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摘要：盾構(gòu)機(jī)刀具配置是盾構(gòu)機(jī)刀具設(shè)計(jì)中是非常重要的內(nèi)容。本論文著重介紹了刀具的種類(lèi)和切削原理，同時(shí)針對(duì)不同的地層情況，提出刀具的具體配置方式。針對(duì)盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層隧道掘進(jìn)，解釋了刀具配置的差異性、刀具配置的“矛盾”現(xiàn)象。結(jié)合工程實(shí)例，在砂卵石地層中（尤其是含大直徑漂石）長(zhǎng)距離隧道掘進(jìn)的工況下，提出了盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)廠家關(guān)于刀具配置新的設(shè)計(jì)理念和思路。最后提出了刀具配置設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素。

關(guān)鍵詞：刀具種類(lèi)；切削原理；配置方式；刀具設(shè)計(jì)

Abstract:TBM(TunnelBoringMachine)CuttingToolsConfigurationisoneofthemostimportantfactorduringTBMcuttingtooldesign.Thisarticlefocusondescribethetypeofcuttingtoolsandcuttingtheory,Meanwhile,thedetailcuttingtoolsconfigurationhasbeenproposedduetodifferentgeologiccondition.Analyzedthediscrepantcuttingtoolconfigurationand“theContradictoryPhenomenon”.Accordingtothereferenceproject,anewcuttingtoolsconfigurationdesignthought&theoryisproposedfromTBMmanufactureforlongdistancetunnelexcavationingravelgeologiccondition(especiallycontentbigboulder).Attheendofthisarticle,thenecessaryconsiderationfactorisprovidedduringcuttingtoolsconfigurationdesign.

Keywords:TypeofCuttingTools;CuttingTheory;CuttingToolsConfiguration;CuttingToolsDesign

0引言

盾構(gòu)機(jī)刀具的配置是盾構(gòu)機(jī)刀具設(shè)計(jì)中是非常重要的內(nèi)容，其配置是否適合應(yīng)用工程的地質(zhì)條件，直接影響盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)的使用壽命、切削效果、出土狀況、掘進(jìn)速度和施工效率。

1刀具種類(lèi)和切削原理

1.1切刀（齒刀，刮刀）

切刀是軟土刀具，布置在刀盤(pán)開(kāi)口槽的兩側(cè)，其切削原理是盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)的同時(shí)，切刀隨刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)對(duì)開(kāi)挖面土體產(chǎn)生軸向（沿隧道前進(jìn)方向）剪切力和徑向（刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切線(xiàn)方向）切削力，在刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)下，刀刃和刀頭部分插入到地層內(nèi)部，不斷將開(kāi)挖面前方土體切削下來(lái)。切削刀一般適用于粒徑小于400mm的砂、卵石、粘土等松散體地層。

1.2先行刀（超前刀）

先行刀是先行切削土體的刀具，超前切刀布置。先行刀在設(shè)計(jì)中主要考慮與其它刀具組合協(xié)同工作。先行刀在切刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切刀創(chuàng)造良好的切削條件。先行刀的切削寬度一般比切刀窄，切削效率較高。采用先行刀，可顯著增加切削土體的流動(dòng)性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，減少切刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層先行刀的使用效果十分明顯。

1.3貝型刀

貝型刀實(shí)質(zhì)上是超前刀，盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時(shí)，若采用滾刀型刀具，因土體屑松散體，在滾刀掘進(jìn)擠壓下會(huì)產(chǎn)生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時(shí)甚至喪失切削破碎能力。將其布置在刀盤(pán)盤(pán)圈前端面，專(zhuān)用于切削砂卵石。

