浅谈北京地区盾构刀盘选型

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摘要：本文结合盾构施工中的实践经验，对北京地区盾构刀盘选型过程中常见

问题进行论述，为此类盾构刀盘选型提供参考。

关键词：盾构施工刀盘选型刀盘形式刀具

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

在科技飞速发展的今天，盾构在城市隧道的开挖中得到越来越广泛的应用。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，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。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。

一 特点

1 盾构机刀盘选用面板和辐条相结合的刀盘型式，满足工程掘进距离较长,且要穿过砂卵地层,很可能需中途换刀需要。

2 采用牙型交错连续排列方式刀具，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。

3 采用设计为楔形结构的刀盘开口槽，使刀盘中部开口逐渐变大，利于渣土向土仓内流动，防止结泥饼，提高开口效率。

二 使用范围

粉细砂、中粗砂、圆砾卵石、粘土、粉质粘土地层及由以上相互组成的复合地层。

三 刀盘选型

现以北京地铁6号线一期土建施工01合同段为例，具体说明盾构选型过程中的相关观点及看法。本段线路位于北京城区东部，沿线地形基本平坦，起伏不明显，全线地势西高东低。钻孔孔口自然地面标高为32.00～36.33m，与周边场地基本相平。土体从上而下依次为：粉土填土、杂填土、粉土、粉质粘土、粘土、粉细砂、粉质粘土、粉土、粉细砂、中粗砂、圆砾卵石、中粗砂、粉细砂、粉质粘土、粉质粘土。盾构区间部分区域需要穿越中粗砂和砂卵石地层。

1 盾构机的刀盘形式

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进人土仓，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人土仓，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。(比较结果详见表)针对北京的地质条件以及本工程地铁隧道埋深不超过25 m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％。在对两种型式的刀盘特性进行了比较。

辐条式及面板式刀盘特征比较

根据上述的地质条件，我项目部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。

2盾构的开口率

根据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％。

盾构机刀盘结构

3 刀具的选择及布置

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。

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，见图。

刀具布置图

根据北京市地铁隧道施工中可能碰到的三种地质条件，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）。按照各种刀具的特点及作用，经过分析比较，各种刀具可采用下图的布置方式。

4刀具的形状及作用

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。针对北京地铁隧道穿越三种主要地层的特点，刀具选型时应考虑以下要素。

①刀具在砂、砂卵石地层中的切削效率，即如何减少切削阻力，保证切削土体的流动性；②通过刀具形状的改变，减少刀具掘进磨损，提高刀具的耐久性；③适应城市繁华地区施工的需要，尽可能减少刀盘旋转刀具切削土体过程对周边土体及环境的干扰，如振动、噪音等；④材料和设计方面因素，对解决盾构机在砂卵石地层掘进时刀具的磨损(包括撞击掉块等)提出切实可行的措施，保证盾构机刀具长距离掘进的可靠性。

1) 刀具的类型及切削原理

目前盾构机刀具按切削原理划分，一般公认有滚刀和齿刀两种类型(根据隧道围岩性质不同、切削目的不同，这两类刀具还可进一步细分)。滚刀的切削原理主要是刀具依靠挤压破岩，一般用于岩石隧道的掘进。当虽然穿越松散地层但有大粒径的砾石(粒径大于400mm)、并且含量达到一定比例时，也可采用滚刀型刀具。另在隧道地质条件复杂多变、岩石(强度不算太高)与一般土体(或粘土或砂土)交错频繁出现的情况，也有可能采用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。北京地区一般不需要采用滚刀型刀具，在西四环向东的北京市大部分地区不需要。

齿刀的切削原理则主要是盾构机向前推进的同时，刀具随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力，不断将开挖面前方土体切削下来。切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散体地层。

2)主要刀具形状及作用

① 齿刀

齿刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，齿刀一般形状如下图所示。一般情况下，β(前角)与α(后角)值随切削地层特性不同变化，取值范围在5°～20°之间，粘土地 层稍大，砂卵石地层稍小。针对北京市地层特点，β(前角)和α(后角)值采用15°。

② 先行刀

先行刀即为先行切削土体的刀具。先行刀在设计中主要考虑与齿刀组合协同工作。刀具切削土体时，先行刀在齿刀之前先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的切削条件。据其作用与目的，先行刀断面一般比齿刀断面小。采用先行刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少切削刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层使用效果十分明显。为了减轻切削刀和边缘刮刀的荷载，减少刀具磨损，刀盘配置了先行刀，并且先行刀分为A型与B型两种类型。A型先行刀共36把分布在辐条前端，用于保护辐条和正面刮刀；B型先行刀共6把分布在刀盘面板外侧，用于保护周边刮刀和刀盘最外圈。盾构机穿越砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层时，若采用滚刀型刀具，因土体屑松散体，在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，大大降低滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。针对北京市大粒径砂卵石地层的特性，采用先行刀，将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石。

③中心鱼尾刀

采用大刀盘全断面切削土体，布置在幅条上不同位置的切削刀，从刀盘外周至中心，运动圆月逐渐减小，中心点理论上可以视为零。换言之密封舱内切削土体的运动长度也是由外至内逐渐变小，相应土体流动状态也是越来越差。而且中心支撑部位(直径约1.4m)不能布置切削刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，在中心部位设计一把尺寸较大的中心鱼尾刀。

