黃 旭(上海力行工程技術(shù)發(fā)展有限公司， 上海 200000)

0 引言

盾構(gòu)法是在地表以下土層或軟巖層中暗挖隧道的一種施工方法。盾構(gòu)掘進法的設(shè)想于19世紀產(chǎn)生于英國，至今已有200年歷史。由于盾構(gòu)掘進法避免了明挖，既減少了對地面的影響，降低施工對環(huán)境的污染，又可以節(jié)省工程投資，因此，盾構(gòu)掘進法已成為一種廣泛采用的隧道施工技術(shù)[1]。

盾構(gòu)法使用的掘進機(以下簡稱“盾構(gòu)機”，見圖1)是一種隧道掘進的專用工程機械。其優(yōu)點是適于大深度、長距離、各種直徑的管線隧道施工，并能適應各種軟硬地層的開挖。國內(nèi)外工程實踐表明，盾構(gòu)機在施工中會遇到各種不同地層，從淤泥、粘土、砂層到軟巖及硬巖等各種不同地層。盾構(gòu)機刀盤是盾構(gòu)機的核心部件，其主要起到開挖土體、穩(wěn)定工作面及攪拌土砂的功能，因此在掘進過程中刀盤的工作環(huán)境惡劣，并且受力復雜。盾構(gòu)機刀盤的型式及其盾構(gòu)機刀具質(zhì)量是否合格關(guān)系到盾構(gòu)機的開挖效率、盾構(gòu)機使用壽命及施工能否順利進行，而工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件決定了刀盤型式及刀具配置。

盾構(gòu)機開挖的地層一般由多種土質(zhì)構(gòu)成，在其推進過程中，由于刀盤選型不合理導致施工不能順利進行的時候，僅僅通過增加刀具數(shù)量、改變刀具型式或者改變盾構(gòu)機推進速度并不能保證盾構(gòu)機順利掘進，而且還有可能適得其反。因此選擇合適的刀盤型式并且配置滿足設(shè)計要求刀具，是保證盾構(gòu)機順利掘進的必要條件。

1 盾構(gòu)機刀盤型式

盾構(gòu)機配置的刀盤型式主要有面板式、輻條式以及復合式刀盤。下面實例分析這3種刀盤型式：

a. 面板式刀盤(見圖2)。

面板式刀盤適用于淤泥質(zhì)粘土、粉砂、極細沙、中粗沙等軟土地層。

上海軌交12號線桂林公園～漕寶路站，地質(zhì)是灰色淤泥質(zhì)粘土、灰色粘土、灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土，該區(qū)間盾構(gòu)機配置面板式刀盤，2013年4月始發(fā)，2013年12月初盾構(gòu)機推進完成，總里程1.1km, 施工效果良好。上海軌道交通13號線二期東明路站～華鵬路區(qū)間，地質(zhì)是灰色淤泥質(zhì)粘土、層灰色粘土，該區(qū)間盾構(gòu)機配置面板式刀盤，2016年9月底始發(fā)，2017年8月初盾構(gòu)機推進完成，總里程1.3km, 盾構(gòu)機設(shè)備施工效果良好。蘇州軌交2號線9標段桐涇公園站～長吳路站～寶帶西路站，總里程1.1km；寧波軌交1號線二期工程TJ1211標東環(huán)南路站～五鄉(xiāng)西站區(qū)間，總里程1.0km；武漢市軌道交通6號線20標金銀湖站～環(huán)湖西路站區(qū)間，總里程2.1km，上述區(qū)間地質(zhì)條件主要是軟土、及粘土，這些地層土質(zhì)強度低，富含地下水，盾構(gòu)機配置面板式刀盤，施工效果良好。

圖1 盾構(gòu)機總圖Fig.1 Shield machine assembly drawing

b. 輻條式刀盤(見圖3)。

輻條式刀盤適用于淤泥、砂質(zhì)粉土、細中砂、礫石、砂卵石地層。與面板式刀盤相比，輻條式刀盤開挖地層的強度高于面板式刀盤。輻條式刀盤周邊可以布置滾刀，破碎部分硬質(zhì)地層。

