面板式刀盤的設計

黃惠敏

摘要：盾構機刀盤是盾構掘進機的掘進機構，是影響其掘進性能的決定性因素。本文綜述了盾構機刀盤的作用，重點對面板式刀盤的結構設計、刀具布置、管路設計和耐磨保護等方面進行分析總結。

關鍵詞：盾構機、刀盤鋼結構、刀具布置、添加劑、泡沫噴嘴、耐磨。

1. 引言

目前盾構工法已在城市隧道（如地鐵隧道，污水排放隧道，引水、供水隧道，江河湖海底隧道，電力、電訊、供氣及共同溝工程等隧道）建造中確立了絕對的統治地位，故有人將其稱為城市隧道工法。刀盤是盾構機的關鍵部件，刀盤設計的首要任務是根據工程地質條件和施工控制要求選好刀盤的結構形式，其機構形式大致分為面板式和輪輻式的兩種。輪輻式刀盤由輻條及布設在輻條上的刀具構成，其特點是刀盤的掘削的扭矩小、排土容易、土艙內土壓可有效地作用到掘削面上，多用于砂、土等單一軟土地層。對于地下水壓大、易坍塌的土質，易噴水、噴泥，并且由于輪輻式刀盤不能安裝滾刀，在風化巖、軟硬不均的地層掘進時，應采用面板式刀盤。各國大中城市大多數處于河海濱沉積相地層，含水高的松軟地層，強透水的沙礫層地層和泥質粉砂巖、砂巖和砂質泥巖巖層等復雜多變的地層，因此面板式刀盤倍受歡迎，而且較有研究意義。

2. 盾構機刀盤的作用

盾構機的刀盤位于盾構機的最前端，為鋼結構焊接件，主要具有開挖土體、穩定掌子面、攪拌碴土三大功能。盾構掘進機的開挖是依靠盾構刀盤上布置的切刀、先行刀、滾刀等刀具，通過刀盤的旋轉和千斤頂推進，刀具貫入地層將掘削面的土層進行開挖，開挖后的渣土通過刀盤的開口進入土倉；其次，盾構掘進機在不穩定的地層掘削時，刀盤的面板可以起到穩定掌子面，防止過分坍塌的作用。再次，刀盤后安裝的攪拌裝置對土倉內的渣土或與添加劑進行混合攪拌，使渣土具有一定的塑性，能通過螺旋輸送機來調整控制土艙內的壓力。

3. 刀盤的鋼結構

刀盤直徑一般在幾米到十幾米之間，結構龐大。盾構施工中經常出現刀盤強度破壞的失效形式，因此在刀盤的結構設計時應首先考慮刀盤的強度因素。刀盤強度對刀盤結構的影響主要體現在刀盤整體結構的布局及局部結構件的厚度。一般情況下使用17寸滾刀的刀盤厚度為500mm，并且可換成18寸滾刀，19寸滾刀則會選用600mm厚的刀盤；刀盤外環用120mm的鋼板卷成，面板、主骨架側板和加強筋用60mm～80mm的鋼板。與主驅動連接的法蘭到刀盤背后面板的傳遞力臂俗稱牛腿，舊式設計制造工藝是將法蘭和牛腿一起鑄造出來，但由于刀盤的結構設計較為靈活，并且是單件生產，固定的鑄件模型已經無法滿足需求，若經常更改模型則制造成本加大許多。因此，現今多數刀盤的牛腿都是焊接組成的，可以是四臂、六臂、八臂，主要根據刀具尺寸、布置的不同和開口率和開口樣式的不同而選擇。

4. 刀具布置

刀盤的開挖直徑必需大于刀盤鋼結構的最大直徑，否則刀盤將被卡死而無法回轉。刀盤的開挖直徑最終由安裝在刀盤外周上的刀具來實現。在刀盤切削過程中，由于邊滾刀旋轉速度比靠近中心部位的要快，切削的軌跡較長，并且邊滾刀與刀盤軸線存在一定角度，因此邊滾刀的磨損量和復雜度都大于中心滾刀和正滾刀。在設計時應增加邊滾刀的布置數量和考慮刀盤的倒角和邊滾刀的安裝角度。然而刀盤中心滾刀比正滾刀的更容易損壞，由于刀盤中心部位的線速度較低，粘土、粉土、膨潤土等粘稠土體在中心部位的流動性較差，進而加大中心部位的扭矩，降低中心滾刀的壽命。因此，滾刀的排列密集度要根據刀的磨損程度來分布，一般情況下，中心滾刀的間隙為90mm，中環區域為100mm，在刀盤倒角區域將逐漸縮小間隙，倒角上刀刃保持在10～13把，最外一把單刃滾刀與刀盤軸線成70度角，若是雙刃滾刀成60度角。見圖4。對于其他類型的刀具，如撕裂刀、齒刀、先行刀等也是按照這個原則分布--隨著半徑的逐漸增大，同一半徑上刀具的數量也逐漸增多。同時要求在刀盤面板上的刀具能盡量達到對稱分布，這樣保證了刀盤的整體結構受力平衡。5.1 添加劑注入的目的

