蘇州地鐵4號線盾構刀盤刀具設計改造研究

唐 歡，賀 軍TANG Huan, HE Jun（株洲鉆石鉆掘工具有限公司，湖南 株洲 412000）

蘇州地鐵4號線盾構刀盤刀具設計改造研究

唐 歡，賀 軍
TANG Huan, HE Jun
（株洲鉆石鉆掘工具有限公司，湖南 株洲 412000）

[摘 要]基于蘇州地鐵4號線陽澄湖路站-金民西路站盾構區間地質條件，針對既有盾構刀盤刀具地質適應性不足的現狀，在分析原盾構刀盤刀具配置及使用效果的基礎上，從更換刀具、強化處理、增設耐磨板及優化材料選型等方面采取了優化改造措施，有效確保了盾構的正常掘進。

[關鍵詞]土壓平衡盾構；選型設計；刀盤刀具改造；蘇州地鐵

1 工程概況及難點分析

1.1 工程概況

蘇州市軌道交通4號線（主線）總體呈南北走向，連接了相城、蘇州古城、吳中區、吳江市松陵等重要片區。主線全長約42.030km，設車站31座，均為地下站。陽澄湖路站-金民西路站區間，全長1 638.614m，為雙向隧道，隧道中心距離13.40～14.00m。隧道穿越地層主要為：③2粉質粘土、③3粉土、④1粉質粘土、④2粉土夾粉砂、⑤1粉質粘土及⑥1粘土層，土層抗壓強度在5MPa以下，屬于典型軟土地質。根據區間工程地質與水文地質條件、地層特性、地面環境等因素，選擇土壓平衡盾構或復合型盾構較適宜，實際選用原用于南京地鐵3號線勝太路—天元西路盾構區間掘進的海瑞克復合式土壓平衡盾構機S425進行施工。

1.2 工程難點分析

1）大部分位于粉土粉砂地層。地質松散，圍巖穩定性差，且經過刀盤的擾動，很容易出現隧道頂部坍塌及超挖的現象，需控制好掘進參數。此外盾構推進引起的地層變形情況也不容忽視，若處理不當會使地表產生較大的隆起或塌陷，對地上房建筑物或交通造成極大的危險。

2）盾構穿越區為軟土，承載力差，很容易出現盾構下陷的情況，容易使盾構偏離軸線，造成“磕頭”現象，需合理控制掘進參數及調整油缸的推力，確保姿態的正常。

3）因地層主要為粘性土層，土層的粘性大，出現泥餅的風險較大，注意添加適當的添加劑，改善泥土的流動性，防止結餅。

4）軟土地層，此對換刀來說也是個嚴峻考驗，很容易產生坍塌。造成地表沉降并出現人員傷亡的現象。

2 原盾構刀盤刀具配置及使用效果

本工程所采用的海瑞克S425盾構之前用于南京地鐵3號線，所掘進區間地層特性為全斷面砂巖。原盾構刀盤結構形式如下圖1所示。

圖1　 原刀盤結構形式示意圖

原刀具配置情況如下表1所示。

表1　 原刀具配置參數表

刀盤的外徑設計為6 400mm，比盾體外徑6 390mm大10mm，盾體呈前大后小錐形，便于盾構在推進時減少盾殼與圍巖的摩擦；刀盤轉速為0～2.5r/min，由液壓系統無級調速，在遇到不同地質的情況下，可調節速度，以滿足開挖的需要。

盾構首先通過滾刀進行破巖，且滾刀的超前量大于切刀的超前量（滾刀刀刃間距為100mm，比刮刀高35mm），我們因由此將正面滾刀的刀圈極限磨損量設置為25mm，從而確保在滾刀磨損到極限后仍能保證刀圈高出刮刀10mm以上，避免切刀直接進行破巖，以防止對刮刀產生破壞，最終起到保證切刀使用壽命的作用。

為確保盾構在小曲線半徑隧道掘進時，能夠順利調向，盾構需要有較大的開挖直徑，因此在刀盤上需配置了滾刀型的仿形刀。同時，為提高刀盤的壽命，刀盤面板及周邊焊有耐磨條。圖2為盾構原刀盤配置的幾種典型刀具。