北京地鐵14號線06標菜戶營站～西鐵營站區(qū)間區(qū)間，北京地鐵16號線馬連洼站～肖家河站區(qū)間，地質(zhì)是粉砂、細中砂、砂礫、礫石、砂卵石等，該兩區(qū)間盾構(gòu)機配置輻條式刀盤，2013年8月底始發(fā)，2014年6月初盾構(gòu)機推進完成，總里程1.3km, 施工效果良好。昆明市地鐵1號線得勝橋站～環(huán)城南路站區(qū)間，地質(zhì)是黏土層、淤泥質(zhì)粘土層、粉質(zhì)黏土層、中風化泥質(zhì)沙礫、粉土層及泥巖，該區(qū)間盾構(gòu)機配置輻條式刀盤，2012年7月始發(fā)，2013年11月盾構(gòu)機推進完成，總里程1.1km,施工效果良好。武漢軌交6號線15標三眼橋北路站至唐家墩站區(qū)間地質(zhì)是細砂、粉細砂、粉砂、淤泥黏土夾粉土，該區(qū)間盾構(gòu)機配置輻條式刀盤，2015年9月始發(fā)，2016年1月盾構(gòu)機推進完成，總里程711m,施工效果良好。上述地層土質(zhì)為淤泥、粘土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粉土、粉砂、細中砂、砂礫、礫石、砂卵石、飄石等地層，這些地層土質(zhì)有一定的強度，并可能含有卵石、飄石等少量硬巖，盾構(gòu)機配置輻條式刀盤，施工效果良好。

哈爾濱軌道交通2號線一期工程大耿家站～龍川路站區(qū)間，該區(qū)間地質(zhì)是細砂、中砂，局部穿越粉質(zhì)黏土，粉砂、礫砂地層。該區(qū)間盾構(gòu)機2017年6月始發(fā)，2017年11月盾構(gòu)機推進完成，總里程1.33km。盾構(gòu)機原計劃配置純輻條式刀盤，后來在刀盤上增加了刀盤面板，導致輻式刀盤變?yōu)槊姘迨降侗P，其盾構(gòu)機掘進過程不順利，額外增加了很多施工成本。因此輻條加面板刀盤，在細砂、中砂，局部穿越粉質(zhì)黏土，粉砂、礫砂地層土質(zhì)不宜采用。

圖3 輻條式刀盤
Fig.3 Cutter wheels of spokes type

c. 復合式刀盤(見圖4)。

復合式刀盤適用于開挖全斷面硬巖，在盾構(gòu)機掘進時遇到軟土地層時，更換刀具配置，刀盤變換為軟土掘進模式。

南京市高淳城際快速軌道南京南站至祿口機場段工程：(3#井～勝太路站)、TA01-1段(區(qū)間風井～高架過渡段)，其地質(zhì)是全風化安山巖、中風化安山巖、微風化安山巖、粉質(zhì)黏土、粉土等，硬巖區(qū)間地層硬度100Mpa以上，該區(qū)間盾構(gòu)機配置復合式刀盤，2012年5月始發(fā)，2013年7月盾構(gòu)機推進完成，總里程2.0km,施工效果良好。上述盾構(gòu)機掘進區(qū)間，有一段區(qū)間是軟土地層，不適合盾構(gòu)機硬巖刀盤模式掘進，此時在盾構(gòu)機掘進自硬巖區(qū)間進入軟土區(qū)間時，盾構(gòu)機停止推進，并對盾構(gòu)機土倉保壓，此時工人進入土倉內(nèi)更換刀盤上的刀具，刀具更換完成后，即完成刀盤硬巖至軟土模式轉(zhuǎn)換，使盾構(gòu)機硬巖刀盤模式轉(zhuǎn)換為軟土刀盤模式，模式轉(zhuǎn)換完成后，盾構(gòu)機繼續(xù)掘進，施工效果良好。深圳地鐵7號線7306標黃木崗站-八卦嶺站-紅嶺北站區(qū)間，其地質(zhì)是全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖、礫質(zhì)粘性土、粗砂、卵石，硬巖區(qū)間地層硬度100Mpa以上，該區(qū)間盾構(gòu)機配置復合式刀盤，2014年5月始發(fā)，2015年3月盾構(gòu)機推進完成，總里程900m,施工效果良好。上述地層全斷面硬巖，并含有不連續(xù)軟土地層，盾構(gòu)機配置復合式刀盤，施工效果良好。

