黃 旭(上海力行工程技術發(fā)展有限公司， 上海 200000)

0 引言

盾構法是在地表以下土層或軟巖層中暗挖隧道的一種施工方法。盾構掘進法的設想于19世紀產生于英國，至今已有200年歷史。由于盾構掘進法避免了明挖，既減少了對地面的影響，降低施工對環(huán)境的污染，又可以節(jié)省工程投資，因此，盾構掘進法已成為一種廣泛采用的隧道施工技術[1]。

盾構法使用的掘進機(以下簡稱“盾構機”，見圖1)是一種隧道掘進的專用工程機械。其優(yōu)點是適于大深度、長距離、各種直徑的管線隧道施工，并能適應各種軟硬地層的開挖。國內外工程實踐表明，盾構機在施工中會遇到各種不同地層，從淤泥、粘土、砂層到軟巖及硬巖等各種不同地層。盾構機刀盤是盾構機的核心部件，其主要起到開挖土體、穩(wěn)定工作面及攪拌土砂的功能，因此在掘進過程中刀盤的工作環(huán)境惡劣，并且受力復雜。盾構機刀盤的型式及其盾構機刀具質量是否合格關系到盾構機的開挖效率、盾構機使用壽命及施工能否順利進行，而工程地質及水文地質條件決定了刀盤型式及刀具配置。

盾構機開挖的地層一般由多種土質構成，在其推進過程中，由于刀盤選型不合理導致施工不能順利進行的時候，僅僅通過增加刀具數(shù)量、改變刀具型式或者改變盾構機推進速度并不能保證盾構機順利掘進，而且還有可能適得其反。因此選擇合適的刀盤型式并且配置滿足設計要求刀具，是保證盾構機順利掘進的必要條件。

1 盾構機刀盤型式

盾構機配置的刀盤型式主要有面板式、輻條式以及復合式刀盤。下面實例分析這3種刀盤型式：

a. 面板式刀盤(見圖2)。

面板式刀盤適用于淤泥質粘土、粉砂、極細沙、中粗沙等軟土地層。

上海軌交12號線桂林公園～漕寶路站，地質是灰色淤泥質粘土、灰色粘土、灰色砂質粉土夾粉質粘土，該區(qū)間盾構機配置面板式刀盤，2013年4月始發(fā)，2013年12月初盾構機推進完成，總里程1.1km, 施工效果良好。上海軌道交通13號線二期東明路站～華鵬路區(qū)間，地質是灰色淤泥質粘土、層灰色粘土，該區(qū)間盾構機配置面板式刀盤，2016年9月底始發(fā)，2017年8月初盾構機推進完成，總里程1.3km, 盾構機設備施工效果良好。蘇州軌交2號線9標段桐涇公園站～長吳路站～寶帶西路站，總里程1.1km；寧波軌交1號線二期工程TJ1211標東環(huán)南路站～五鄉(xiāng)西站區(qū)間，總里程1.0km；武漢市軌道交通6號線20標金銀湖站～環(huán)湖西路站區(qū)間，總里程2.1km，上述區(qū)間地質條件主要是軟土、及粘土，這些地層土質強度低，富含地下水，盾構機配置面板式刀盤，施工效果良好。

圖1 盾構機總圖Fig.1 Shield machine assembly drawing

b. 輻條式刀盤(見圖3)。

輻條式刀盤適用于淤泥、砂質粉土、細中砂、礫石、砂卵石地層。與面板式刀盤相比，輻條式刀盤開挖地層的強度高于面板式刀盤。輻條式刀盤周邊可以布置滾刀，破碎部分硬質地層。

北京地鐵14號線06標菜戶營站～西鐵營站區(qū)間區(qū)間，北京地鐵16號線馬連洼站～肖家河站區(qū)間，地質是粉砂、細中砂、砂礫、礫石、砂卵石等，該兩區(qū)間盾構機配置輻條式刀盤，2013年8月底始發(fā)，2014年6月初盾構機推進完成，總里程1.3km, 施工效果良好。昆明市地鐵1號線得勝橋站～環(huán)城南路站區(qū)間，地質是黏土層、淤泥質粘土層、粉質黏土層、中風化泥質沙礫、粉土層及泥巖，該區(qū)間盾構機配置輻條式刀盤，2012年7月始發(fā)，2013年11月盾構機推進完成，總里程1.1km,施工效果良好。武漢軌交6號線15標三眼橋北路站至唐家墩站區(qū)間地質是細砂、粉細砂、粉砂、淤泥黏土夾粉土，該區(qū)間盾構機配置輻條式刀盤，2015年9月始發(fā)，2016年1月盾構機推進完成，總里程711m,施工效果良好。上述地層土質為淤泥、粘土、粉質粘土、砂質粉土、粉砂、細中砂、砂礫、礫石、砂卵石、飄石等地層，這些地層土質有一定的強度，并可能含有卵石、飄石等少量硬巖，盾構機配置輻條式刀盤，施工效果良好。

