1-3关于盾构机刀盘结构设计的几个问题
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关于盾构机刀盘结构设计的几个问题
中建市政建设有限公司张洪涛李钟
摘要: 土压平衡式盾构机的刀盘具有切削、支撑、搅拌、土体改良等功能，因此在控制掘进效率、保持开挖面的稳定等方面起着决定性的作用。
盾构选型时必须结合地层的特殊性和通用性来确定刀盘型式、刀具的布置形式以及他们之间的组合方式。
通过对两台面板式土压平衡盾构机在北京地铁四号线两个盾构区间掘进实例的研究，一定程度上掌握了刀盘、刀具磨损的基本规律，并针对性的采取了刀盘结构改造和刀具优化布置两大措施。
刀盘结构的改造是为充分发挥不同地层条件下辐条式刀盘和面板式刀盘的独特优势，实现两者间的转换。
将面板式刀盘的六块面板的装配形式改为栓接加焊接的形式。
根据地层确定是否需要加装面板，实现了低成本、短工期、快捷的刀盘型式转换模式，最大程度上发挥两种结构间的转换优势。
刀具布置形式优化是根据刀具的作用和运动轨迹对刀具的位置、形状进行合理的优化布置，增强刀具的切削能力、降低土体对刀具磨损进而达到保护刀盘本体，为盾构长距离掘进提供保障。
关键词：辐条式刀盘；面板式刀盘；刀盘结构设计；刀具布置形式
一、前言
盾构是集液、电、气于一体的大型机械化专用施工设备，主要用于城市地下隧道、管沟等施工。
目前应用最广泛的是闭胸式盾构，主要分为泥水式和土压平衡式。
土压平衡式盾构机在复杂多变的地质条件下，其刀盘的结构型式、刀盘的支撑形式、刀具的选型、刀具的布置将直接影响到设备掘进的效果。
二、刀盘的主要功能
针对不同的地层情况以及设备等情况，盾构的刀盘形式有很多，其主要功能为以下几点：
（1）切削功能：刀盘旋转时，通过布置在刀盘上各种形式的刀具切削土体，并将切削下来的土体刮到土仓。
（2）支撑功能：依靠辐条及辐条之间的面板起到支撑掌子面土体的作用。
（3）搅拌功能：通过刀盘的旋转及搅拌棒的配合作用，使土体与膨润土、泡沫等充分混合，以改善土体的和易性、可塑性，增强土体的流动性，便于出渣，提高掘进工作效率。
(4)控制出渣粒径：通过刀盘结构形式及刀盘开口率控制进入土仓内土体的粒径。
为了实现上述功能，刀盘形式上主要分为辐条式和面板式两类，还有一种是两者组合的复合式
刀盘，在该类型中中泥水土压平衡式盾构机的刀盘是真正的面板式，而我们通常意义上的面板式刀盘指的是复合式刀盘，在本文中统称为面板式刀盘。
几种结构形式的刀盘见下图。
图1 轮辐式刀盘 图2 面板式刀盘 图3 复合式刀盘
三、刀盘结构设计
辐条式刀盘和面板式刀盘的主要性能参数对比见表1。
表1 辐条式刀盘与面板式刀盘主要性能对比表
结合两种类型刀盘实际使用情况，根据的刀盘的功能我们在设计和改造刀盘时主要考虑以下几个问题：
（一）开口率
开口率是盾构刀盘上一个较重要的参数，直接影响到土体进入土仓的流动性。
辐条式刀盘因缺少面板以及辐条的圆柱形结构设计，开口率较大，切削下来的土很容易进入到土仓内；面板式刀盘因增加了面板以及辐条的箱式结构设计，加之刀具配置较多，开口率较小，切削下来的土体很难及时进入到土仓内，加速了刀具的磨损。
所以开口率的大小一方面影响到出渣粒径，另一方面直接关
系到刀盘的磨损速度。
（二）支撑作用
辐条式刀盘和面板式刀盘起支撑作用的主体不同。
辐条式刀盘土仓内外的压差很小，从土仓内的土压计上易确定土压值，为掘进过程中的控制提供了真实有效的依据，但其支撑作用主要是靠土仓壁完成的；面板式刀盘承受着来自掌子面上的土压力，起到很好的支撑作用。
但土仓内的土压力不仅与掌子面的土压力有关，还与土仓内土体的密实度有关，掌子面和土仓内土压存在一定差值，且这个差值受到刀盘旋转位置、推进速度等多方面的影响，不确定性较强，这样我们还将土仓内的土压值视为掌子面的土压值来指导掘进势必导致一定得误差。
（三）切削作用