配置復合式刀盤的盾構(gòu)機，盡管軟土模式時，其開挖軟土效率低于輻條式刀盤，但是可以連續(xù)掘進硬巖和軟土地層，所以開挖硬巖地層時優(yōu)先選擇復合式刀盤。

2 盾構(gòu)機刀盤配置的刀具型式

盾構(gòu)機刀盤配置的刀具是開挖土層的關(guān)鍵部件，在掘進過程中損壞率高，是易損部件。刀具使用壽命不僅與刀具制造質(zhì)量有關(guān)，還與刀具選型和配置有關(guān)。因此，刀具的選型和配置直接影響到盾構(gòu)工程施工的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。盾構(gòu)機刀具合理選型和配置，往往能在施工中起到事半功倍的效果。

盾構(gòu)機刀盤合理配置有先行刀與切削刀(見圖10，11， 14，15)，將更有效增加刀具使用壽命。盾構(gòu)機刀盤上先行刀和切削刀高低分層配置的工作原理：在刀具切削土層時，先行刀首先在土層被切削面上切出溝槽，然后由切削刀切下土質(zhì)。由于土層被切削面存在先行刀切削的溝槽，故切削刀切除土質(zhì)的效率大大加強。

在盾構(gòu)機掘進過程中，刀具理想狀態(tài)是刀具正常磨損。但是實際使用刀具時，刀具有多種失效型式，主要是刀具合金脫焊、崩刃和折斷[2]。而盾構(gòu)機所使用的非標準化刀具，其合金的脫焊是導致盾構(gòu)機刀具失效的主要原因。而目前盾構(gòu)機的刀具合金的焊接，主要是人工操作，因此工人職業(yè)素養(yǎng)高低，是導致盾構(gòu)機刀具不合格主要因素。因此對盾構(gòu)機刀具焊接強度的檢驗，至關(guān)重要。由于盾構(gòu)機刀具合金崩刃和折斷是盾構(gòu)機刀具不合格的次要因素，本文暫不討論。

目前使用的盾構(gòu)機刀具一般分為兩大類:滾刀刀具、切削刀刀具。

滾刀刀具它們主要由刀圈、刀體(套)、刀軸、軸承、金屬浮動密封環(huán)、刀蓋(座)及聯(lián)接螺栓等部件組成(見圖5)。

圖5 滾刀總圖Fig.5 Disc cutter assembly drawing

滾刀刀具工作原理。滾刀在推力和和滾動力(轉(zhuǎn)矩)的作用下，推力使刀圈壓入巖體，滾動力使刀圈滾壓巖體(見圖6)。通過滾刀對巖體的擠壓和剪切使巖體發(fā)生破碎，在巖面上切出一系列的同心圓(見圖7)。

圖6 滾刀破巖示意圖Fig.6 Principle of cutting rock with disc cutter

切削刀是由刀體和刀刃兩部分組成的，刀體是與刀盤連接的部分、刀刃安裝在刀體上其作用是切削土層。切削刀與刀盤的連接型式有焊接型式和螺栓連接型式，替換滾刀部位的切削刀或先行刀與滾刀的安裝方式相同。

圖7 滾刀破巖軌跡圖Fig.7 Cutting path

切削刀刀具工作原理。在推力的作用下，切削刀貫入土層或巖層中，刀盤帶動刀具轉(zhuǎn)動時刮削巖層，在土層被切削面形成一環(huán)環(huán)犁溝，特點是切削土層效率高，刀盤轉(zhuǎn)動阻力大。通過切削刀切削土層，渣土隨切削刀正面進入刀盤土倉(見圖8，圖9)。

圖8 切削刀切削硬巖地層Fig.8 Main bits cutting rock

圖9 切削刀切削軟土地層Fig.9 Main bits cutting soil

3 盾構(gòu)機刀具強度分析

3.1 刀具型式

a.先行刀

刀盤順時針或者逆時針轉(zhuǎn)動，帶動先行刀順時針或者逆時針轉(zhuǎn)動達到切削土層的目的，使先行刀在土層面先行切出切削刀刀槽。

b.切削刀

刀盤順時針或者逆時針轉(zhuǎn)動，帶動切削刀，使切削刀在先行刀切削的刀槽上，順利切削土層。切削刀的結(jié)構(gòu)應該容易切下土層、易于排土并且耐磨損。

