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摘要：盾构机作为一种现代化的地下工程施工机械，在地铁建设中发挥着重要作用。盾构机在隧道施工中，通过刀盘、刀具对前方土体进行削切和削切，刀具与土体的适应程度至关重要。不同的土体需要不同的刀盘和刀具配置组合，才能是盾构机完成快速的掘进施工。若刀盘和刀具的组合与开挖土体不适应，将使盾构机掘进困难，直接影响盾构机的工作效率，工程进展及经济效益。

关键词：盾构机、刀盘、刀具、削切、削切

1 刀盘结构形式

根据“以排为主”的设计理念，尽量采取大的开口率的刀盘设计。但开口过太时，大的漂石易进入土仓内部，螺旋排土器无法将其排除。但若采取面板式刀盘设计易造成刀盘的“无效磨损”，并使刀盘转动的扭矩增大[1]。

（1）既可布置刮刀，又可布置滚刀，用来应对漂石;

（2）有利于加大开口，使得土仓前后应力比减小，便于工作面稳定的控制;

（3）可方便加大中间部分的开口。

由于土仓中间容易产生“应力凸起”，为提高渣土的流动性，一方面应该提高开口度，另一方面中部不应布置密集的滚刀，应布置有利于渣土分流的先行刀和刮刀[2]。

改造刀盘为焊接结构，其上焊接了各种刀座。刀盘和主驱动通过法兰盘连接，刀盘背面和法兰盘通过整体铸造完成的，用于传递额定的扭矩和推力。刀盘采用双向旋转。刀盘和承压隔板的相对运动以及搅拌棒的安装可以很好地搅拌渣土。刀盘的中央敞开设计可以避免渣土在该处堵塞，也可以限制刀盘结构的磨损。在刀盘开口背面焊接挡板支座，在刀具更换时能有效地防止渣土涌入土仓内，保证人员安全和换刀顺利进行。

2 刀盘开口率

刀盘开口率为刀盘开口面积与刀盘总面积的比值

刀盘开口率的设计在盾构机的设计中占有很重要的位置。隧道所处的地质条件不同，设计的开口率大小也各不相同。但世界上各制造商所采用的设计理念不同，刀盘的开口率及类型会有很大的差异。根据以排、疏通为主的设计理念主要对刀盘开口设计如下：

（1）尽量提高刀盘开口率，其不应小于30%;

（2）为了防止中心部位的“结饼”，提高中心部位的开口。

刀盘设有多个开口槽，开口率为36%，利于中心部位渣土的流动;刀盘开口部分加焊隔栅及粒径限制器，把290mm粒径以上的卵石阻止在土仓以外，只允许290mm以下粒径的碴块通过以利于螺旋机的安全输送。

根据实际盾构掘进情况来看，以上改造设计能够满足本工程的需要。

3 刀盘其他设计

（1）渣土改良注入口设计

刀盘面板上共设计有4个泡沫注入口。泡沫注入口也可以用来加注水、膨润土和添加剂。

（2）耐磨设计

刀盘结构的保护是通过在刀盘开口部分和外缘焊接硬化表面。在刀盘每个进碴口的周圈进行硬化处理并堆焊耐磨材料;在刀盘的中心和外缘进行硬化处理并堆焊耐磨材料;在刀盘外圈设有保护刀具。盾构机刀盘的周边焊有两道耐磨条，刀盘的面板用进口焊条焊接有格栅状的耐磨材料，充分保证刀盘在岩层掘进时的耐磨性能[3]。

（3）刀座设计

盾构机刀盘上的滚刀刀座、刮刀刀座均可以满足换刀要求。

（4）刀盘驱动及支撑形式

刀盘驱动采用液压驱动，由九个液压马达通过九个减速箱来驱动刀盘。整个液压驱动系统采用闭式系统，这样盾构液压机械效率和容积效率较高。

刀盘采用中间支撑方式。盾构机刀盘主轴承采用在隧道掘进机配套方面富有经验的轴承制造商的产品，主轴承直径Φ3061mm，较别处Φ2600mm的主轴承可以提供更大的扭矩，密封系统采用唇形密封构成，内唇密封数量为3道，外唇密封为4道。主密封的设计寿命为5000h，主轴承的设计寿命为10000h。

4 刀具的适应性方法

4.1 刀具受力分析

（1）刀具形式

盾构刀具是根据本区间地层的不同强度和地质特点，根据刀具在该地层中不同的破岩机理来进行设计和选择的。刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层的开挖，主要刀具类型为滚刀、刮刀，根据不同的地质类型刀具可以互换。盾构机刀具形式见表1。

（2）滚刀受力分析

在硬岩地层滚刀受刀盘向前的推力，在开挖面滚动，根据推力大小，直接由开挖面提供可大可小的转动力矩，而同时几乎没有阻力力矩。在富水砂卵石地层中，滚刀前方和“松散带”的渣土接触，同时渣土在刀箱里挤满，经过压密结块，产生阻力力矩阻止了滚刀滚动。