1.4中心刀（魚(yú)尾刀、雙刃或三刃滾刀、錐形刀、中心羊角刀）

在軟土地層掘進(jìn)時(shí)，因刀盤(pán)中心部位不能布置切刀，為改善中心部位土體的切削和攪拌效果，可在中心部位設(shè)計(jì)一把尺寸較大的魚(yú)尾刀（羊角刀），一般魚(yú)尾刀超前600mm左右。魚(yú)尾刀的設(shè)計(jì)和配置方式如下：其一讓盾構(gòu)分兩步切削土體，利用魚(yú)尾刀先切削中心部位小圓斷面土體，而后擴(kuò)大到全斷面切削土體，即將魚(yú)尾刀設(shè)計(jì)與其它切刀不在一個(gè)平面上，即魚(yú)尾刀超前切刀布置，保證魚(yú)尾刀最先切削土體；其二是將魚(yú)尾刀根部設(shè)計(jì)成錐形，使刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)隨魚(yú)尾刀切削下來(lái)的土體，在切向、徑向運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，又增加一項(xiàng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣既可解決中心部分土體的切削問(wèn)題和改善切削土體的流動(dòng)性和攪拌效果，又大大提高盾構(gòu)整體掘進(jìn)效果。

在純硬巖地層掘進(jìn)時(shí)，到盤(pán)中心位置布置雙刃或三刃滾刀。

1.5仿形刀（或超挖刀）

盾構(gòu)機(jī)一般設(shè)計(jì)兩把仿形刀(一把備用)，布置在刀盤(pán)的邊緣上。施工時(shí)可以根據(jù)超挖多少和超挖范圍的要求，從邊緣徑向伸出和縮回仿形刀。仿形刀伸出最大值一般在70～150mm之間。盾構(gòu)機(jī)在曲線(xiàn)段推進(jìn)、轉(zhuǎn)彎或糾偏時(shí)，通過(guò)仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構(gòu)機(jī)在超挖少、對(duì)周邊土體干擾小的條件下，實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)推進(jìn)和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏。

滾刀超挖刀柱形超挖刀

1.6滾刀和刮碴板

在純硬巖地層掘進(jìn)時(shí)，采用滾刀破巖。滾刀破巖的原理是依靠刀具滾動(dòng)產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達(dá)到破碎巖石的目的。滾刀的類(lèi)型、數(shù)量、布置方式、位置、超前量根據(jù)巖層的強(qiáng)度和整體性、掘進(jìn)距離、含砂量等特點(diǎn)確定。穿越松散地層但有大粒徑的礫石(粒徑大于400mm)、并且含量達(dá)到一定比例時(shí)，也可采用滾刀型刀具。在隧道地質(zhì)條件復(fù)雜多變、巖石(強(qiáng)度不算太高)與一般土體(或粘土或砂土)交錯(cuò)頻繁出現(xiàn)的情況，也有可能采用滾刀型刀具，即在復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)中采用。

1.6.1滾刀分為齒形（球齒、楔齒）滾刀和盤(pán)形滾刀

1.6.2滾刀刀圈的材質(zhì)是滾刀能否勝任掘進(jìn)硬巖的關(guān)鍵。盤(pán)形滾刀根據(jù)刀圈不同一般有以下4種類(lèi)型

(1)耐磨層表面刀圈：適用于掘進(jìn)硬度40MPa的緊密地層，硬度80～100MPa的斷裂礫巖、砂巖、砂粘土等地層。

(2)標(biāo)準(zhǔn)鋼刀圈：適用于掘進(jìn)硬度50～150MPa的礫巖、大理石、砂巖、灰?guī)r地層。

(3)重型鋼刀圈：適用于掘進(jìn)硬度120～250MPa的硬巖，硬度80～150MPa的高磨損巖層，如花崗巖、閃長(zhǎng)巖、斑巖、蛇紋石及玄武巖等地層。

(4)鑲齒硬質(zhì)合金刀圈適用于掘進(jìn)硬度高達(dá)150～250MPa的花崗巖、玄武巖、斑巖及石英巖等地層。

1.6.3刮碴板的作用是將滾刀破碎的巖碴，及時(shí)排出，防止?jié)L刀對(duì)巖碴的二次破碎，保護(hù)滾刀。前刮碴板主要鏟裝刀盤(pán)前方的落碴，鏟裝量大，磨損較快，后刮碴板主要鏟裝下護(hù)盾推進(jìn)中從隧道底部堆積起來(lái)的碴石，鏟裝量小，磨損較小。

