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1、 浅谈盾构刀盘选型与后期增强配置【摘要】介绍了盾构刀盘选型时要考虑的刀盘结构形式、开口率、添加剂注入口和刀具配置与地质和施工条件相适应，并结合工程实例介绍了盾构机转场时对刀盘加强配置。【关键字】刀盘；结构；刀具；增强配置；地质适应性盾构是一种专门用于地下隧道开挖施工的大型成套设备，它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于保护环境和降低劳动强度的优点，广泛应用于城市地铁工程施工中。盾构施工常会遇到盾构机从一个工程施工完成后转场到另一个工程继续使用的情况，当地质发生较大变化，从淤泥、粘土、软岩到硬岩等。刀盘作为盾构机的关键部位在掘进过程中受力复杂，刀盘的结构形式和刀具配置情况是盾构掘进能否顺利进行的
2、决定因素之一。在进行盾构机刀盘选型时，应充分考虑到刀盘对工程的针对性及后期再利用的通用性和改造便捷。刀盘选型要点1.1刀盘结构形式刀盘主要有切削土体、稳定掌子面、搅拌渣土和改良土体的功能，刀盘的结构形式主要有三种：面板式和辐条式以及介于两者之间的辐板式。面板式刀盘一般为焊接箱型结构，其上设置刀座、刀具、开口、添加剂注入口、搅拌轴及主轴承连接部件；辐条式刀盘主要有轮缘、辐条和刀具等组成，刀具布置在辐条两侧，一般较难布置滚刀；辐板式刀盘兼有面板式和辐条式刀盘的特点，由较宽的辐条和小块幅板组成，切刀和滚刀分别布置在宽辐条的两侧和内部。具体应用时采用哪种刀盘结构形式应根据施工条件和土质条件决定，不同的
3、刀盘形式在土仓构造、开挖面稳定、土仓保压、砂的流动性刀盘负荷和扭矩及检查换刀方面存在较大差异。1.2刀盘开口率、添加剂注入口和刀具配置1.2.1刀盘开口率刀盘开口率是刀盘面板开口部分的面积与刀盘总面积的比值，刀盘切削下来的碴土通过刀盘的开口槽流往土仓。刀盘的开口必须根据地质条件、开挖面的稳定性和挖掘效率来决定其形状、尺寸、配置。对于土压平衡盾构，复合地层，或者硬岩地层，或者需要布置大量刀具的地层，需要配置小开口率的刀盘，一般为10%-35%。均一性较好的软土地层，比如砂层、粘土层等配置大开口率的刀盘，一般为40%-75%。如果盾构在掘进过程中，牵涉到带压换刀，应该减小开口率。1.2.2添加剂注
4、入口和搅拌棒设置为了更好的改善切削土体的流塑性和止水性，防止产生结“泥饼”现象，根据不同的地质条件需要添加不同的添加剂，同时在土仓内不断搅拌。在刀盘上适当位置上设置适宜数量（小松5个注入口、石川岛3个注入口、海瑞克4个注入口）的泡沫注入口和搅拌棒，同时在注入口设置单向阀结构，防止注入口堵塞。1.2.3刀具的布置刀盘设计应充分考虑地层对刀盘的磨损性，对软土刀盘（如图1）可配置先行刀、在刀盘外周磨损距离较多的部位堆焊的网格状耐磨硬质合金，如刀盘面板外周、搅拌棒、刀盘边缘板和滚刀刀座等处；安装周边刮刀等刀盘外周保护刀具，提高了刀盘的耐磨性能，延长使用寿命，在刀盘中心配置中心鱼尾刀，周边配置仿形刀在需
5、要时扩大开挖直径。在刀盘的轨迹线上，刀盘外侧每条轨迹宜多配置刀具，中部次之，内次可少些，但必须保证每条轨迹线上必须至少有一把刀具。同一轨迹线上可设置贯入度不同的刀具，作先行预切削、主切削梯度进行之用。 图1 软土刀盘 图2 复合刀盘在风化岩和软硬不均地层宜采用复合刀盘（图2），刀盘除配置切削刀外，还需配置滚刀，刀盘结构相对复杂。对于岩层首先通过滚刀进行破岩，且滚刀的超前量应大于切刀的超前量，在滚刀磨损后仍能避免切刀进行破岩，确保切刀的使用寿命。在曲线半径小的隧道掘进时，为了保证盾构的调向，需要有较大的开挖直径，因此刀盘上需配置滚刀型的超挖刀。为提高刀盘的寿命，刀盘面板及周边焊有耐磨条。1.3盾
