盾构刀盘原理及刀具布置

1 、引言

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。

刀盘是盾构机的关键部件之一，是盾构主要工作部件。盾构在地下开挖中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。在开挖中刀盘受力复杂，工作环境恶劣，是需要重点检查和维修的部位。刀盘结构关系到盾构的开挖效率、使用寿命及刀具费用。

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，盾构刀盘设计是盾构关键技术，采用合适的刀盘类型是盾构顺利施工的关键因素。

2 、盾构刀盘的主要功能

开挖功能：对掌子面的地层进行开挖，开挖后的渣土顺利通过渣槽，进入土舱;

稳定功能：支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能;搅拌功能：对土舱内的渣土进行搅拌，使渣土具有一定的塑性，能通过螺旋输送机来调整控制土舱内的压力。

3 、刀具工作原理

对于不同地层的开挖，盾构的刀具采用不同型式：开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀;地层为较软岩石时，采用齿刀;地层为软土或破碎软岩时，可采用切刀(或刮刀)。不同类型刀具的工作原理如下：

3.1 滚刀工作原理

安装在刀盘上的盘形滚刀在盾构千斤顶的作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。盘形滚刀在刀盘的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圆。当推力超过岩石的强度时，盘形滚刀刀尖下的岩石直接破碎，刀尖贯入岩石，掌子面上岩石被盘形滚刀挤压碎裂而形成多道同心圆沟槽。

随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，当刀具压力超过岩石的剪切和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片崩落，完成盘形滚刀的破岩过程，如图 1。

3.2 齿刀工作原理

在岩石较软的情况下掘进时，如果盘形滚刀与岩石掌子面之间不能产生一定的附着力，使滚刀产生滚动，滚刀将会产生弦磨。滚刀不能滚动，将失去有效的破岩功能，此时在较软的岩层中可以采用齿刀进行破岩，齿刀安装方式同滚刀。由于齿刀上装有二个切削刃，因此刀盘正反转时齿刀都能进行破岩，如图 2。

3.3 切刀(刮刀)工作原理

在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过切刀(刮刀)进行开挖，渣土随切刀(刮刀)正面进入渣槽，因此切刀(刮刀)既具有切削的功能也具有装载的功能，见图 3。

4 、盾构常用刀具类型

盾构机应根据不同地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合，保证刀盘的开挖效率。目前盾构机上常用的刀具有切刀、刮刀、齿刀、先行刀、双刃滚刀、单刃滚刀、仿形刀或扩孔刀等等，盾构常用刀具类型见表 1。

5 、盾构刀盘类型及刀具配置

刀盘的结构既要考虑刀盘开挖性能又要考虑渣土的流动性及掌子面的稳定性。盾构刀盘开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证;渣土的流动性则需要合理布置渣槽及结构形状，配置渣土改良材料的注入口及刀盘背面搅拌臂;掌子面的稳定性通过刀盘开口度来控制。因此盾构刀盘需要充分考虑隧道掘进地层地质情况，进行针对性的设计，合理选择刀具，保证刀盘结构的强度和刚度。

(1)对于软土地层，一般只需要配置切削型刀具，如：切刀、刮刀，刀盘结构相对简单;由于刀盘需要正反旋转，因此切刀的布置也应在正反方向布置，为了提高切刀的可靠性，在每个轨迹上至少布置 2 把，在周边工作量相对较大，磨损后对盾构切口环尺寸影响较大，可以考虑布置较多的切刀(刮刀)。

考虑到刀盘的受力均匀性，刀具布置具有对称性，刀具安装一般采用螺栓固定便于更换。在切刀(刮刀)刃口镶嵌有合金耐磨材料，延长刀具的使用寿命，切刀的破岩能力为 20MPa，可以顺利通过加固地层的开挖。切刀伸出刀伸入刀盘面板的高度应保证渣土的流动，防止刀盘面板与掌子面间产生泥饼。在粘土地层刀具寿命较长，在砂性地层寿命相对较短。