哈爾濱軌道交通2號線一期工程大耿家站～龍川路站區(qū)間，該區(qū)間地質是細砂、中砂，局部穿越粉質黏土，粉砂、礫砂地層。該區(qū)間盾構機2017年6月始發(fā)，2017年11月盾構機推進完成，總里程1.33km。盾構機原計劃配置純輻條式刀盤，后來在刀盤上增加了刀盤面板，導致輻式刀盤變?yōu)槊姘迨降侗P，其盾構機掘進過程不順利，額外增加了很多施工成本。因此輻條加面板刀盤，在細砂、中砂，局部穿越粉質黏土，粉砂、礫砂地層土質不宜采用。

圖3 輻條式刀盤
Fig.3 Cutter wheels of spokes type

c. 復合式刀盤(見圖4)。

復合式刀盤適用于開挖全斷面硬巖，在盾構機掘進時遇到軟土地層時，更換刀具配置，刀盤變換為軟土掘進模式。

南京市高淳城際快速軌道南京南站至祿口機場段工程：(3#井～勝太路站)、TA01-1段(區(qū)間風井～高架過渡段)，其地質是全風化安山巖、中風化安山巖、微風化安山巖、粉質黏土、粉土等，硬巖區(qū)間地層硬度100Mpa以上，該區(qū)間盾構機配置復合式刀盤，2012年5月始發(fā)，2013年7月盾構機推進完成，總里程2.0km,施工效果良好。上述盾構機掘進區(qū)間，有一段區(qū)間是軟土地層，不適合盾構機硬巖刀盤模式掘進，此時在盾構機掘進自硬巖區(qū)間進入軟土區(qū)間時，盾構機停止推進，并對盾構機土倉保壓，此時工人進入土倉內更換刀盤上的刀具，刀具更換完成后，即完成刀盤硬巖至軟土模式轉換，使盾構機硬巖刀盤模式轉換為軟土刀盤模式，模式轉換完成后，盾構機繼續(xù)掘進，施工效果良好。深圳地鐵7號線7306標黃木崗站-八卦嶺站-紅嶺北站區(qū)間，其地質是全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖、礫質粘性土、粗砂、卵石，硬巖區(qū)間地層硬度100Mpa以上，該區(qū)間盾構機配置復合式刀盤，2014年5月始發(fā)，2015年3月盾構機推進完成，總里程900m,施工效果良好。上述地層全斷面硬巖，并含有不連續(xù)軟土地層，盾構機配置復合式刀盤，施工效果良好。

配置復合式刀盤的盾構機，盡管軟土模式時，其開挖軟土效率低于輻條式刀盤，但是可以連續(xù)掘進硬巖和軟土地層，所以開挖硬巖地層時優(yōu)先選擇復合式刀盤。

2 盾構機刀盤配置的刀具型式

盾構機刀盤配置的刀具是開挖土層的關鍵部件，在掘進過程中損壞率高，是易損部件。刀具使用壽命不僅與刀具制造質量有關，還與刀具選型和配置有關。因此，刀具的選型和配置直接影響到盾構工程施工的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。盾構機刀具合理選型和配置，往往能在施工中起到事半功倍的效果。

盾構機刀盤合理配置有先行刀與切削刀(見圖10，11， 14，15)，將更有效增加刀具使用壽命。盾構機刀盤上先行刀和切削刀高低分層配置的工作原理：在刀具切削土層時，先行刀首先在土層被切削面上切出溝槽，然后由切削刀切下土質。由于土層被切削面存在先行刀切削的溝槽，故切削刀切除土質的效率大大加強。

在盾構機掘進過程中，刀具理想狀態(tài)是刀具正常磨損。但是實際使用刀具時，刀具有多種失效型式，主要是刀具合金脫焊、崩刃和折斷[2]。而盾構機所使用的非標準化刀具，其合金的脫焊是導致盾構機刀具失效的主要原因。而目前盾構機的刀具合金的焊接，主要是人工操作，因此工人職業(yè)素養(yǎng)高低，是導致盾構機刀具不合格主要因素。因此對盾構機刀具焊接強度的檢驗，至關重要。由于盾構機刀具合金崩刃和折斷是盾構機刀具不合格的次要因素，本文暫不討論。

目前使用的盾構機刀具一般分為兩大類:滾刀刀具、切削刀刀具。

滾刀刀具它們主要由刀圈、刀體(套)、刀軸、軸承、金屬浮動密封環(huán)、刀蓋(座)及聯(lián)接螺栓等部件組成(見圖5)。

圖5 滾刀總圖Fig.5 Disc cutter assembly drawing

滾刀刀具工作原理。滾刀在推力和和滾動力(轉矩)的作用下，推力使刀圈壓入巖體，滾動力使刀圈滾壓巖體(見圖6)。通過滾刀對巖體的擠壓和剪切使巖體發(fā)生破碎，在巖面上切出一系列的同心圓(見圖7)。

圖6 滾刀破巖示意圖Fig.6 Principle of cutting rock with disc cutter

切削刀是由刀體和刀刃兩部分組成的，刀體是與刀盤連接的部分、刀刃安裝在刀體上其作用是切削土層。切削刀與刀盤的連接型式有焊接型式和螺栓連接型式，替換滾刀部位的切削刀或先行刀與滾刀的安裝方式相同。

