不同地質(zhì)條件下盾構(gòu)刀具選型

周慶偉

立足于施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件，根據(jù)實(shí)際情況采取相適應(yīng)的盾構(gòu)刀具，此舉可有效提高盾構(gòu)刀具乃至整個盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用水平，給城市軌道建設(shè)提供安全保障，在此前提下進(jìn)一步達(dá)到提質(zhì)增效的效果。但盾構(gòu)刀具的選型是一項(xiàng)系統(tǒng)性較強(qiáng)的工作，需綜合考量多項(xiàng)因素，值得在此方面展開探討。

一、城市軌道交通施工中的主要地層類型

根據(jù)現(xiàn)有的城市軌道交通建設(shè)情況，對該領(lǐng)域施工中主要的地質(zhì)條件加以分類，如下：

1.軟土地層。含砂土、粉土、粘土、淤泥等，其特點(diǎn)在于承載力偏低，若未經(jīng)處理而直接在該處施工，則易發(fā)生明顯的沉降。從分布區(qū)域來看，以我國的長三角地區(qū)居多。

2.復(fù)合地層。含圓礫、巖石、碎石及軟土中的兩種或多種，共同組合而成，其在我國的武漢、長沙等地較為常見。

3.硬巖地層。以堅(jiān)硬的巖石居多，含單類或多類巖石，硬度相對較大，常見于我國川渝地區(qū)，且在山嶺隧道施工中較為普遍。

4.特殊地質(zhì)條件。包含但不限于溶洞、濕陷性黃土、凍土、膨潤土。以膨潤土為例，其對水分較為敏感，具有吸水膨脹、失水收縮的變化特性。

二、刀具的類型

刀盤運(yùn)行過程中，刀具是關(guān)鍵裝置，通過對刀具的合理應(yīng)用，可以有效完成刀盤的掘進(jìn)作業(yè)。從切削原理的角度來看，刀具主要含兩類，即滾壓刀具和切（刮）削刀具，其運(yùn)行特性有所差異。

1.滾壓刀具

依托于刀具的推力，實(shí)現(xiàn)對巖層的沖擊擠壓處理，期間刀具有一定角度的旋轉(zhuǎn)變化，可以達(dá)到連續(xù)破巖的效果。該類刀具可以提供較強(qiáng)的作用力，使被切削的部分由完整轉(zhuǎn)變?yōu)榱闵⒌臓顟B(tài)，得益于此特性，其常被應(yīng)用于硬巖、大直徑圓礫地層的掘進(jìn)施工中，此外在部分復(fù)合地層施工條件下也見其“身影”。滾壓刀具可細(xì)分為多種形式，包含單刃型、雙刃型和三刃型等。

2.切（刮）削刀具

刀具隨刀盤旋轉(zhuǎn)，加之盾構(gòu)機(jī)整機(jī)設(shè)備的向前推進(jìn)，可以使刀刃嵌入土體內(nèi)，產(chǎn)生作用于待切削土體的徑向切削力和軸向剪切力。通常在軟土地層以及軟巖地層的盾構(gòu)掘進(jìn)施工中采用到切（刮）削刀具，部分情況下也被應(yīng)用于硬巖及復(fù)合地層中，作為輔助切削刀具而使用，包含刮刀、齒刀、先行刀等。

三、軟土地質(zhì)施工刀具選擇

以合肥地鐵某區(qū)間為例，工程地質(zhì)主要為：素填土、黏土，其中洞身范圍內(nèi)主要為黏土，該黏土具有一定的膨脹性。通過對渣樣進(jìn)行手捏和目測分析，發(fā)現(xiàn)1～90環(huán)左右黏土較為黏著且較為堅(jiān)硬承黃褐、灰褐色，手搓干以后成塊狀且十分黏手。91環(huán)～445環(huán)間黏土相對黏度低、偶為堅(jiān)硬且土體略松散承灰色或灰褐色。其地質(zhì)條件剖面圖如圖1所示。

圖1 地質(zhì)條件剖面圖

本區(qū)間采用1臺刀盤直徑為6280mm的液壓驅(qū)動的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，原刀盤開口率為36%，刀具配置中心魚尾巴刀1把、邊緣刮刀34把、齒刀112把。通過對刀盤的改造和刀具的調(diào)整，有效的提高了在黏土地質(zhì)下盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率。

1.原刀盤開口率較小，為降低刀盤運(yùn)行過程中的結(jié)泥餅問題影響掘進(jìn)進(jìn)度，將刀盤開口率做適當(dāng)?shù)脑黾犹幚恚畛幱安糠謪^(qū)域，使其達(dá)到60%，渣土改良口相應(yīng)布局調(diào)整。

2.刀具是切削土體的關(guān)鍵裝置，為使土體被刀盤均勻切割，在刀盤原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增設(shè)正面貝殼刀34把，刀寬200mm，刀高130mm，刀間距150mm，以保證刀盤的切削能力。