2刀具配置方式

刀具的布置方式需要充分考慮工程地質(zhì)情況，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，不同的工程地質(zhì)特點(diǎn)，采用不同的刀具配置方案，以獲得良好的切削效果和掘進(jìn)速度。根據(jù)地質(zhì)條件特點(diǎn)，可以大致分為四種地層：軟弱土地層；砂層、砂卵石地層；風(fēng)化巖及軟硬不均地層；單純的純硬巖地層。

2.1軟弱土地層如南京、上海、杭州等地，其地質(zhì)條件主要以淤泥、粘土和粉質(zhì)粘土為主，在軟弱土地層一般只需配置切削型刀具，如：切刀、周邊刮刀、中心刀、先行刀和超挖刀。以南京地鐵盾構(gòu)為例，刀盤(pán)采用面板式結(jié)構(gòu)，裝有1把魚(yú)尾形中心刀，120把切刀，16把周邊刮刀及1把仿形刀。切刀安裝在開(kāi)口槽的兩側(cè)，覆蓋了整個(gè)進(jìn)碴口的長(zhǎng)度。刮刀安裝在刀盤(pán)邊緣。由于刀盤(pán)需要正反旋轉(zhuǎn)，因此切刀的布置也在正反方向布置，為了提高切刀的可靠性，在每個(gè)軌跡上至少布置2把。在周邊工作量相對(duì)較大，磨損后對(duì)盾構(gòu)切口環(huán)尺寸影響較大，在正反方向各布置了8把刮刀?？紤]到刀盤(pán)的受力均勻性，刀具布置具有對(duì)稱(chēng)性。刀具安裝采用螺栓固定，便于更換。在切刀或刮刀的刃口和刃口背面鑲嵌有合金和耐磨材料，以延長(zhǎng)刀具的使用壽命，切刀的破巖能力為20MPa，可以順利地通過(guò)進(jìn)出洞端頭的加固地層。

2.2砂層、砂卵石地層如北京、成都其地質(zhì)條件主要以砂，卵石地層為主，如遇到粒徑較大的礫石或漂石，應(yīng)配置滾刀進(jìn)行破碎。在砂層、砂卵石地層施工時(shí)，需設(shè)置（寬幅）切刀、周邊刮刀、先行刀（重型撕裂刀）、中心刀、仿形刀等刀具。切刀是主刀具，用于開(kāi)挖面大部分?jǐn)嗝娴拈_(kāi)挖；周邊刮刀也稱(chēng)保徑刀，用于切削外周的土體，保證開(kāi)挖斷面的直徑；先行刀在開(kāi)挖面沿徑向分層切削，預(yù)先疏松土體，降低切刀的沖擊荷載，減少切削力矩，同時(shí)重型撕裂刀用于破碎強(qiáng)度較低和粒徑較小的卵石和礫石；中心刀用于開(kāi)挖面中心斷面的開(kāi)挖，起到定心和疏松部分土體的作用；仿形刀用于曲線(xiàn)開(kāi)挖和糾偏。滾刀用于破碎粒徑較大的礫石或漂石。

2.3風(fēng)化巖及軟硬不均地層如廣州、深圳，上軟下硬、地質(zhì)不均的復(fù)合地層，且局部巖石的單軸抗壓強(qiáng)度較高（150-200Mpa），除配置切削型刀具外包括寬幅切刀、先行刀，還需配置滾刀，因而刀盤(pán)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。對(duì)于巖層首先通過(guò)滾刀進(jìn)行破巖，且滾刀的超前量應(yīng)大于切刀的超前量，在滾刀磨損后仍能避免切刀進(jìn)行破巖，確保切刀的使用壽命。在曲線(xiàn)半徑小的隧道掘進(jìn)時(shí)，為了保證盾構(gòu)的調(diào)向和避免盾殼被卡死，需要有較大的開(kāi)挖直徑，因此刀盤(pán)上需配置滾刀型的仿形刀（或超挖刀）。