圖7 滾刀破巖軌跡圖Fig.7 Cutting path

切削刀刀具工作原理。在推力的作用下，切削刀貫入土層或巖層中，刀盤帶動刀具轉動時刮削巖層，在土層被切削面形成一環(huán)環(huán)犁溝，特點是切削土層效率高，刀盤轉動阻力大。通過切削刀切削土層，渣土隨切削刀正面進入刀盤土倉(見圖8，圖9)。

圖8 切削刀切削硬巖地層Fig.8 Main bits cutting rock

圖9 切削刀切削軟土地層Fig.9 Main bits cutting soil

3 盾構機刀具強度分析

3.1 刀具型式

a.先行刀

刀盤順時針或者逆時針轉動，帶動先行刀順時針或者逆時針轉動達到切削土層的目的，使先行刀在土層面先行切出切削刀刀槽。

b.切削刀

刀盤順時針或者逆時針轉動，帶動切削刀，使切削刀在先行刀切削的刀槽上，順利切削土層。切削刀的結構應該容易切下土層、易于排土并且耐磨損。

根據(jù)要求，設計刀具如圖11所示。

圖10 先行刀Fig.10 Face bits

圖11 切削刀Fig.11 Main bits

3.2 試驗條件

試驗設備采用Y32-100型1000KN四柱液壓機(圖12)。刀片材料均采用硬質合金DG40，刀體使用材料42CrMo并熱處理。焊料為銀基焊料，溶劑使用脫水硼酸和氟化鉀的糊狀混合溶劑。刀具見圖14和圖15。

圖12 試驗設備圖Fig.12 Equipment for testing cutters

圖13 刀具試驗安裝圖Fig.13 Fixture for verification of cutters

3.2.1 隨機選取四把待驗收標準切削刀，編號NO.1刀具、NO.2刀具、NO.3和NO.4刀具。

3.2.2 按理論工作極限載荷對NO.1、NO.2和NO.3刀具加載，對NO.4刀具進行破壞性加載載荷。載荷方向與刀片焊接面平行，記錄數(shù)據(jù)并分析結果。

3.3 試驗結果分析

油缸內徑面積S2=379.94cm2；刀具焊接強度設計值不低于210Mpa。

標準切削刀試驗數(shù)據(jù)。

表1 刀具及液壓缸油壓壓強

設計要求：

P1≥τ

因為F=Q可知

(1)

式中：τ—設計的刀具焊接強度(Mpa)；F—加載壓力(N)；Q—焊縫承受剪切力(N)；P1—試驗焊縫強度(Mpa)；P2—試驗油缸壓強(Mpa)；S1—刀片焊接面積(cm2)；S2—試驗油缸內徑面積(cm2)。

計算結果：P11=80.84Mpa；P12=87.57Mpa；P13=74.10Mpa；P14=222.4 Mpa

模擬載荷與設計載荷百分比：

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知：NO.1刀具、NO.2刀具和NO.3理論極限工況所受到的載荷占設計載荷最大為41.7%，其刀具本身變化如下：

a刀片可見輕微壓痕；

b刀片無可見變形；

c無刀片脫落；

d無刀片崩裂。

NO.4刀具焊縫被加載到222.4Mpa時，焊縫被破壞失效。其焊縫臨界失效強度222.4Mpa大于焊縫設計強度210Mpa，焊縫強度滿足設計要求。NO.4刀具剝落刀片如圖16：

圖14 標準切削刀Fig.14 Main bits

圖15 先行刀Fig.15 Face bits

NO.4刀具被剝落刀片有如下特征：

a刀片焊接表面有少量焊縫不均勻；

b 刀片有撕裂崩刃；

c 刀片可見輕微壓痕；

圖16 NO.4刀具被破壞刀片F(xiàn)ig.16 Damaged NO.4 cemented carbide blade

圖17 破壞性試驗刀片的刀座及工裝Fig.17 Fixture used for cutters destructive test

根據(jù)上述試驗結果，在確定盾構機刀具型式和焊接方式的前提下，刀具焊接前需檢查刀具焊接面與合金焊接面是否平整，焊接過程中檢查刀具焊接面殘留的空氣是否及時排出。

4 結論

1.面板式刀盤適用于淤泥質粘土、粉砂、極細沙、中粗沙等軟土地層。輻條式刀盤適用于淤泥、砂質粉土、細中砂、礫石、砂卵石地層。復合式刀盤既適用于開挖全斷面硬巖地層，又適用于開挖同時存在硬巖和軟土地層。

2.刀具焊接應作出廠檢驗，并符合試驗要求。

[1] 張鳳祥. 盾構隧道施工手冊[M]. 北京：人民交通出版社，2005.5.

[2] 王貴成. 釬焊硬質合金刀具的破損及其控制[J]. 硬質合金， 1989(1).

[3] YASUO Yamane Development of the cutting tool [A].BeiJing:International Academic Publishers 1994.

[4] 鄒積波. 盾構刀具磨損原因探析[J]. 建筑機械化，2003(11).

[5] 何其平. 土壓平衡盾構刀盤結構探討[J].工程機械，2003(11).