造了国内泥水盾构穿越复合地形实现沉降最小、在泥质粉砂岩层中掘进里程最长的纪录。

3 复合式盾构机刀具的选型与布置

根据南昌地铁1 号线工程地质情况来看，在盾构施工过程中，刀具类型涉及刮刀、中心鱼尾刀、双刃盘形滚刀以及重型撕裂刀等，以下对刀具的选择进行详细论述。

3.1 刀具的选型

3.1.1 刮刀

根据刮刀的布置情况来看，该类型的刀具主要设置在设备辐条上，其作用是减少开挖过程中砾石对设备刀盘面板的磨损程度，确保开挖工作能够顺利开展，保障渣土有序流动，将土体及时刮进土仓中[1]。

3.1.2 中心鱼尾刀

与其他刀具有所不同，中心鱼尾刀在安装过程中通常采取不对称设计，这样在后期开挖过程中能够增强盾构机的破土能力，防止盾构机在应用过程中刀盘面形成泥饼。

3.1.3 双刃盘形滚刀

该类型刀具安装于盾构机刀盘外周，主要是利用圆的外周线速度大这一特点，促使双刃盘形滚刀在应用过程中获得较大的线速度，将土层中的大粒径漂石直接挤碎或切割。此外，还能将土层中较大的鹅卵石直接挤出盾构机的开挖直径范围外，保护盾构机设备外壳，确保开挖工作顺利进行[2]。

3.1.4 重型撕裂刀

针对重型撕裂刀，为提高刀具的耐磨性，其主体遍布多层合金耐磨点，保障刀具在后期应用过程中能够拥有良好的破岩能力。此外，重型撕裂刀在应用过程中还能辅助撕裂刀直接插入地层结构内部，将其破坏。减少盾构机运行过程中刀盘施工时的扭矩。在固定该刀具时，需要选择专门的刀箱设计，并且保障刀箱的固定方向要与滚刀安装结构保持一致，为后期维修保养奠定基础。此外，在应用重型撕裂刀时，其切削轨迹会存在约8°的摆动，这一设计是为保护撕裂刀合金头，避免刀具撞击岩石过程中对合金头造成损害。撕裂刀的安装主要采用螺栓固定方式，以便后期刀具拆卸更换。

3.2 刀具的布置

在本工程案例当中，考虑到项目地质条件等因素，为保障盾构机破岩能力提高，保护刀盘面板，需要以中心鱼尾刀为中心，其他刀具四散排列。在应用刀具过程中，在盾构机面板的圆周轨迹上要安装重型撕裂刀，并且盾构机中心向四周，撕裂刀的排列数量要逐渐增加，以减少后期施工刀具磨损程度。盾构刀具布置情况如图1 所示。

图1 盾构刀具布置情况

3.3 刀具的切削机理与参数选择

3.3.1 切削破岩机理

在盾构机运行过程中，拥有切削破岩功能的刀具主要为切刀，该刀具在应用过程中，刀刃会将开挖面外层岩土分离使其脱落。从运动学角度来看，切刀破岩这一过程主要分为径向、轴向两种手段：（1）径向破岩主要以切向分力为主。要实现这一操作，需要在盾构机刀盘上安装小自传刀盘，以便该设备在后期破土过程中大小刀盘能够实现自转。需要注意的是，这一类型的传动结构较为复杂，因此，尚未在盾构机设备中广泛推广[3]。（2）轴向破岩。盾构机在运行过程中破岩方向与掘进方向保持一致，因此，称其为轴向破颜。在刀盘运行过程中，切刀刀具会随着刀盘的运行于岩土之间形成夹角，在夹角的方向上会出现最大剪应力，若该剪应力超过岩土抗剪强度，那么会直接导致岩土出现裂纹，刀具刀尖部位与岩土的接触区域会形成切削核，最终导致已经形成裂纹的岩土脱离母体，形成松散的渣土。

3.3.2 滚压破岩机理

盘形滚刀在运用过程中会在盾构机设备推力的作用下紧贴岩面，在刀盘旋转运行过程中，滚刀会围绕刀盘中心轴公转，而后围绕自身安装轴自转，这样一来会在设备掌子面上切割出同心圆沟槽。此时，岩石强度若低于滚刀施加的压力，那么岩土会被直接碾碎，刀具刀刃会直接贯穿到岩石当中，导致岩石直接被压碎。这便是盘形滚刀的破岩过程。