(2)对于含有岩石的复合岩土地层，刀盘除配置切削型刀具(如：切刀、刮刀)外，还需要配置盘形滚刀，因而刀盘结构相对复杂。对于岩层首先通过盘形滚刀进行破岩。盘形滚刀一般允许磨损量为 25mm，边滚刀为 15mm，因此滚刀的伸出高度一般比切刀要大。

盘形滚刀有单刃滚刀和双刃滚刀，双刃滚刀破岩能力较低，适应抗压强度小于 80MPa 的岩石，滚刀起动扭矩小，因此适应于软岩地层。单刃滚刀破岩能力强，适应抗压强度高于 80MPa 的岩石，滚刀起动扭矩大，适应于硬岩地层的破岩。

滚刀需要有较大的推力才能破岩，推力越大，滚刀刀尖贯入度越大，贯入度还与滚刀结构及岩层抗压强度有关，17 寸滚刀允许承载能力为 250kN，滚刀刀尖贯入度一般小于 25mm。滚刀需要有一定的刀盘转速来完成破岩过程。刀盘旋转需要克服滚刀周向破岩阻力，需要一定的扭矩，因此刀盘旋转扭矩要有一定的裕量。

为了保证滚刀的破岩效果，滚刀轨迹径向间距需要考虑岩石抗压强度，随周边刀具破岩量的增加和保证开挖直径的需要，刀间距也需要逐步减少。由于滚刀的载荷较大，滚刀的布置除考虑刀间距外，还需要充分考虑滚刀径向载荷的合力力求通过刀盘的中心，使主轴承受力状况良好。刀盘的结构设计需要保证一定的强度和刚度。

(3)当岩石抗压强度低于 30MPa，滚刀破岩效果不是很好时，可以利用滚刀刀座安装齿刀进行破岩，齿刀轨迹完全与滚刀相同，齿刀刀刃是对称的，因此刀盘正反转时都可以很好破岩。

(4)刀盘直径应考虑刀具磨损后开挖直径大于盾构切口环的直径，保证盾构姿态的调整。边滚刀的允许磨损量为 15mm，因此开挖洞径的允许变化量为 30mm，而对于边刀不采用滚刀的盾构机，其开挖洞径的允许变化量为 20mm。

(5)在曲线半径小的隧道掘进时，为了保证盾构的调向，需要有较大的开挖直径，因此刀盘上配置有扩孔刀或仿形刀，仿形刀的类型有滚刀型或齿刀型，需要根据地质情况确定，同滚刀配置。

(6)为提高刀盘的寿命，刀盘面板及周边含有耐磨条。

6 、盾构刀盘布置实例

莞惠城际 6 标盾构区间下穿地层主要为粉质粘土、淤泥质粉质粘土、全风化、强风化、弱风化混合片麻岩，局部穿越断层破碎带及砂层，隧道富水量大，地质条件复杂。

本标段采用的是土压平衡式盾构机，由沈阳北方重工集团有限公司生产。刀盘整体采用辐条面板式;刀盘面板由左、右两部分拼接而成;滚刀布置在辐条上，刮刀布置在辐条两侧;刀盘上配置了中心滚刀 10 把、正面滚刀 34 把、边缘滚刀 10 把，以及188 把双层刮刀、24 把周边刮刀、12 把刀盘外缘保护刀和 1 把仿形刀;开口率 33%，见图 。

7 、结 论

盾构刀盘刀具的布置方法，目的是为了确保刀具结构布置的合理性和实用性。针对本标段工程地质情况，预测盾构在开挖区间，刀具的磨损量以及许用磨损情况下刀具的掘进距离，为保障工程的安全顺利进行设计了刀盘结构。在盾构刀盘选型时，对地质进行了充分的分析和研究，刀盘及刀具配置有一定的富余和能力储备，合理配置了不同刀具，满足了本标段现场施工要求。