黃惠敏

摘要：盾構(gòu)機(jī)刀盤是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)機(jī)構(gòu)，是影響其掘進(jìn)性能的決定性因素。本文綜述了盾構(gòu)機(jī)刀盤的作用，重點(diǎn)對(duì)面板式刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、刀具布置、管路設(shè)計(jì)和耐磨保護(hù)等方面進(jìn)行分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)、刀盤鋼結(jié)構(gòu)、刀具布置、添加劑、泡沫噴嘴、耐磨。

1. 引言

目前盾構(gòu)工法已在城市隧道（如地鐵隧道，污水排放隧道，引水、供水隧道，江河湖海底隧道，電力、電訊、供氣及共同溝工程等隧道）建造中確立了絕對(duì)的統(tǒng)治地位，故有人將其稱為城市隧道工法。刀盤是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件，刀盤設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是根據(jù)工程地質(zhì)條件和施工控制要求選好刀盤的結(jié)構(gòu)形式，其機(jī)構(gòu)形式大致分為面板式和輪輻式的兩種。輪輻式刀盤由輻條及布設(shè)在輻條上的刀具構(gòu)成，其特點(diǎn)是刀盤的掘削的扭矩小、排土容易、土艙內(nèi)土壓可有效地作用到掘削面上，多用于砂、土等單一軟土地層。對(duì)于地下水壓大、易坍塌的土質(zhì)，易噴水、噴泥，并且由于輪輻式刀盤不能安裝滾刀，在風(fēng)化巖、軟硬不均的地層掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)采用面板式刀盤。各國(guó)大中城市大多數(shù)處于河海濱沉積相地層，含水高的松軟地層，強(qiáng)透水的沙礫層地層和泥質(zhì)粉砂巖、砂巖和砂質(zhì)泥巖巖層等復(fù)雜多變的地層，因此面板式刀盤倍受歡迎，而且較有研究意義。

2. 盾構(gòu)機(jī)刀盤的作用

盾構(gòu)機(jī)的刀盤位于盾構(gòu)機(jī)的最前端，為鋼結(jié)構(gòu)焊接件，主要具有開(kāi)挖土體、穩(wěn)定掌子面、攪拌碴土三大功能。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的開(kāi)挖是依靠盾構(gòu)刀盤上布置的切刀、先行刀、滾刀等刀具，通過(guò)刀盤的旋轉(zhuǎn)和千斤頂推進(jìn)，刀具貫入地層將掘削面的土層進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖后的渣土通過(guò)刀盤的開(kāi)口進(jìn)入土倉(cāng)；其次，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在不穩(wěn)定的地層掘削時(shí)，刀盤的面板可以起到穩(wěn)定掌子面，防止過(guò)分坍塌的作用。再次，刀盤后安裝的攪拌裝置對(duì)土倉(cāng)內(nèi)的渣土或與添加劑進(jìn)行混合攪拌，使渣土具有一定的塑性，能通過(guò)螺旋輸送機(jī)來(lái)調(diào)整控制土艙內(nèi)的壓力。

3. 刀盤的鋼結(jié)構(gòu)

刀盤直徑一般在幾米到十幾米之間，結(jié)構(gòu)龐大。盾構(gòu)施工中經(jīng)常出現(xiàn)刀盤強(qiáng)度破壞的失效形式，因此在刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先考慮刀盤的強(qiáng)度因素。刀盤強(qiáng)度對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在刀盤整體結(jié)構(gòu)的布局及局部結(jié)構(gòu)件的厚度。一般情況下使用17寸滾刀的刀盤厚度為500mm，并且可換成18寸滾刀，19寸滾刀則會(huì)選用600mm厚的刀盤；刀盤外環(huán)用120mm的鋼板卷成，面板、主骨架側(cè)板和加強(qiáng)筋用60mm～80mm的鋼板。與主驅(qū)動(dòng)連接的法蘭到刀盤背后面板的傳遞力臂俗稱牛腿，舊式設(shè)計(jì)制造工藝是將法蘭和牛腿一起鑄造出來(lái)，但由于刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為靈活，并且是單件生產(chǎn)，固定的鑄件模型已經(jīng)無(wú)法滿足需求，若經(jīng)常更改模型則制造成本加大許多。因此，現(xiàn)今多數(shù)刀盤的牛腿都是焊接組成的，可以是四臂、六臂、八臂，主要根據(jù)刀具尺寸、布置的不同和開(kāi)口率和開(kāi)口樣式的不同而選擇。

