盾构机刀盘、刀具磨损分析浅谈

盾构机刀盘、刀具磨损分析浅谈

摘要：造成刀盘和刀具的磨损是多方面的，而且很多都是不能定量分析的，但是只要综合土层性质、掘进参数、正确使用泡沫剂、适时开仓检查刀具和汲取以往的经验教训，就可能将刀盘和刀具的磨损量降到最小，从而达到保护刀盘、刀具的目的。

关键词：盾构机；刀盘；刀具；磨损

随着地铁建设的发展，盾构工法在地铁建设中起到了越来越重要的作用。它的优越性，实际上是得益于盾构机技术的发展，正所谓“工欲善其事，必先利其器”。盾构机之所以特别重要是因为它与其它施工机械不一样，它被形象地称为“度身定做”（taitor-made）的[1]。所谓“度身定做”度的什么身呢？就是根据特定的施工环境这个“身”来制造与之相适应的特定的盾构机。在盾构机选型中刀具的选择又是重中之重，要根据地质情况选择相匹配的盾构机，盾构机刀盘刀具布置是盾构机配置的最重要的部分。在实际施工过程中，若区间较长，需要进行开仓检查刀具和换刀，确保盾构机能够顺利到达出洞。笔者对深圳地铁2号线后海站～科苑站区间盾构隧道刀盘、刀具磨损情况进行了总结分析，可为类似工程盾构机刀具选型提供参考。

1工程概况

深圳地铁2号线是深圳市优先发展的轨道交通线路，是连接城市中心区与蛇口、南头半岛的纽带，也是特区内东西向交通走廊内的第二条轨道客运干线，沿途将经过蛇口、后海开发区、南山商业文化中心和深圳湾填海区，串联了上述片区主要的居住区和商业文化密集区，满足了南山与福田、罗湖二级客运走廊的客运需求。地铁2号线建成后在深圳世界之窗站与1号线换乘，将直接为300万以上的市民提供安全便捷的交通服务，能有效缓解南山区的交通压力。深圳地铁二号线某标段土压盾构机从后海站向科苑站方向掘进。本区间左、右线隧道平面最大曲线半径为1000m，最小曲线半径为400m，左、右线线间距13.2m～14.2m，区间隧道最大线路纵坡为28‰，最小纵坡为2‰，竖曲线半径最大为5000m，最小为3000m，隧道拱顶埋深为10m～15m。

2地质概况

区间场地原始地貌为滨海相潮间带（滩涂），后经软基处理由填海而成。由钻探揭示，覆土表层为人工填筑的素填土（填石、填砂），其下为第四系全新统海积淤泥、砾砂（含淤泥）、冲洪积粘土、砾砂，第四系上更新统冲洪积淤泥质

粘土、粘土、砾砂，中更新统残积砾（砂）质粘土，下伏基岩为燕山期粗粒花岗岩。根据花岗岩的特性及深圳地区地层的特点，在其残积土层中存在球状风化体，球状风化体的体积相对较小，在事前的地质钻探过程中难以精确地全部勘察清楚，在实际盾构施工过程中，碰到了的非常坚硬的球状风化体。

本标段盾构隧道洞身穿越的地层分布统计见表1，隧道洞身各地层比例见图1。

由上面图表可知，本标段隧道穿越的地层主要以⑧2、⑧3砂质粘性土地层为主，区间隧道穿越复合地层，对刀盘、刀具配置要求较高，必须能够适应地质软硬不均的需要。

3刀具配置

3.1刀具配置

刀盘设计采用了双刃滚刀刀盘设计，刮刀安装在碴土通道的一侧。该盾构机刀盘上刀具配置如下：（1）64把软土刀具（刮刀）；（2）16把边缘铲刀；（3）6把中心齿刀（中心区域）；（4）4把双刃滚刀；（5）10把正面齿刀；（6）1把超挖刀（超挖行程50mm）。刀盘上使用中心双刃滚刀和正面双刃滚刀以满足中等强度岩石地层的掘进要求。另可根据施工地层的变化适时进行刀具更换，在

软土地层掘进时，将滚刀更换成齿刀，刀盘布置如下图2。

图2刀盘刀具配置图

3.2盾构机开仓换刀后刀具配置

经过半个区间的掘进（约610米），到联络通道位置开仓检查刀具时发现：10把正面齿刀和内16把边缘刮刀刀头部分已基本磨完，磨损情况详见图3、图4；6把中心羊角刀尚无较大的磨损；1、3、5、7#辐臂上靠外的三把小刮刀（12#、14#、16#和11#、13#、15#，共计24把）磨损均较严重，磨损情况详见图5。

经过几天的开仓换刀，承包商将中心6把羊角刀更换为中心贝壳刀；10把正面齿刀均更换为双刃滚刀；此外还更换5把内边缘刮刀和9把小刮刀。

图3正面齿刀磨

损图4内边缘刮刀磨损图5小刮刀磨损4刀盘刀具的磨损情况及原因分析

盾构机经过开仓换刀后继续掘进剩余的半个区间（约600米），出洞后刀盘本身并无多大磨损量，各类刀具基本上完好。刀具磨损量并不是太大，原因如下：（1）刀盘/刀具有专门耐磨保护(刀盘面上焊有hardox板，外圈上有耐磨格条)，出洞后只是耐磨格条磨损了部分，真正起到图6刀盘耐磨保护保护刀盘的作用，耐磨格条如图6所示。

（2）该盾构机刀盘是承包商专门为本段区间地层设计制造的，适用于该区间地层，复合式刀盘，软土刀具可与17寸双刃滚刀互换。联络通道处将10把正面齿刀（软土刀具）全部更换为合金粒双刃滚刀使得刀盘在后半段区间的掘进过程中得到了很好的保护，出洞后只是刀具磨损几个毫米，刀盘本身并未发现有磨损。

（3）大碴土出口利于碴土流动

刀盘开口率为28‰，开口较大，保证切削下的碴土能顺利的进入土仓，不

在刀盘正面滞留过久造成刀盘/刀具的过多磨损。

（4）泡沫的使用

刀盘切削土体时注入泡沫用于碴土改良以降低刀盘及刀具的磨损，经泡沫调节后的土壤有以下特点和好处：①使支持压力传递到隧道开挖面；②流动性好；

③渗水性能低；④良好的弹性；⑤降低对盾构机刀盘的附着性；⑥减少对刀盘和刀具的磨损；⑦减少驱动功率。刀盘面上设置有8个泡沫喷射口，位置详见图7：1#喷射口——ARM1上,半径2540mm处；

2#喷射口——ARM8上,半径1630mm

处；

3#喷射口——ARM2上,半径1440mm处；

4#喷射口——ARM3上,半径2230mm处；

5#喷射口——ARM5上，半径760mm处；

6#喷射口——ARM5上,半径2800mm处；

7#喷射口——ARM6上,半径1920mm处；

8#喷射口——ARM7上，半径810mm处。

在刀具切削土体时，通过泡沫喷嘴往掌子面注入相应量的泡沫剂以调节和改良切削面土体的性能。由于本区间以⑧2、⑧3砂质粘性土地层为主，土体粘性较大，刀盘扭矩和驱动油压力均较大，排出的土壤成块、成团、很干燥，掘进时加入的水只是附着在土块的外表面，难以渗入土体内，几次开仓发现，很多粘土粘附在刀箱和进料口上，切削下的土壤未能顺畅的进入土仓内，造成刀盘和刀具温度长期居高不下，土仓壁的温度升至50°～60°，因此，刀具在切削土体时