2.4單純的純硬巖地層如秦嶺1線(xiàn)隧道，隧道斷面范圍內(nèi)以混合片麻巖和混合花崗巖兩種巖石為主，刀具全部選用滾刀，無(wú)任何齒刀。有時(shí)，在刀盤(pán)面板周邊開(kāi)口處配備刮碴刮刀板。

3刀具配置的差異性

在復(fù)合地層施工中，刀具配置的差異性主要表現(xiàn)在滾刀和先行刀的配置數(shù)量和刀具的高度、組合高度差等方面。例如，海瑞克公司刀盤(pán)滾刀和固定先行刀高出面板175mm和140mm，三菱公司刀盤(pán)滾刀和固定先行刀高出面板90mm和70mm。兩種刀具的高差為35mm和20mm，前者的設(shè)計(jì)較好，具體表現(xiàn)為刀具高對(duì)防止泥餅的形成有利，高度差大有利于破巖。滾刀的刀間距過(guò)大和過(guò)小都不利于破巖，間距過(guò)大，滾刀間會(huì)出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象，間距過(guò)小，滾刀間會(huì)出現(xiàn)小碎塊現(xiàn)象，降低破巖功效。在復(fù)合地層中周邊滾刀的間距一般小于90mm，正面滾刀的間距為100～120mm（參照國(guó)內(nèi)外施工實(shí)例，巖石強(qiáng)度高時(shí)，滾刀的間距應(yīng)控制在70～90mm的范圍內(nèi)比較合理）。

4復(fù)合地層中刀具配置的“矛盾”現(xiàn)象

硬巖地層只需滾刀，但有時(shí)必須安裝切刀（或刮碴板），切刀在破硬巖過(guò)程中幾乎沒(méi)有作用，由于貫入度和高度差的原因，產(chǎn)生瞬間沖擊荷載，切刀被磨平或被崩斷。在復(fù)合地層中，有些砂、卵石地層或同一斷面中有硬巖和軟巖，所以刀盤(pán)必須配備切刀和先行刀以對(duì)應(yīng)非硬巖的需要。同理，在軟巖和軟土地情況下，本不需安裝滾刀，但在由于可能存在部分硬巖，又必須安裝滾刀，導(dǎo)致滾刀嚴(yán)重?fù)p壞，失去破巖功能。

5砂卵石地層中（尤其含大直徑漂石）長(zhǎng)距離隧道掘進(jìn)的工況下，刀具配置新的設(shè)計(jì)理念和思路

北京地鐵9號(hào)線(xiàn)06標(biāo)段，盾構(gòu)單線(xiàn)隧道長(zhǎng)度約為1238m，地層主要為卵石層、圓礫層、強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化礫巖層、強(qiáng)風(fēng)化粘土巖，局部為粉質(zhì)粘土層和細(xì)砂層。開(kāi)挖面圍巖不穩(wěn)定，粘土巖和強(qiáng)風(fēng)化礫巖的單軸抗壓強(qiáng)度為0.3～2.0Mpa，為極軟巖。詳勘報(bào)告中推測(cè)大于400mm粒徑卵石含量為15%～40%，隧道附近基坑內(nèi)有1500×2000mm漂石，不排除有粒徑更大的漂石存在，且隨機(jī)分布。隨機(jī)取樣卵石和礫石的單軸抗壓強(qiáng)度為120～187Mpa，石英和長(zhǎng)石含量為70%～95%。

盾構(gòu)廠家針對(duì)本標(biāo)段的地層在刀具配置方面提出了新的設(shè)計(jì)理念和思路。為了使刀具能夠充分發(fā)揮作用，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)使用了3130mm大直徑軸承，配備了1200kw的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，使刀盤(pán)的托困扭矩為774t.m，轉(zhuǎn)速可達(dá)0～3.2rpm，同時(shí)在刀盤(pán)面板和周邊焊接碳化鉻超硬耐磨板和耐磨網(wǎng)。刀具布置方面（初步預(yù)案），開(kāi)口槽密排寬幅切刀100把（帶耐磨合金頭）、面板上配備大橫斷面高耐磨雙層碳化鎢重型撕裂刀（先行刀）31把、刀盤(pán)外周和邊緣位置配備雙刃(17”)滾刀10把，中心錐形刀1把。滾刀和重型撕裂刀采用刀盤(pán)后裝式，可通過(guò)刀盤(pán)內(nèi)的轉(zhuǎn)接箱方便地進(jìn)行拆卸、互換。