要使滚刀转动，必须满足：

一使滚刀转动的力矩;

一阻止滚刀转动的力;

因此，如果滚刀在硬岩地层，由于没有和，因此只要满足：

滚刀即可以转动，因此，在硬岩地地层掘进，滚刀不会发生偏磨。

对于在该砂卵石地层，阻止滚刀转动的力矩主要由三部分组成，土仓内渣土的摩擦阻力力矩、刀箱内的渣土的阻力力矩和滚刀的启动力矩（大小为30～50Nm）。

但在该种松散砂卵石地层，由于阻力力矩有三部分组成，当滚刀的转动力矩小于阻力力矩时，滚刀便不能转动，即：

在砂卵石地层中的滚刀掘进，由于在开挖工作面前方形成了一个“结构松散带”。也改变了刀具的作用方式，如图2所示。由于该松散带的存在，主要有以下作用特点。

（1）由于结构松散，不能给滚刀提供足够的转动力矩;

（2）松散带渣土直接和刀鼓接触，而且接触力大，甚至出现撞击，因此，对刀鼓的破坏、磨损加大，造成增大;

同时，土仓内的渣土也使得刀箱内的阻力力矩增大，便造成在砂卵石地层中滚刀的滚动失效，从而造成偏磨，掘进效率低下，致使滚刀在盾构刀盘转动掘进中不能发生转动。由硬岩地层中的滚刀摩擦变成了滑动摩擦，造成了滚刀的严重偏磨、以致报废。

4.2 刀具适应性改造

刀具磨损影响因素主要有地质条件、刀具配置、刀盘开口率及渣土改良状况，其中地质条件为外在客观因素，具不可更改性，砂卵石地层其地质条件决定了刀盘刀具磨损非常严重，只能从刀盘开口率、刀具配置及渣土改良几个方面进行改善，降低刀具磨损[4]。

（1）刀具布置对刀具的保护

在刀盘上按照阿基米德螺旋线的规律排列布置的滚刀或撕裂刀，当岩层为较完整软岩时，刮刀破岩与滚刀破岩工作原理一致，两者可相互替代，当岩层为土层或多裂隙破碎岩层时，刮刀破岩与撕裂刀切土工作原理一致，两者可相互替代。不同类型的刀具设计，考虑了全断面卵石土层掘进时对滚刀的保护，而采用滚刀距离刀盘面板比刮刀距离刀盘面板高30mm，从而达到保护刀具的目的。

（2）不同粒径的卵石的处理

当粒径低于290mm的卵石可通过刀盘开口直接进入土仓并通过螺旋输送机输出;当粒径大于290mm的卵石需进行破碎。

对较小的卵石，滚刀破碎过程是以其通过线为起点，逐渐产生拉伸力，最终实现卵石破碎。对大直径卵石则从表面出现细小的剥落开始，然后逐渐累积，根据切割连带效果和滚刀的连续运转带来的冲击，以刀尖为起点开始出现裂痕，最后实现破碎。

（3）中心刀具的改造

通过刀具开仓检查情况分析，右线10#盾构机已经掘进463.5m（309环），刀具无严重磨损，目前刀具能够满足右线剩余271.5m（181环）的正常掘进，于是采取了开仓不更换刀具办。区间右线贯通，未出现盾构因刀具磨损问题导致的盾构掘进困难现象。根据对磨损刀具的位置、磨损的程度和刀具配置的分析，尤其是相近切削轨迹发生较大磨损的情况下对后期掘进是否产生不利影响等方面的综合判定：为保证盾构施工安全，驷～驷区间左线开仓对偏磨的11#刀，磨损量较大的29#、31#、32#、34#刀进行更换。

通过对左右线刀具磨损分析，产生较大磨损的轨迹主要集中在27#～34#刀范围内，刀盘正面区磨损较小，发生最大磨损的刀具属于刀盘正面区向边缘区过渡的部位，即处于刀盘弧部的滚刀磨损量最大;在盾构机出洞时发现盾构机刀盘中心处仍有结泥饼现象，并且伴有部分中心滚刀偏磨的现象。

分析上述现象，总结原因认为：

1）盾构机推力过大，刀盘前方土压力变大，土体容易糊刀盘;

2）盾构掘进并伴有多次长时间停机的现象，掌子面压力不稳，由于施工采取的保压措施会造成掌子面前方土体固结，盾构机恢复掘进时，刀盘前方土体盾构出土不畅，其刀盘中心部位的滚刀被杂物和泥土包裹住;

3）中心滚刀的开口率未达到施工要求，造成出土不畅;

4）在实际掘进施工中，中心滚刀随着刀盘的转动，其滚刀的线速度非常小，不能给滚刀提供足够的转动力矩，同时，土仓内的渣土也使得刀箱内的阻力力矩增大，便造成在砂卵石地层中滚刀的滚动失效，由硬岩地层中的滚刀摩擦变成了滑动摩擦，造成了滚刀的严重偏磨、以致报废。