影响刀盘切削功能的主要是刀具的形式及其布置形式。
在软土和砂卵石地层中，完成切削功能的主要刀具切削刀。
目前无论是辐条式还是复合式均采用齿刀切削土体，只是齿刀的尺寸、形式、布置位置、装配方式上有差别；刮刀的形式差别较小，且多为装配的方式（表2、图4、图5、图6、图7）。
表2 刀具对比表
图4辐条式周边先行刀图5面板式周边先行刀图6面板式先行刀图7面板式切削刀
四、刀盘改造实例
（一）刀盘结构转换
我单位采购的三台日系土压平衡式盾构，两台为面板式刀盘（见图8），一台为辐条式刀盘(见图9)，其中北京地铁四号线四标采用两台面板式刀盘的土压平衡式盾构机本区间盾构穿越全断面砂卵石地层，卵石粒径一般为20-60mm，最大粒径180mm，亚圆形，粒径大于20mm的颗粒含量约占全重的55%，卵石主要成分为辉绿岩、砂岩等，中粗砂充填，含砂率在25%-40%之间。
本盾构刀盘辐条采用箱式结构，为了防止大粒径卵石进入土仓，在六根辐条的中间引入6块面板，使整个刀盘的开
口率仅为39%，且整个刀盘辐条平面与刀盘外周采用直角结合结构。
在首个1200米区间掘进过程中，左线掘进至688米时，掘进参数出现明显的异常：刀盘扭矩减小，推力增加，推进速度较慢。
经过对掘进参数的综合分析判断，确定是刀盘磨损比较严重，需要进行修复。
经过在盾构机的前方开挖工作井检查发现刀盘外周磨损严重，外周12把周边刀全部脱落，刀盘开挖直径已经小于盾壳的外径。
结合辐条式刀盘在同类地层掘进过程中掘进参数的研究对比总结发现：面板式刀盘因面板作用在控制粒径、土体稳定性上有着明显的优势，同样受开口率的影响，切削下来的土体不能及时进入土仓，增加了对刀盘本体、刀具的磨损，且面板式刀盘旋转扭矩和千斤顶推力均高于辐条式刀盘。
基于两者特有的优势提出了刀盘结构转换理论：即在满足刀盘作为辐条式刀盘使用的强度和功能的前提下，做到面板灵活增减。
面板采用栓接加局部焊接的形式，焊接只是为了增加栓接的强度。
通过面板的灵活调整，实现刀盘开口率可调、提高刀具切削作用充分发挥刀盘结构形式的优势，增强刀盘的通用性。
图8面板式刀盘图9 辐条式刀盘
（二）刀具布置形式优化
软土地层两种类型刀盘的设计均是在外周焊接12把周边先行刀，这种刀的高度、长度都较辐条上同类型先行刀要大，它也是除了中心刀外最先与掌子面接触的刀具。
在旋转的过程中线速度最大，扭矩也是最大的。
通过周边先行刀将刀盘切削范围内的土体与外界土体分离，这样有效的减少了其它刀具在切削过程中的摩擦力。
因此必须采取有效的措施，提高周边先行刀的使用寿命。
根据前两个区间的掘进实例发现刀盘的外周圈与辐条和面板为直角组合结构，且刀盘的外圈未进行强化处理，造成刀盘外圈的前半部磨损严重，极易造成周边先行刀的脱落。
因此根据切削刀的切削理论（见图10）在外周引入24把拴接式切削刀（图11、图12、图13），起到保护刀盘本体，达到防止先行刀
脱落的问题。
受刀具的母体材质影响，母体在掘进过程中磨损尤为严重，针对这种情况，在新刀盘的设计或者前应采取相应的保护措施。
保护措施主要有三种：一种在周边增加了保护刀保护块，二是刀具母体上堆焊耐磨层，三是在焊口的上方加焊耐磨层。
图10 切削原理图 图11 切削刀侧视图
图12 切削刀安装位置 图13切削刀图
五、结束语
刀盘的结构及刀具的配置直接关系到掘进的效果和效率，因此针对不同的地层情况进行有针对性的设计和调整，通过合理的优化，将有效延长刀盘、刀具的使用寿命，降低了施工的成本，且为盾构长距离施工的提供了可靠的保障。
参考文献
①张庆贺. 地铁与轻轨， 北京：人民交通出版社. 2000
②尹旅超 朱振宏 李玉珍. 日本隧道盾构新技术，武汉：华中理工大学出版社，1999
③张凤祥 朱合华 傅德明，等. 隧道技术，北京：人民交通出版社.2004
④地盘工学会. 盾构法的调查·设计·施工， 北京：中国建筑工业出版社.2008
周边刮刀。
