盾構機刀盤刀具優化設計和布局對其使用壽命的影響

何鑫 杜水明

摘? 要：盾構機是一種隧道掘進施工的專用設備，其主要通過刀盤上的刀具破碎巖石和切削泥土來實現掘進，盾構機刀具極易出現零件的磨損和失效，在盾構掘進施工中經常出現由于刀盤上刀具設計布局不合理、地層適應性不強等因素造成刀具磨損速度快、異常損壞多等問題，從而導致了盾構施工效率降低、成本上升等問題。經研究發現在刀盤刀具設計布局時通過對不同施工地層中刀具受力狀況進行系統分析，并根據施工地層的地質條件、巖層類型、巖層的力學性能等情況針對性地設計刀具結構、選擇刀具類型和優化刀具布局，能夠延長刀具使用壽命和提高盾構機工作效率。

關鍵詞：刀具;地層適應性;針對性優化;延長壽命

中圖分類號：U455? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）09-0000-00

在廣州、深圳等地區的地鐵隧道施工時，這些地區的復合地層軟硬不均，同一隧道線路不同位置地層差異很大，盾構機掘進時要不斷穿過硬巖、軟巖、上軟下硬等地層，盾構機刀具的受力復雜、損耗很大，因此在復合地層區域施工時依據地層差異針對性地設計刀具結構、選擇刀具類型和優化刀具布局更顯重要性，對延長刀具壽命和降低施工成本效果更加明顯，本文將從以下幾方面對復合地層中盾構機刀盤刀具設計和布局對壽命的影響進行簡要分析[1]。

1盾構機刀盤刀具種類

盾構機刀盤依據結構形式分為面板式與輻條式，根據應用地層分為硬巖刀盤、軟巖刀盤和復合刀盤三種，硬巖刀盤和復合刀盤一般采用的是面板式結構，軟巖刀盤一般采用的是輻條式結構。硬巖刀盤和復合刀盤雖然都是采用的面板式結構，但是由于它們應用的地層環境不同，兩種刀盤的開口率、刀具配置等方面存在很大差異。開口率是刀盤設計的關鍵，三種刀盤開口率由高到底分別為軟巖刀盤、復合刀盤和硬巖刀盤，也正是由于開口率的不同很大程度上決定了刀盤的應用環境不同，如在天津、上海等淤泥地層中，適合采用輻條式刀盤，采用面板式刀盤由于開口率過小容易出現堵塞，如廣州、深圳等復合地層適合采用復合刀盤，既保證刀盤具有一定的開口率又能保證軟、硬刀具的互換，由這些實際應用事例也可以看出刀盤設計對地層具有一定的針對性[2]。

盾構機的刀具一般分為滾刀和刮削刀，滾刀是硬巖刀具，一般安裝在硬巖刀盤和復合刀盤上進行巖石的破碎，刮削刀是軟土刀具，其在三種刀盤上都有安裝，但在輻條式刀盤上應用種類和數量更多，主要由于切削泥土或輔助滾刀刮削碎石。

2盾構機刀盤刀具配置與布局研究

目前盾構施工中刀具在刀盤上的配置一般先對不同施工地層中刀具受力狀況進行系統地分析，再按照巖層的硬度和類型來進行確定，在硬巖掘進中刀盤上刀具配置以滾刀為主、刮刀為輔，在單軸抗壓強度在20MPa以下的軟土地層中刀具配置就只有刮削刀沒有滾刀，在復合地層中、高強度巖層段刀具配置以滾刀為主、配置一定刮削刀，在復合地層中、低強度巖層段刀具配置以刮削刀、配置一定的滾刀，在復合地層軟土段刀具全部采用刮削刀。如上海隧道工程公司在成都一號線地鐵施工中，就針對砂卵石地層對刀盤刀具采用了滾刀+刮刀（撕裂刀、貝殼刀等）的刀具配置優化方案，應用顯示刀具的針對性配置有助于刀具壽命的提升。目前關于各種地層中如何選擇刀具類型，還是缺乏一套成熟的理論和試驗模型，現在的針對性設計大多都是依據之前的應用中出現問題后的優化改進經驗進行類型地層的移植，再在工程中通過一段距離的實驗性掘進后進行驗證[3]。

3盾構機刀盤刀具磨損影響因素

目前盾構機常用刀具有滾刀、切刀、邊刮刀等，為保證刀盤掘進效能，根據地質條件選用不同的刀具組合，確保掌子面巖土得到有效的破碎和切削，使巖土能順利通過刀盤預留孔隙進入土倉，以減少刀具的磨損[4]。