刀具的破巖原理，利用刀盤(pán)高速轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的沖擊慣性能量，通過(guò)滾刀和大橫斷面重型撕裂刀進(jìn)行卵石、礫石和漂石的刀盤(pán)前“錘擊”破碎。但由于是在軟巖地層中掘進(jìn)，卵石、礫石和漂石在基巖內(nèi)不能被固定，不能提供給滾刀足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和滾刀切巖的支撐力，導(dǎo)致滾刀破巖失效。

6刀具配置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素

6.1實(shí)際施工時(shí)會(huì)遇到各種復(fù)雜地層，地質(zhì)資料提供的只是部分的鉆探資料，不能完全準(zhǔn)確反映實(shí)際地質(zhì)情況，因此在進(jìn)行刀具配置設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮對(duì)地質(zhì)進(jìn)行充分的分析和研究，刀具配置要有一定的富余和能力儲(chǔ)備；

6.2不同的工程地質(zhì)需配置不同的刀具，軟土地層只需配置切削型刀具；砂卵石地層除配置切刀外，還需配置先行刀；風(fēng)化巖及軟硬不均地層除配置切削型刀具外，還需配置先行刀、滾刀；在復(fù)合地層中，要保證不同種類(lèi)刀具相互可換性；

6.3刀具配置要覆蓋整個(gè)開(kāi)挖斷面，為保證刀盤(pán)受力均衡，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，刀具要對(duì)稱(chēng)性布置；切刀要正反方向布置，同時(shí)要確保每個(gè)軌跡有2把切刀；對(duì)切刀排列方式進(jìn)行選擇，整體連續(xù)排列或牙型交錯(cuò)排列；通過(guò)周邊刀保證開(kāi)挖直徑；保證滾刀純滾動(dòng)，要考慮周邊滾刀的安裝角度，同時(shí)增加周邊滾刀的數(shù)量；

6.4刀具安裝通過(guò)螺栓固定或設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接箱，便于安裝、拆裝、更換和修理方便；

6.5通過(guò)合理選擇耐磨材料和合金鑲嵌技術(shù)；對(duì)刀盤(pán)和開(kāi)口槽進(jìn)行耐磨處理；對(duì)加泥、加泡沫系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，減少刀具掘進(jìn)磨損和沖擊，提高刀具的耐久性，延長(zhǎng)刀具的使用壽命；

6.6適應(yīng)城市繁華地區(qū)施工的需要，綜合合理選擇刀具種類(lèi)和尺寸，確定刀具的超前量、相互高差，盡可能減少刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)刀具切削土體過(guò)程對(duì)周邊土體及環(huán)境的擾動(dòng)，盡量使各種刀具磨損均勻，充分發(fā)揮各種刀具的切削性能；

6.7配備刀具磨損監(jiān)測(cè)和報(bào)警裝置，如液壓式、電磁式、超聲波探測(cè)式。

7結(jié)束語(yǔ)

刀具配置關(guān)系到盾構(gòu)能否順利掘進(jìn)，必須根據(jù)地質(zhì)狀況認(rèn)真研究分析。在盾構(gòu)施工中合理的選取掘進(jìn)參數(shù)（如總推力、刀具貫入度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、扭矩等），最大程度的延長(zhǎng)刀具的使用壽命，減少換刀頻率，降低施工中頻繁換刀的風(fēng)險(xiǎn)，做好對(duì)刀具監(jiān)控、分析、比較、摸索，總結(jié)刀具的使用經(jīng)驗(yàn)，將結(jié)果反饋，指導(dǎo)施工。

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