圖2　 原刀盤配置刀具

考慮到南京項目區間地層為全斷面砂巖，局部巖石單軸抗壓強度可達50MPa，需要滾刀進行破巖，將巖層分割壓碎，最后由正面刮刀和邊緣刮刀將已松動的巖層刮削下來收集到土倉內部。

針對南京地鐵3號線工程的地質條件特點，原刀盤結構及刀具配置具有較好的適應性，也取得了良好的掘進效果。

3 刀盤及刀具改造設計

3.1 地質適應性分析

1）盾構最大推力 經計算可知盾構最大設計推力大于實際掘進所需推力。因而該盾構在最大推力設計上能滿足要求。此外根據以往施工經驗：由于原來盾構配置就能滿足一般較硬巖層（80MPa以下）的地層施工，在對待軟土地層，盾構所需推力小于巖層施工，故在盾構最大推力設計方面能完全能滿足要求。

2）盾構最大扭矩 通過計算可知盾構設計最大扭矩大于刀盤實際所需扭矩，即滿足使用要求。

3）開口率 盾構土壓平衡盾構在穿越多種地層時一般開口率要求在30%～40%左右，本工程所使用盾構開口率為28%，基本達到了要求。但為了防止盾構在軟土層施工時出現結泥餅的現象，建議適當增大開口率，以增加排渣能力；同時能夠有效降低渣土對刀盤和刀具的磨損。

3.2 刀盤及刀具改造

我們通過分析，針對盾構刀盤及刀具，應從如下幾個方面進行改進。

3.2.1 采用羊角刀替換滾刀

取消原滾刀設計，采用羊角刀替代滾刀進行軟土刮削，原因為：①使用增加掘進距離。羊角刀等硬質合金刀具在20MPa以下的地層，其性能能夠得以穩定發揮，另一方面，其耐磨性較滾刀刀圈更加優良，能增加盾構掘進距離，以降低松散地層盾構停機換刀的機率及人員進倉換刀的風險；②降低偏磨失效現象出現的機率。當盾構在軟土地層掘進時，由于地層較為松散，掌子面無法提供足夠的反推力保證滾刀能正常轉動起來，現在市面上的滾刀一般啟動扭矩在20Nm以上，在這種地層下使用，滾刀無法完成自轉，造成偏磨失效是必然的。具體改進設計分析如下。

1）優化刀具配置 正面位置采用寬度為100mm的正面羊角刀（圖3a），中心位置采用200mm寬的中心羊角刀（圖3b），邊緣采用60mm、間距為100mm的邊緣雙頭羊角刀（圖3c），這樣既增加了刀具耐磨性，又能保證刀盤具備良好的刮削效率，對于長距離掘進至關重要。

圖3　 羊角刀結構示意圖

2）合理選擇刃口寬度 由于刀盤中心位置空間較小，無法布置切刀，導致中心位置切削能力較弱，因此需要增加刀刃的寬度。改造過程中，選用200mm寬的刃口，用來保證中心位置的切削寬度，以防止由于刀具寬度過窄而使得刮刀覆蓋不到而出現較寬土帶的現象出現（即刮削盲區），有效避免了中心位置粘土的堆積，降低了刀盤接泥餅的幾率，確保了盾構掘進效率。

3）邊緣羊角刀優化設計 邊緣位置采用雙頭邊緣羊角刀，增加刀刃的數量，從而使得刮削軌跡線增多，進而導致土體被分割成更更小面積的區域，方便邊緣刮刀進行刮削。此外刀頭增多，刀具耐磨性增加，我們知道邊緣位置的線速度相當于中心位置的幾十上百倍，意味著刀盤每旋轉一圈它走過的距離遠遠超過中心及正面位置，因此增加邊緣羊角刀的耐磨性至關重要。

同時可以看出，滾刀改裝成羊角刀后，刀箱內的間隙明顯增大，這樣無形中增加了刀盤的開口率。經過刀具替換后經計算刀盤開口率可到30%以上，這樣增加了渣土排送速度，降低了刀盤及刀具的磨損，還增大了開口率減小了結泥餅的風險。圖4為刀箱安裝羊角刀與滾刀的結構示意圖。從圖中可以看出，用羊角刀替代滾刀后開口率有了明顯的增加。