刀具磨損主要有刀圈基體磨損、刀轂基體磨損、刮刀基體磨損、刀具連接部件磨損等情況，這些情況都能導致刀具的失效，在不同的地層中刀具的磨損是不一致的，其中以軟硬不均、大顆粒砂卵石地層、石英含量高的地層、高硬度地層等對刀具磨損最為嚴重，淤泥、黃土等軟土地層對刀具的磨損最輕。刀具結構的設計和選材、刀圈的類型選擇、刀圈的形狀設計和選材、刀盤上刀具的間距和高低差設計、刀具種類的配置、密封結構選擇、盾構機掘進參數選擇、刮削刀合金設計、刮削刀耐磨保護層設計、刀具安裝機構設計、刀具安裝力要求等因素是否針對不同地層進行針對性地設計，會對盾構機刀具的磨損產生很大的影響。上述這些方面的設計如果不合理，將會極大地增加刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。

4盾構機刀盤刀具設計優化

刀盤刀具是決定盾構施工效率和成本的關鍵，在不同巖土中施工需要采用不同的刀盤刀具配置來進行隧道掘進。根據盾構機刀盤刀具磨損影響因素分析，需要通過針對性設計刀具結構、合理選擇刀具類型和優化刀具布局等措施優化盾構機刀具刀盤配置，提高盾構機掘進施工效率[5]。

軟土掘進中要求刀具具有較好的抗磨性和沖擊韌性，軟土刀具一般是以硬質合金材料為刀刃，并對刀刃進行防崩塊設計，以此來提高軟土刀具的耐磨性，軟土刀具的刀柄依據安裝方式不同（焊接式和螺栓緊固式）選用不同材料，以保證刀體具有足夠的耐磨性和良好的焊接性能，并在軟土刀具與巖土接觸部位和刀刃周邊進行表面強化處理來增強刀體的使用壽命，其中刀刃防崩設計和刀柄易損面強化是提升軟土刀具壽命的重點，要針對不同的地層進行針對性優化設計。

硬巖掘進中要求刀具擁有良好耐磨性和質量穩定性，硬巖刀具一般刀圈為刀刃，刀圈類型的選擇和結構設計是通過巖層的硬度、磨損性等方面來決定的。在中、高硬度巖層中掘進時刀圈一般選用盤形刀圈結構，刀圈的刃口形狀一般設計為等截面梯形，并且刃寬設計與巖層硬度成反比設計。在中、低強度的高磨損性硬巖中掘進刀圈一般鑲齒刀圈結構，刀圈的合金齒的數量、大小、結構設計都要依據巖石的硬度不同進行差異化設計，通過刀圈的這些優化設計來提高刀圈的適應性。滾刀啟動扭矩也要根據地層硬度的不同進行調整，一般與地層硬度成正比調整。滾刀刀圈個數的選擇也是依據巖層的硬度來決定的，70Mpa以上的硬巖基本采用單刃設計，雙刃滾刀一般適用于70Mpa以下的軟巖地層。由此可知通過針對性設計刀具結構、合理選擇刀具類型和優化刀具布局等措施優化盾構機刀具刀盤配置，有助于提升刀具的整體使用壽命[6]。

5結語

目前我國城市地鐵蓬勃發展，盾構工法成為地鐵隧道施工首選，刀具設計理論是盾構機設計的重要內容，刀盤刀具設計方案直接決定施工工程的成敗，盾構機刀具磨損與刀盤組合配置適應性影響盾構機技術的發展。本文圍繞提高盾構機刀具使用壽命問題，介紹盾構機刀盤結構形式特點，說明了針對性設計刀具結構、合理選擇刀具類型和優化刀具布局等措施優化盾構機刀具刀盤配置后將對刀具壽命產生的影響，并針對刀具刀盤優化布局提出對策建議。

參考文獻

[1]韓利濤.盾構機刀具智能選型與布置研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2016.

[2]鄭麗堃.盾構機刀具布置規律研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2016.

[3]陳昭章，洪開榮.復合地層盾構設計概論[M].北京：人民交通出版社，2010：295.

[4]朱述敏.復合型土壓平衡盾構機刀盤設計與應用[D].南京：南京理工大學，2015.

[5]唐歡，賀軍.盾構硬質合金刮刀常見失效形式及分析[J].鑿巖機械氣動工具，2016（4）：31-35.

[6]柏波.復合地層土壓平衡盾構機刀盤及刀具配置研究[J].中國高新科技，2019（24）：12-14.

收稿日期：2020-08-01

作者簡介：何鑫（1987—），男，湖南株洲人，本科，工程師，研究方向：機械設計與制造工藝、盾構機/TBM零部件的設計與應用技術。