在施工过程中必须观测分析盾构穿越地层的特性，在推进过程中应充分了解施工速度、盾构掘进性能、泥土温度之间的能量转换关系及其对“泥饼”形成的影响。控制好推进速度，减少“泥饼”产生的机率。在后续的区间施工中使用改造后的刀具配置，再结合渣土改良、设置合理的构掘进参数、控制循环水温度以及要求盾构达到“连续、快速、稳定”施工。

5 结论和建议

（1）根据“以排为主”的设计理念，尽量采取大的开口率的刀盘设计。但开口过太时，大的漂石易进入土仓内部，螺旋排土器无法将其排除。因此，推荐使用“辐条+小面板”的设计方案。

（2）刀盘开口率的设计在盾构机的设计中占有很重要的位置。隧道所处的地质条件不同，设计的开口率大小也各不相同。根据以排、疏通为主的设计理念主要对刀盘开口设计如下：尽量提高刀盘开口率，其不应小于30%，本工程使用盾构刀盘开口率为36%，掘进效果较好。

（3）对于滚刀的适应性设计主要有以下两方面建议：可使用带齿的刀圈，在滚刀刀圈上镶嵌合金钢，以增大刀圈和开挖面接触时的摩擦系数，因而起到增大转动扭矩的效果;对刀箱内空隙进行改造;减小刀箱深度，同时采取倒喇叭形状，以利于渣土的流动，不至于聚集于刀箱内，导致刀箱增大。

（4）将中心刀具由中心双联滚刀组合改为中心单刃撕裂刀+中心双刃撕裂刀组合，得到较好的掘进效果，可以为类似工程提供参考。

（5）所有的刀具采用刀盘背后换装，并配备开口挡板，从而保证安全、高效地更换刀具。

6 螺旋输送机的适应性

螺旋输送机安装在前盾的底部，螺旋输送机采用对止水性更为有利的有轴螺旋机，最大通过粒径为Φ300×570mm，螺旋机筒体内径 800mm，出渣能力为 306m3/h，驱动采用中心驱动，其圆周设有膨润土或泡沫的注入孔。螺旋输送机设有一道下出渣闸门，可根据掘进速度在主控室控制闸门的开启度，通过调节排土量来实现土塞效应，形成良好的排土止水效果，在土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力的作用。另外预留保压泵接口，发生喷涌时，及时关闭闸门，接保压泵调节土仓压力。

螺旋机前闸门位于土仓内，通过液压油缸来实现闸门的开启和关闭。突然断电时，后闸门会自动关闭，以防止喷涌。后闸门必须定期手动注脂以保证其正常工作。

7 结语

（1）刀盘开口率的设计在盾构机的设计中占有很重要的位置。隧道所处的地质条件不同，设计的开口率大小也各不相同。根据以排、疏通为主的设计理念主要对刀盘开口设计如下：尽量提高刀盘开口率，其不应小于30%，本工程使用盾构刀盘开口率为36%，掘进效果较好。

（2）对于滚刀的适应性设计主要有以下两方面建议：可使用带齿的刀圈，在滚刀刀圈上镶嵌合金钢，以增大刀圈和开挖面接触时的摩擦系数，因而起到增大转动扭矩的效果;对刀箱内空隙进行改造;减小刀箱深度，同时采取倒喇叭形状，以利于渣土的流动，不至于聚集于刀箱内，导致刀箱增大。

（3）将中心刀具由中心双联滚刀组合改为中心单刃撕裂刀+中心双刃撕裂刀组合，得到较好的掘进效果，可以为类似工程提供参考。

（4）所有的刀具采用刀盘背后换装，并配备开口挡板，从而保证安全、高效地更换刀具。

（5）根据设计理念和实际掘进经验，验证的该工程的螺旋出土器的适用性，可为类似工程提供参考。

（6）盾构机的自身设计制造要合理，刀具的配置和刀盘结构参数需优化;盾构长时间的停机会导致土舱内土压逐步升高、流动性减弱、刀盘及刀具板结泥饼的可能性增加，盾构掘进要求“连续、快速、稳定”施工;施工中的盾构掘进参数的设定相当关键，在容易出现泥饼的地层中尤其要注意土压力、千斤顶推力及刀盘转速等参数的设定，当遇到刀盘的扭矩比较大时，可以通过向掌子面和土舱内加注泡沫、膨润土以及聚合物等添加剂来降低刀盘的扭矩，以实现刀盘的较高转速;将整个盾构施工当成一个系统工程来对待，各种因素，如地层地质、盾构机状况、隧道内通风及外界温度应做到有机结合。

参考文献

[1]宋天田，中砂卵石地层土压平衡盾构的适应性研究[M]，同济大学，2008.

[2]罗杰，砂卵石地层土压平衡盾构的刀具适应性改造设计[J]，四川水泥，2017.

[3] 杨书江，富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术[J]，现代隧道技术，2009.

[4] 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]，北京交通大学，2010.