圖4　 刀箱安裝羊角刀/滾刀示意圖

3.2.2 對切刀和邊緣刮刀進行強化處理（圖5）

切刀和邊緣刮刀均采用大合金結構設計。小齒刀、邊緣刮刀分別采用雙排、三排合金設計（圖5a），加大刃口部位合金尺寸，以增加刀具的耐磨性和抗崩性。實踐證明：增加硬質合金的厚度有利于提高硬質合金的抗崩性能。同時，在邊緣刮刀背部預設兩條合金條以起到保護作用，防止邊緣刮刀外周被過度磨損，進而造成盾構卡盾的現象出現；刃口接近合金部位用耐磨堆焊層進行保護，耐磨堆焊主要硬質相為WC，相對于高鉻鑄鐵，耐磨性更好。

圖5　 加強型刀具結構示意圖

3.2.3 增設耐磨板

刀盤外周增設耐磨板進行保護（圖6），以防止刀盤外周由于過度磨損而導致外徑減小。

盾構刀盤采用優化改造后刀具的結構示意圖如圖7所示。

圖6　 增設耐磨板結構示意圖

圖7　 優化改造后刀盤示意圖

3.2.4 采用YG11C合金替代YG13C

由表2可以看出，YG11C牌號的硬質合金在耐磨性上優于YG13C牌號的硬質合金，而前者的抗沖擊韌性則小于后者。

表2　 材料性能對比

該盾構掘進區間地層的風化程度較為均勻，對刀具沖擊較小，采用更為耐磨的YG11C牌號硬質合金，有利于實現長距離掘進，同時抗沖擊性也能滿足地質要求。

3.2.5 優化沖刷系統

中心隔板配備高壓沖洗水口，一旦中心處結泥餅，可以通過噴射高壓水進行緩解和治理。

4 結 論

蘇州地鐵軟土地層圍巖穩定性較差，容易出現地表沉降、隆起及結泥餅等不良現象，本文針對陽澄湖路站-金民西路站區間的地層特點，在分析既有盾構存在適應性不足的基礎上，對刀盤、刀具進行針對性的優化改造。研究結果表明：①刀盤刀具具有良好的地層適應性是確保盾構順利掘進的關鍵；②配備高耐磨型刀具，對盾構長距離掘進能夠起到至關重要的作用；③保證排料順暢的能力，能夠有效延長盾構刀盤和刀具的使用壽命。通過工程實踐證明，優化改造后的盾構刀盤刀具的地層適應性得到了進一步提高，完全滿足了本工程中盾構正常掘進的需求。

[參考文獻]

[1] 陳 饋，洪開榮，吳學松．盾構施工技術[M]．人民交通出版社，2009．

[2] 李俊偉，李麗琴，呂培印．復合地層條件下盾構選型的風險分析[J]．地下空間與工程學報，2007，（S1）：1241-1244．

[3] 陳 杰，湯德蕓，孟憲忠，等．盾構機穿越小曲線半徑隧道施工技術[J]．建筑施工，2014，（10）：1187-1188．

[4] 史雪珊．小盾構機大開口率刀盤與刀具配置[J]．建筑機械化，2013，（4）：62-64．

[5] 鄭曉燕．盾構刀盤設計和刀具配置分析[J]．煤礦機械，2010，（8）：75-77．

[6] 崔國華，王國強，何恩光，等．盾構掘進機主要技術參數的計算分析[J]．礦山機械，2006，（12）：11-14．

[7] 李 潮，周宏偉，左建平，等．土壓平衡盾構刀盤扭矩計算方法與多因素量化分析[J]．巖石力學與工程學報，2013，（4）：760-766．

[8] 王洪新．土壓平衡盾構刀盤開口率對土艙壓力的影響[J]．地下空間與工程學報，2012，（1）：89-93．

[9] 王洪新．土壓平衡盾構刀盤開口率選型及其對地層適應性研究[J]．土木工程學報，2010，（3）：88-92.

（編輯 張海霞）

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366（2015）02-0063-04

［收稿日期］2014-11-29

Research of reconstruction design of shield cutter head tools of Suzhou metro line 4