④ 仿形刀

盾构机一般设计两把仿形刀(一把备用)，布置在辐条的两端。本机刀盘设置两把仿形刀（其中一把为备用），行程均为175mm，可用于方向修正、曲线施工时的超挖：可操作仿形刀，仅对需要超挖的部分进行挖掘。也可以根据行程以及位置（角度）的设定，随着刀盘的转动，自动进行超挖。

5 刀盘的支撑方式

支撑方式一般分为中心支撑方式和中间支撑方式，中间支撑方式具有以下优点：刀盘的支撑位于中间,刀盘强度大；刀盘密封集中于中间部，可靠性高； 机械加工部位小，制作精度高，中心部的有效空间大。因此在在大负荷、偏负荷的场所，多使用中间支撑形式。鉴于上述原因，我公司选择使用的支撑形式为中间支撑形式。

四刀盘使用寿命分析

1刀盘磨损概述

刀具切削土体会造成刀具的磨损，为提高刀具的耐磨特性，延长刀具使用寿命，刀具的前端通常焊接耐磨性非常高的超硬合金刀刃。超硬合金采用E3标准。由于超硬合金韧性较差、抗冲击能力弱，刀具根据土质的不同，需要改变超硬合金刀刃的镶入方法，以弥补其弱点。当切削地层为砂卵石，尤其是大粒径砂卵石时，刀具受卵石冲击易造成崩刀（合金刀刃崩裂），此时不能用单纯的滑动磨擦理论描述，因此很难定量计算摩损量。刀具的磨耗分析可按照滑动距离和挖掘土方量两种方法计算，按滑动距离计算与实际状况误差较小，一般使用此方法。

根据上述观点，刀盘刀具的磨损难以精确预算，本资料根据以下参数和假定，尽可能参考相似挖掘事例来进行分析和计算。

刀具磨损计算参数与假定条件如下：

① 盾构施工标段各类土体区间长度计算

② 不同土体性质下下刀具磨耗量（mm）

③ 刀具的滑动距离（km）

④ 根据上记②③得出的刀盘磨耗系数（mm/km）

⑤ 掘进速度和转速

2 刀具的磨损形态及磨损系数

近年来的盾构挖掘施工中，刀盘上配置了先行刀等辅助刀具，有效降低了切削刀的磨损，提高了刀盘挖掘性能和耐久性。当先行刀尚未磨损或磨损轻微，能有效保护切削刀时状态称为“先行保护状态”。

如果先行刀磨损至与切削刀高度相同时，先行刀几乎不起作用，切削刀磨损急剧增大，这种情况称为“无先行保护状态”。

3 先行刀磨损量计算

先行刀磨损计算公式如下：

式中：δ——刀具磨损量

L——挖掘距离

K——刀具磨损系数

D——挖掘外径＝ 6.18 m

N——刀盘旋转速度＝ 0.95 min-1

V——推进速度＝ 0.03 m/min

先行刀容许磨损量设为20mm，根据区间内不同土质比例统计计算磨损如下表：

先行刀磨损计算表

挖掘距离 1720m（砂土：65％、粘性土：35％）

磨损系数 36×10-3 mm/km

容许磨损量 50.0 mm

计算磨损量 38.1 mm

容许磨损余量 11.9 mm

注：磨损系数：（50×0.65＋10×0.35）×10-3＝36×10-3（mm/km）

4 切削刀磨损量计算

切削刀的磨损计算根据有先行刀保护区间和先行刀磨损后无保护区间来进行探讨推定的。

以下的公式表示为刀盘磨损推定量：

式中：δ——刀具磨损量

L——挖掘距离

K——刀具磨损系数

D——挖掘外径＝ 6.18 m

N——刀盘旋转速度＝ 0.95 min-1

V——推进速度＝ 0.03 m/min

先行刀容许磨损量设为25 mm，根据区间内不同土质比例统计计算磨损如下表：

切削刀磨损计算表

掘进距离 1720m（砂土：65％、粘性土：35％）

先行防护有无 有

磨损系数 18×10-3 mm/km

容许磨损量 25 mm

计算磨损量 19.0 mm

容许磨损余量 6.0 mm

注：磨损系数：（25×0.65＋5×0.35）×10-3 ＝18×10-3（mm/km）

5 刀具寿命的计算结果分析

按照类似土质的施工事例所得出的磨损系数，本工程地质条件和施工距离条件最严峻的甜水园站—十里堡路站区间的土质条件下刀具计算结果如下：

① 区间挖掘完后先行刀的计算磨损量为38.1 mm，容许磨损余量为11.9 mm，先行刀在整个区间（1720m）的挖掘过程中始终有效地保护切削刀。

② 区间挖掘完后切削刀计算磨损量为19.0 mm，容许磨损余量为6.0 mm。

③ 根据上记计算的结果，对于本区间的地质条件，1720 m的施工过程中完全不需要更换刀具。

五刀盘选型结论

经过北京地铁6号线盾构在砂层、圆砾卵石、粘土、粉质粘土地层及复合地层中施工并顺利贯通。掘进过程中未出现因刀具磨损严重造成中途换刀情况，证明了面板加辐条式复合型的刀盘完全满足粉细砂、中粗砂、圆砾卵石、粘土、粉质粘土地层及由以上相互组成的复合地层的盾构施工要求。