试论盾构刀盘选型的设计与应用

试论盾构刀盘选型的设计与应用

摘要：盾构的刀盘结构形式与工程地质情况有着密切的关系，不同的地层应采用不同的刀盘结构形式，因而刀盘选型和刀具的选择成为了盾构的关键技术。采用什么样的刀盘结构和刀具配置才能够满足盾构机在北京地区隧道掘进过程中达到最小的刀具磨损、最少的换刀次数，甚至中途不换刀的目的，使盾构机的性价比达到较高水平，这是我们应该深入研究的问题。

关键词：盾构；刀盘选型；设计；应用

abstract: shield cutterhead structure and engineering geological situation is closely related to the different strata should be used to the different structure of the cutterhead, thus the cutterhead selection and tool selection has become the key technology of the shield. the cutterhead structure and tool configuration what shield machine to be able to meet the minimum tool wear in the beijing area tunneling minimum number of tool changes, and even half-way without tool change the purpose, so that the value for money of the shield machine reaches a higher level, we should study the issues in depth.

keywords: the shield; cutterhead selection; design; application

中图分类号：s611文献标识码：a文章编号：

盾构是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备，它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点，在城市隧道的开挖中得到越来越广泛的应用。盾构在施工中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。在掘进过程中作为盾构机关键部件之一的刀盘受力复杂，工作环境恶劣。刀盘的结构关系到盾构工程的成败、开挖效率、使用寿命及刀具费用。即盾构的刀盘结构形式与工程地质情况有着密切的关系，不同的地层应采用不同的刀盘结构形式，因而刀盘选型和刀具的选择成为了盾构的关键技术。

1．刀盘选型

1.1盾构机刀盘形式

刀盘的功能是开挖、稳定掌子面和搅拌碴土。刀盘的结构形式有面板式和辐条式两种，具体应用时应根据施工条件和土质条件等因素决定。泥水盾构采用面板式刀盘；土压平衡盾构根据土质条件可采用面板式或辐条式。对于土压平衡盾构，采用面板式刀盘时，由于泥土流经刀盘面板的开口土仓，盾构掘进时土仓内的土压力与开挖面的土压力之间产生压力降，且压力降的大小受面板刀开口的影响不易确定，从而使得开挖面的土压力不易控制。辐条式刀盘仅有几根辐条，切削下来的土体直接进土仓，没有压力损失，同时在辐条后设有搅拌叶片，土、砂流动顺畅，土压平衡容易控制。因此幅条式刀盘对砂、土等单一软土地层的适应性比面板式刀盘较强。针对北京的地质条件以及本工程地铁隧道埋深不超过25m的情况，

采用什么形式的刀盘将直接影响盾构机的掘进效果，而且造价相差约为盾构机造价的4%～8%。

根据北京地铁6号线一期一标所处的地质条件，我们与盾构机生产厂家共同研究如何进行刀盘选型。既能够适应本工程地质条件，同时又能适应螺旋输送机正常出土允许最大尺寸的石碴；刀盘的开口率能适应不同地质条件快速掘进的要求；在容易塌方的地段施工，工作人员需在刀盘作业面施工时，由于面板的抵挡土体作用较强，在这种情况下，适于选用面板式刀盘形式。考虑到安全因素，本次工程掘进距离较长,且要穿过砂卵地层,很可能需中途换刀，因此采购的盾构机刀盘选用面板和辐条相结合的刀盘型式，刀盘上分别留有六个外加剂注入口以满足土体改良需要。

1.2盾构的开口

根据本标段地层条件以砂卵石和粉质粘土为主，为使渣土易于流动，防止结泥饼，提高开口效率，刀盘开口槽设计为楔形结构，使刀盘中部开口逐渐变大，利于渣土向土仓内流动，本盾构机开口率为47%。

2．刀具的选择

刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常重要的内容。刀具布置方式及刀具形状是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。

2.1刀具布置

对于全断面切削的辐条面板相结合式刀盘，从盾构机的发展历

史看，刀具布置有两种方式：第一种为刀具整体连续排列方式，因其切削阻力较大，盾构机密封舱内土体流动性差，现已很少使用，仅偶尔在切削阻力小的淤泥质地层中采用；第二种为刀具牙型交错连续排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌而被广泛使用。目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。我公司采购的盾构机，其刀具布置就是采用该方式。

根据北京市地铁隧道施工中可能碰到的三种主要地质条件，刀具布置时应按照牙型交错连续排列的原理，确保盾构机刀具的切削轨迹布满开挖全断面；另针对不同切削要求(包括不同地质的要求)，本标段盾构机设置齿刀（94把）、周边刮刀(12把)、先行刀(42把)、鱼尾刀（1把）、仿型刀（2把）。

2.2刀具的安装形式

根据刀片材质，考虑到本工程大多在软弱的土质中使用，特别是在粘土层中，并且参照许多同类土质的施工实例，因此采用韧性及耐磨性优越的e3材质，并且考虑盾构机的重复使用及切削刀磨损而进行更换的情况，在结构安装上齿刀考虑采用螺栓联接的形式，先行刀和中心鱼尾刀采用焊接形式以便在维修及切削刀具磨损较严重时，可以方便地更换。为保证刀盘在长距离掘进过程中减小磨损，在刀盘面板上以及刀盘外圆周加焊耐磨条。

2.3刀具形状及其作用

刀具的形状必须适应施工地质的特点，并且刀具在切削断面不同的位置其作用及要求均不同，因此应对刀具进行设计。针对北京