4. 刀具布置

刀盤的開(kāi)挖直徑必需大于刀盤鋼結(jié)構(gòu)的最大直徑，否則刀盤將被卡死而無(wú)法回轉(zhuǎn)。刀盤的開(kāi)挖直徑最終由安裝在刀盤外周上的刀具來(lái)實(shí)現(xiàn)。在刀盤切削過(guò)程中，由于邊滾刀旋轉(zhuǎn)速度比靠近中心部位的要快，切削的軌跡較長(zhǎng)，并且邊滾刀與刀盤軸線存在一定角度，因此邊滾刀的磨損量和復(fù)雜度都大于中心滾刀和正滾刀。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加邊滾刀的布置數(shù)量和考慮刀盤的倒角和邊滾刀的安裝角度。然而刀盤中心滾刀比正滾刀的更容易損壞，由于刀盤中心部位的線速度較低，粘土、粉土、膨潤(rùn)土等粘稠土體在中心部位的流動(dòng)性較差，進(jìn)而加大中心部位的扭矩，降低中心滾刀的壽命。因此，滾刀的排列密集度要根據(jù)刀的磨損程度來(lái)分布，一般情況下，中心滾刀的間隙為90mm，中環(huán)區(qū)域?yàn)?00mm，在刀盤倒角區(qū)域?qū)⒅饾u縮小間隙，倒角上刀刃保持在10～13把，最外一把單刃滾刀與刀盤軸線成70度角，若是雙刃滾刀成60度角。見(jiàn)圖4。對(duì)于其他類型的刀具，如撕裂刀、齒刀、先行刀等也是按照這個(gè)原則分布--隨著半徑的逐漸增大，同一半徑上刀具的數(shù)量也逐漸增多。同時(shí)要求在刀盤面板上的刀具能盡量達(dá)到對(duì)稱分布，這樣保證了刀盤的整體結(jié)構(gòu)受力平衡。5.1 添加劑注入的目的

對(duì)于為細(xì)顆粒（75?m以下的淤泥及粘土成分）含有成分較少的砂層或砂礫層時(shí)，刀盤掘削下來(lái)的泥土的流塑性很難滿足排土機(jī)構(gòu)直接排放的條件，另外，其抗?jié)B性也差，容易出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象。為此必須向這些開(kāi)挖泥土中注入添加劑，以便改變其流塑性、抗?jié)B性，使其達(dá)到排土機(jī)構(gòu)可以排放的條件。添加劑可以是氣泡劑、膨潤(rùn)土、高吸水性樹(shù)脂和水溶性聚合物等，這些材料可以根據(jù)土質(zhì)和施工要求來(lái)單獨(dú)使用和組合使用。

在土壓平衡盾構(gòu)機(jī)中，用得較多是泡沫劑，因此我們稱泡沫注入口為泡沫噴嘴。泡沫劑既能改善開(kāi)挖面土體的物理和力學(xué)性質(zhì)，增加其流塑性和抗?jié)B性，防止切削土體黏附在刀盤及螺旋輸送機(jī)內(nèi)，避免閉塞現(xiàn)象，同時(shí)又有效清洗刀具，減少磨損和降低刀盤的扭矩，保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定性，加快盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度。