3.在不影響正常的出渣工序，盾構(gòu)機(jī)掘的進(jìn)也得排的出，所以皮帶機(jī)功率隨刀盤改造的同時需要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，對皮帶主動輪的適配電機(jī)做出調(diào)整，功率由原有的22kW增加至30kW，以提供更強(qiáng)的驅(qū)動力，便于渣土傳輸。改造效果如圖2所示。

圖2 改造效果圖

四、不同地質(zhì)條件下的刀具選型方法

刀具選型需以施工現(xiàn)場所遇地質(zhì)條件為主要的依據(jù)，綜合考慮施工安全、質(zhì)量、效率、效益多重要求。此處在刀盤類型明確的前提下，分別探討不同地質(zhì)條件下的刀具選型思路，具體如下：

1.軟土地層。土的強(qiáng)度不足，偏松散，局部有剝落的情況，其抗壓強(qiáng)度普遍在10MPa以內(nèi)，因此較為適宜的是切（刮）削刀具。其中，硬土層可以采用刀刃角大切刀，其在堅(jiān)硬土層中的適應(yīng)性較強(qiáng)，可避免折斷；軟土層則可以采用刀刃角小切刀，以較快的速度完成切削作業(yè)。

2.沙土粉土地層，以輕型刮刀、魚尾刀為宜；遇中、粗、細(xì)砂層或是粉砂地層時，則需著重考慮刀具的耐磨性，可以采用切刀、先行刀等；遇淤泥質(zhì)地層或粘土層，則以切刀、魚尾刀為宜，其特點(diǎn)在于可以取得較好的刮渣效果，必要時可適當(dāng)提高刀盤面板的開口率，此舉目的在于避免刀盤結(jié)泥餅的情況。

3.復(fù)合地層，所含的地質(zhì)類型較多，集多類地質(zhì)于一體，因此需采取多類刀具相適配的綜合型方案。其中，主刀具可以采用撕裂刀與滾刀形式，在此基礎(chǔ)上輔以刮刀、邊刮刀，用于刮渣處理。通過多類刀具的共同應(yīng)用，可以提高土體切削作業(yè)的精細(xì)化水平。

4.軟巖地層，以普通的盤形滾刀較為合適。

5.淤泥或粘性土層，較為適宜的是撕裂刀。

6.硬巖地層，考慮到其抗壓強(qiáng)度較高（通常達(dá)到30MPa以上）、易對刀具帶來沖擊性影響的特點(diǎn)，推薦采用耐磨性和耐久性較好的滾刀，高效完成在巖層中的掘進(jìn)作業(yè)。

7.中硬巖地層，較為可行的是普通盤形滾刀，刀間距控制在80～100mm，刀圈厚度可依據(jù)現(xiàn)場巖石的硬度做靈活的調(diào)整。部分情況下可能存在極硬巖地層，此時則以重型滾刀為宜，施工中可在原基礎(chǔ)上增加扭矩，保證其具有較強(qiáng)的破碎能力。

8.特殊地層，可以采用復(fù)合式盾構(gòu)的方案，以施工現(xiàn)場的實(shí)際地層特性為依據(jù)，對刀具的數(shù)量、刀高等參數(shù)做靈活的調(diào)整；對于大直徑卵石地層，可以利用滾刀破碎。

五、盾構(gòu)機(jī)刀具的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望

在機(jī)械化施工的工程發(fā)展趨勢下，先進(jìn)機(jī)械設(shè)備可以提供生產(chǎn)力優(yōu)勢，減輕員工的工作強(qiáng)度，以更為規(guī)范的方式完成相應(yīng)的工作。在隧道盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)機(jī)則是不容或缺的裝置，其安全可靠、高效等應(yīng)用優(yōu)勢正逐步顯現(xiàn)。業(yè)內(nèi)人士也圍繞盾構(gòu)機(jī)的相關(guān)施工技術(shù)展開了持續(xù)的、深入的探索，在刀具層面則包含切削機(jī)理、破巖方式、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，經(jīng)過不懈的努力，現(xiàn)階段的盾構(gòu)刀具形式多樣，可以根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件做靈活的選擇。同時，隨著智能化技術(shù)等相關(guān)配套技術(shù)的成熟，堅(jiān)信未來盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具應(yīng)用效果將愈發(fā)向好。

六、結(jié)語

綜上所述，在城市軌道工程的隧道盾構(gòu)施工中，以現(xiàn)場地質(zhì)條件為立足點(diǎn)，適配合適類型的刀具并加強(qiáng)對刀具布置間距等參數(shù)的控制后，可以有效提高盾構(gòu)機(jī)的整體運(yùn)行能力，高效完成隧道盾構(gòu)作業(yè)。在本文中，則對不同地質(zhì)條件下的盾構(gòu)刀盤選型展開探討，提出一些思路和方法，以供參考。