對于為細顆粒（75?m以下的淤泥及粘土成分）含有成分較少的砂層或砂礫層時，刀盤掘削下來的泥土的流塑性很難滿足排土機構直接排放的條件，另外，其抗滲性也差，容易出現噴涌現象。為此必須向這些開挖泥土中注入添加劑，以便改變其流塑性、抗滲性，使其達到排土機構可以排放的條件。添加劑可以是氣泡劑、膨潤土、高吸水性樹脂和水溶性聚合物等，這些材料可以根據土質和施工要求來單獨使用和組合使用。

在土壓平衡盾構機中，用得較多是泡沫劑，因此我們稱泡沫注入口為泡沫噴嘴。泡沫劑既能改善開挖面土體的物理和力學性質，增加其流塑性和抗滲性，防止切削土體黏附在刀盤及螺旋輸送機內，避免閉塞現象，同時又有效清洗刀具，減少磨損和降低刀盤的扭矩，保證開挖面的穩定性，加快盾構機的掘進速度。

5.2 泡沫噴嘴的布置

泡沫噴嘴的設計數量與盾構的直徑、刀盤的支撐方式、刀盤的形狀等條件有關。通常在刀盤法蘭中心設置一個噴嘴，對著刀盤背后的中心部位沖洗，有效地防止刀盤中心形成泥餅；由于切削土體與添加劑之間的首次攪拌是在攪拌效果最好的開挖面前方部位進行，所以在刀盤面板一般設置4到8個泡沫噴嘴。多個噴嘴的情形下應該注意保持各個噴嘴的注射量的均等，并盡量在刀盤面板上均衡分布，以便泡沫與開挖面的土體達到充分的混合。

6. 刀盤耐磨保護

刀盤的耐磨保護設計相對很靈活，是在刀盤設計基本定形之后附加的功能，其保護的范圍和形式都比較廣泛。（1）刀盤的面板上有堆焊網狀耐磨條或焊接厚度10～20毫米的Hardox耐磨板，也可以焊接復合耐磨塊。（2）刀盤結構外徑由兩道耐磨環組成，材料一般為HBW400；土質較硬的時候，耐磨環前面的一道環采用硬質金屬鑲嵌式，后面一環配有角式的Kenna耐磨材質，耐磨環區域（刀盤圓周方向）配置有3～12把周邊保護刀。（3）刀盤周邊的Hardox耐磨保護或耐磨焊保護。（4）刀箱上的Hardox耐磨塊保護和周邊的刀箱邊的Hardox耐磨楔形塊保護。（5）在攪拌棒的表面堆焊網狀耐磨條。刀盤的刀具常裝有磨損檢測，對刀具的磨損狀況進行實時監測，從而掌握換刀時機，減輕刀盤磨損，提高掘進效率，保證施工進度。

7. 工程應用實例

在成都地鐵四號線二期工程項目中，采用了德國海瑞克土壓平衡盾構機施工。刀盤開挖直徑?6280mm，四臂的面板式刀盤結構，刀盤上裝有4把中心雙刃滾刀，31把單刃滾刀，1把仿形超挖刀，8把邊刮刀，28把刮刀。滾刀高出刀盤面板175mm，刮刀高出130mm，整個刀盤形成兩層切削模式，先由滾刀擊破巖石、開挖土壤，再由刮刀切削地層。刀盤面板上一共設置6條管道，刀盤背后1個高壓噴嘴和刀盤面板中心部位2個噴嘴，周邊3個噴嘴均勻分布在刀盤面板上，并實現單管單泵控制。由于盾構穿越較多高磨損地質，刀盤面板、周邊、背面和刀箱等都加焊耐磨保護，并滾刀和刮刀各設有一個耐磨探測傳感器。

8. 結束語

刀盤主要依據地質報告來分析研究設計的，但實際地質情況是無法完全準確的反映到地質資料來。因此，在設計刀盤的結構和考慮刀具布置時，應當預留一定的安全能力來應對特殊情況，確保施工的安全性。

9. 參考文獻

[1]張厚美 著《盾構隧道的理論研究與施工實踐》中國建筑工業出版社出版 2010

[2][日]地盤工學會 著《盾構法的調查?設計?施工》中國建筑工業出版社出版2008