5.2 泡沫噴嘴的布置

泡沫噴嘴的設(shè)計(jì)數(shù)量與盾構(gòu)的直徑、刀盤的支撐方式、刀盤的形狀等條件有關(guān)。通常在刀盤法蘭中心設(shè)置一個(gè)噴嘴，對(duì)著刀盤背后的中心部位沖洗，有效地防止刀盤中心形成泥餅；由于切削土體與添加劑之間的首次攪拌是在攪拌效果最好的開(kāi)挖面前方部位進(jìn)行，所以在刀盤面板一般設(shè)置4到8個(gè)泡沫噴嘴。多個(gè)噴嘴的情形下應(yīng)該注意保持各個(gè)噴嘴的注射量的均等，并盡量在刀盤面板上均衡分布，以便泡沫與開(kāi)挖面的土體達(dá)到充分的混合。

6. 刀盤耐磨保護(hù)

刀盤的耐磨保護(hù)設(shè)計(jì)相對(duì)很靈活，是在刀盤設(shè)計(jì)基本定形之后附加的功能，其保護(hù)的范圍和形式都比較廣泛。（1）刀盤的面板上有堆焊網(wǎng)狀耐磨條或焊接厚度10～20毫米的Hardox耐磨板，也可以焊接復(fù)合耐磨塊。（2）刀盤結(jié)構(gòu)外徑由兩道耐磨環(huán)組成，材料一般為HBW400；土質(zhì)較硬的時(shí)候，耐磨環(huán)前面的一道環(huán)采用硬質(zhì)金屬鑲嵌式，后面一環(huán)配有角式的Kenna耐磨材質(zhì)，耐磨環(huán)區(qū)域（刀盤圓周方向）配置有3～12把周邊保護(hù)刀。（3）刀盤周邊的Hardox耐磨保護(hù)或耐磨焊保護(hù)。（4）刀箱上的Hardox耐磨塊保護(hù)和周邊的刀箱邊的Hardox耐磨楔形塊保護(hù)。（5）在攪拌棒的表面堆焊網(wǎng)狀耐磨條。刀盤的刀具常裝有磨損檢測(cè)，對(duì)刀具的磨損狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而掌握換刀時(shí)機(jī)，減輕刀盤磨損，提高掘進(jìn)效率，保證施工進(jìn)度。

7. 工程應(yīng)用實(shí)例

在成都地鐵四號(hào)線二期工程項(xiàng)目中，采用了德國(guó)海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。刀盤開(kāi)挖直徑?6280mm，四臂的面板式刀盤結(jié)構(gòu)，刀盤上裝有4把中心雙刃滾刀，31把單刃滾刀，1把仿形超挖刀，8把邊刮刀，28把刮刀。滾刀高出刀盤面板175mm，刮刀高出130mm，整個(gè)刀盤形成兩層切削模式，先由滾刀擊破巖石、開(kāi)挖土壤，再由刮刀切削地層。刀盤面板上一共設(shè)置6條管道，刀盤背后1個(gè)高壓噴嘴和刀盤面板中心部位2個(gè)噴嘴，周邊3個(gè)噴嘴均勻分布在刀盤面板上，并實(shí)現(xiàn)單管單泵控制。由于盾構(gòu)穿越較多高磨損地質(zhì)，刀盤面板、周邊、背面和刀箱等都加焊耐磨保護(hù)，并滾刀和刮刀各設(shè)有一個(gè)耐磨探測(cè)傳感器。

8. 結(jié)束語(yǔ)

刀盤主要依據(jù)地質(zhì)報(bào)告來(lái)分析研究設(shè)計(jì)的，但實(shí)際地質(zhì)情況是無(wú)法完全準(zhǔn)確的反映到地質(zhì)資料來(lái)。因此，在設(shè)計(jì)刀盤的結(jié)構(gòu)和考慮刀具布置時(shí)，應(yīng)當(dāng)預(yù)留一定的安全能力來(lái)應(yīng)對(duì)特殊情況，確保施工的安全性。

9. 參考文獻(xiàn)

[1]張厚美 著《盾構(gòu)隧道的理論研究與施工實(shí)踐》中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版 2010

[2][日]地盤工學(xué)會(huì) 著《盾構(gòu)法的調(diào)查?設(shè)計(jì)?施工》中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版2008