6、构机刀盘增强配置在盾构机从一个工程施工完成后转场到另一个工程继续使用，工程地质可能发生变化，为了增强盾构机的适应性可根据工程具体地质情况对刀盘进行改造或增强刀盘刀具配置。对于复合刀盘，若上一个工程为风化岩或软硬不均地层而转入软弱地层使用，为了提高刀盘适应性，刀盘刀箱配置的滚刀宜更换为刮刀等，并组织专家进行适应性评审，不能满足要求则需进行刀盘改造。对于软土刀盘，当工程结束转入另一个地层相对较硬的地层（如从淤泥、粉质粘土地层进入全风化岩）继续使用时宜从增加轨迹上刀具数量、增强掌子面预破坏等方面增强刀具配置，软土刀盘不适应硬岩地层，如需使用该盾构机，则需进行刀盘改造。2. 工程实例 2.1工程状况福
7、州市轨道交通1号线03标为两站两区间地铁工程，其中两区间为斗门站-树兜站区间、斗门站-福州火车站站区间。斗-树区间为淤泥地质局部粉质泥土地质，区间总长593m；斗-火区间总长1033m，区间地质为淤泥、粉质粘土和全风化岩（200m）。在2012年进行施工组织设计时拟采用小松软土盾构机（加强配置前刀盘图3）进行施工，完成完成斗-树区间施工，再在加强盾构刀盘配置后（加强配置后刀盘图4）完成斗-火区间掘进施工。 图3 小松原刀盘 图4 加强配置后小松刀盘2.2刀盘结构与增强配置方案该小松盾构机刀盘主体结构由辐条、侧板、筋板、外缘板、后盖板、耐磨合金条和支撑梁焊接而成。辐条设计为6条，刀盘开口率为40
8、%，设有5个泡沫注入口，在刀盘外侧设置6根搅拌棒，配置刀具有：主切削刀78把（80mm高），周边刮刀12把（80mm高），安装了66把先行刀，先行刀高于面板110mm，比主切削刀（80mm高）高30mm，切削时，先对开挖面进行切削，以减轻对主切削刀及面板的磨损，并且在刀盘外周配置了12把高度为90mm的先行刀，减轻外周12把刮刀的磨损，以保证刀盘的开挖直径。主切削刀的布置将刀盘分成内、中、外3部分，内部1条切削轨迹上配置1把切削刀，中间部1条切削轨迹上配置2把切削刀及外周部1条切削轨迹配置3把切削刀，在刀盘最外周配置刮刀每个切削轨迹上有6把。先行刀也分成内、中、外3部分，内部1条切削轨迹上配置
9、1把先行刀，中间部1条切削轨迹上配置2把先行刀，外周部1条切削轨迹配置4把先行刀。在完成斗-树区间掘进后，为更好的适应斗-火区间地质盾构施工，对该刀盘进行了如下增强配置改造：1.刀盘周边增加加强型先行刀4把，对称布置，刀具高度为130mm，增加预切削，减少周边刮刀磨损；2.刀盘正面从鱼尾刀端部（R650）至R2240处每个轨迹上增加1把加强型先行刀，R2240往外每条轨迹上加2把加强型先行刀（共11个轨迹22把刀），加强型先行刀高度为130mm，比原刀盘配置先行刀高出20mm，保护原先行刀和主切削刀，从而将原刀盘切削梯度从2次增加到3次。从增强配置后的掘进效果来看，该刀盘原设计切削能力为5MPA，现顺利平稳的完成斗-火区间200米9MPA风化岩的掘进，隧道即将贯通。2.2结语刀盘选型和改进的关键是进行地质适应性研究，应针对不同地层和不同的断面科学地进行刀盘的结构设计，根据岩土特性进行刀盘工作参数和结构参数的优化，确定刀盘结构、材料、制造工艺及刀具的选用和布置。参考文献：1周文波，盾构法隧道施工技术及应用，中国建筑工业出版社，20042高成梁，盾构机刀盘磨损修复技术的应用实践，探矿工程，2008（05）：25-273李建斌，浅谈盾构刀盘的设计与应用，建筑机械化，2006（03）：31-35