3.3.3 刀具参数的选择

通常情况下，在复合式地层中，刀具的选择需要根据隧道直径确定。以盘型滚刀为例，在该项目中，通过分析掘进隧道直径，确定滚刀直径设计约为56.67 cm（17 寸）。此外，滚刀刀间距d，岩石破裂角φ 以及刀刃贯入度h之间存在式（1）所示关系，可以通过式（1）计算盘型滚刀刀间距：

4 复合式盾构机刀盘的设计与选型

有关复合式盾构机刀盘的设计与选型，工作人员首先要明确刀盘设计流程，确定其结构形成与支承方式，选择合适的刀盘材料，保障其刚度与强度。笔者通过以下内容对复合式盾构机刀盘的设计与选型进行详细论述。

4.1 刀盘的综合设计流程

在设计刀盘之前，相关人员需要对该项目的地质条件进行勘测，探究对施工有影响的夹含物，选择相对应的盾构机。随后明确盾构机结构类型、配备刀具类型以及道具数量等。盾构机刀盘设计流程如图2 所示。设计人员要严格按照该设计流程逐项开展设计工作，以便刀盘刀具能够满足项目需求，为后续施工活动顺利开展奠定基础。

图2 盾构机刀盘设计流程

4.2 刀盘结构形式的选择

复合底层盾构机的破岩方式有两种结构，分别为面板型刀盘结构、轮辐式刀盘结构[4]。在本项目中采用轮辐式刀盘结构，切削下来的渣土会通过刀盘开口槽流入土舱。其中，刀盘开口尺寸、形状需要根据开挖面稳定性、地质条件以及挖掘效率等因素决定。此外，刀盘结构前方主要有锥面、平面、球面3 种形状。根据本案例盾构机运行实况来看，球面能够保障盾构机周边刀具作用的开挖轨迹与磨损程度保持一致，适合用于复合地层开挖，因此，在该项目盾构机刀具前方选择球面结构。

4.3 刀盘支承方式

常见刀盘支承方式有3 种：（1）中心支承。根据实际应用情况，此类型支撑结构十分简单，因此，普遍应用于小直径盾构刀盘支承重。因为结构特点，中心支承的盾构机黏质土附着情况较少。需要注意的是，该设备对于大块卵石、渣石的处理较为困难。（2）中间支承。相较于中心支承，其整体结构平衡性较高，因此，应用于中型、大型盾构机中。（3）外圈支承。虽然该结构能够促使盾构机内部形成空间较大，但是因为刀盘外部极易黏附黏土的关系，导致设备运行效率受到影响。根据本项目施工情况来看，盾构机刀盘支承方式选择中间支承结构。

4.4 刀盘结构设计

设计刀盘结构时，首先，要保证在不同荷载作用下，刀盘结构本身具有良好的刚度与强度，以便保障开挖活动有序开展。其次，需要提高刀盘的耐磨性，保障其与围岩接触时不受破坏，以免在盾构机开挖过程中出现过量磨损现象。最后，要在明确开口率的情况下调整盾构机刀盘面板开口位置，以便与刀座安装孔相协调，有助于刀盘动平衡。

根据刀盘结构设计情况，要提高盾构机单盘结构整体强度，需要选择焊接型箱形结构。要促使刀盘整体受力平均，要使用3~4 根梁作为连接结构，该结构不仅受弯，还需要承受扭矩的作用。一般选择Q345 作为刀盘与构件连接结构的材料，以提高刀盘的耐磨性，还需要结合项目施工要求，在设备工作面焊接耐磨影响合金材料。刀盘结构类型为圆盘结构，主要由底板、面板以及肋构成，工作人员在对刀盘结构进行计算时，需要充分考虑支撑梁，将其作为刀盘整体进行设计。

综上所述，在本项目当中，刀盘的构造设计带面板的6 条主辐条与6 条辅助辐条，整个刀盘最大扭矩设计为6 259 kN·m、覆土深度为30 m。

5 结语

综上所述，作为决定盾构机施工质量的重要因素，刀盘刀具的选型、设计至关重要。相关人员在刀具刀盘选型设计工作中，需要充分考虑工程项目运行特点，明确刀具参数的同时，选择合适的刀盘结构与支承方式，以便满足项目开挖需求，为后续施工活动顺利开展奠定基础。