根據(jù)要求，設(shè)計刀具如圖11所示。

圖10 先行刀Fig.10 Face bits

圖11 切削刀Fig.11 Main bits

3.2 試驗條件

試驗設(shè)備采用Y32-100型1000KN四柱液壓機(圖12)。刀片材料均采用硬質(zhì)合金DG40，刀體使用材料42CrMo并熱處理。焊料為銀基焊料，溶劑使用脫水硼酸和氟化鉀的糊狀混合溶劑。刀具見圖14和圖15。

圖12 試驗設(shè)備圖Fig.12 Equipment for testing cutters

圖13 刀具試驗安裝圖Fig.13 Fixture for verification of cutters

3.2.1 隨機選取四把待驗收標準切削刀，編號NO.1刀具、NO.2刀具、NO.3和NO.4刀具。

3.2.2 按理論工作極限載荷對NO.1、NO.2和NO.3刀具加載，對NO.4刀具進行破壞性加載載荷。載荷方向與刀片焊接面平行，記錄數(shù)據(jù)并分析結(jié)果。

3.3 試驗結(jié)果分析

油缸內(nèi)徑面積S2=379.94cm2；刀具焊接強度設(shè)計值不低于210Mpa。

標準切削刀試驗數(shù)據(jù)。

表1 刀具及液壓缸油壓壓強

設(shè)計要求：

P1≥τ

因為F=Q可知

(1)

式中：τ—設(shè)計的刀具焊接強度(Mpa)；F—加載壓力(N)；Q—焊縫承受剪切力(N)；P1—試驗焊縫強度(Mpa)；P2—試驗油缸壓強(Mpa)；S1—刀片焊接面積(cm2)；S2—試驗油缸內(nèi)徑面積(cm2)。

計算結(jié)果：P11=80.84Mpa；P12=87.57Mpa；P13=74.10Mpa；P14=222.4 Mpa

模擬載荷與設(shè)計載荷百分比：

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知：NO.1刀具、NO.2刀具和NO.3理論極限工況所受到的載荷占設(shè)計載荷最大為41.7%，其刀具本身變化如下：

a刀片可見輕微壓痕；

b刀片無可見變形；

c無刀片脫落；

d無刀片崩裂。

NO.4刀具焊縫被加載到222.4Mpa時，焊縫被破壞失效。其焊縫臨界失效強度222.4Mpa大于焊縫設(shè)計強度210Mpa，焊縫強度滿足設(shè)計要求。NO.4刀具剝落刀片如圖16：

圖14 標準切削刀Fig.14 Main bits

圖15 先行刀Fig.15 Face bits

NO.4刀具被剝落刀片有如下特征：

a刀片焊接表面有少量焊縫不均勻；

b 刀片有撕裂崩刃；

c 刀片可見輕微壓痕；

圖16 NO.4刀具被破壞刀片F(xiàn)ig.16 Damaged NO.4 cemented carbide blade

圖17 破壞性試驗刀片的刀座及工裝Fig.17 Fixture used for cutters destructive test

根據(jù)上述試驗結(jié)果，在確定盾構(gòu)機刀具型式和焊接方式的前提下，刀具焊接前需檢查刀具焊接面與合金焊接面是否平整，焊接過程中檢查刀具焊接面殘留的空氣是否及時排出。

4 結(jié)論

1.面板式刀盤適用于淤泥質(zhì)粘土、粉砂、極細沙、中粗沙等軟土地層。輻條式刀盤適用于淤泥、砂質(zhì)粉土、細中砂、礫石、砂卵石地層。復合式刀盤既適用于開挖全斷面硬巖地層，又適用于開挖同時存在硬巖和軟土地層。

2.刀具焊接應作出廠檢驗，并符合試驗要求。

[1] 張鳳祥. 盾構(gòu)隧道施工手冊[M]. 北京：人民交通出版社，2005.5.

[2] 王貴成. 釬焊硬質(zhì)合金刀具的破損及其控制[J]. 硬質(zhì)合金， 1989(1).

[3] YASUO Yamane Development of the cutting tool [A].BeiJing:International Academic Publishers 1994.

[4] 鄒積波. 盾構(gòu)刀具磨損原因探析[J]. 建筑機械化，2003(11).

[5] 何其平. 土壓平衡盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)探討[J].工程機械，2003(11).