曾秋勇

（中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

在當(dāng)前我國(guó)現(xiàn)代化城市的發(fā)展過(guò)程中，空間集約化促使地下空間的開(kāi)發(fā)規(guī)模逐漸增大。作為地下鐵路、管線施工的常見(jiàn)手段，盾構(gòu)施工在地下工程施工中得到了廣泛應(yīng)用。眾所周知，我國(guó)地域廣袤，不少區(qū)域存在復(fù)合地層，復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用較為常見(jiàn)。根據(jù)盾構(gòu)施工情況，刀盤(pán)刀具的設(shè)計(jì)與選型直接關(guān)系到后期施工效果，因此，相關(guān)人員要對(duì)此引起重視，以便保障項(xiàng)目施工的順利開(kāi)展。

2 項(xiàng)目概況

江西省南昌地鐵1 號(hào)線是南昌市開(kāi)通的第一條地鐵路線，該項(xiàng)目全長(zhǎng)28.843 km，全程24 個(gè)車(chē)站，是連接南昌市高新區(qū)、經(jīng)開(kāi)區(qū)等區(qū)間的重要交通工程。根據(jù)該工程項(xiàng)目的建設(shè)情況，整體上在紅谷灘新區(qū)呈現(xiàn)S 形南北走向，在贛江東岸片區(qū)呈現(xiàn)東西走向。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，因?yàn)榘艘粡V場(chǎng)地段分布著老護(hù)城河，地下水源十分豐富，區(qū)間隧道主要穿越的地層是礫砂、圓礫層，局部有泥質(zhì)粉砂巖層，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)施工姿態(tài)難以控制。此外，在贛江隧道秋水廣場(chǎng)站至中山西路站盾構(gòu)區(qū)間，總長(zhǎng)度高達(dá)1 889 m，施工單位在實(shí)際施工過(guò)程中克服了上軟下硬的地質(zhì)條件，隧道頂部距贛江底部最短距離僅5.2 m以及穿越江底斷層帶三大難題，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)泥水盾構(gòu)穿越復(fù)合地形實(shí)現(xiàn)沉降最小、在泥質(zhì)粉砂巖層中掘進(jìn)里程最長(zhǎng)的紀(jì)錄。

3 復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)刀具的選型與布置

根據(jù)南昌地鐵1 號(hào)線工程地質(zhì)情況來(lái)看，在盾構(gòu)施工過(guò)程中，刀具類(lèi)型涉及刮刀、中心魚(yú)尾刀、雙刃盤(pán)形滾刀以及重型撕裂刀等，以下對(duì)刀具的選擇進(jìn)行詳細(xì)論述。

3.1 刀具的選型

3.1.1 刮刀

根據(jù)刮刀的布置情況來(lái)看，該類(lèi)型的刀具主要設(shè)置在設(shè)備輻條上，其作用是減少開(kāi)挖過(guò)程中礫石對(duì)設(shè)備刀盤(pán)面板的磨損程度，確保開(kāi)挖工作能夠順利開(kāi)展，保障渣土有序流動(dòng)，將土體及時(shí)刮進(jìn)土倉(cāng)中[1]。

3.1.2 中心魚(yú)尾刀

與其他刀具有所不同，中心魚(yú)尾刀在安裝過(guò)程中通常采取不對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，這樣在后期開(kāi)挖過(guò)程中能夠增強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)的破土能力，防止盾構(gòu)機(jī)在應(yīng)用過(guò)程中刀盤(pán)面形成泥餅。

3.1.3 雙刃盤(pán)形滾刀

該類(lèi)型刀具安裝于盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)外周，主要是利用圓的外周線速度大這一特點(diǎn)，促使雙刃盤(pán)形滾刀在應(yīng)用過(guò)程中獲得較大的線速度，將土層中的大粒徑漂石直接擠碎或切割。此外，還能將土層中較大的鵝卵石直接擠出盾構(gòu)機(jī)的開(kāi)挖直徑范圍外，保護(hù)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備外殼，確保開(kāi)挖工作順利進(jìn)行[2]。

3.1.4 重型撕裂刀

針對(duì)重型撕裂刀，為提高刀具的耐磨性，其主體遍布多層合金耐磨點(diǎn)，保障刀具在后期應(yīng)用過(guò)程中能夠擁有良好的破巖能力。此外，重型撕裂刀在應(yīng)用過(guò)程中還能輔助撕裂刀直接插入地層結(jié)構(gòu)內(nèi)部，將其破壞。減少盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中刀盤(pán)施工時(shí)的扭矩。在固定該刀具時(shí)，需要選擇專(zhuān)門(mén)的刀箱設(shè)計(jì)，并且保障刀箱的固定方向要與滾刀安裝結(jié)構(gòu)保持一致，為后期維修保養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。此外，在應(yīng)用重型撕裂刀時(shí)，其切削軌跡會(huì)存在約8°的擺動(dòng)，這一設(shè)計(jì)是為保護(hù)撕裂刀合金頭，避免刀具撞擊巖石過(guò)程中對(duì)合金頭造成損害。撕裂刀的安裝主要采用螺栓固定方式，以便后期刀具拆卸更換。

3.2 刀具的布置

在本工程案例當(dāng)中，考慮到項(xiàng)目地質(zhì)條件等因素，為保障盾構(gòu)機(jī)破巖能力提高，保護(hù)刀盤(pán)面板，需要以中心魚(yú)尾刀為中心，其他刀具四散排列。在應(yīng)用刀具過(guò)程中，在盾構(gòu)機(jī)面板的圓周軌跡上要安裝重型撕裂刀，并且盾構(gòu)機(jī)中心向四周，撕裂刀的排列數(shù)量要逐漸增加，以減少后期施工刀具磨損程度。盾構(gòu)刀具布置情況如圖1 所示。

圖1 盾構(gòu)刀具布置情況

3.3 刀具的切削機(jī)理與參數(shù)選擇

3.3.1 切削破巖機(jī)理

在盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，擁有切削破巖功能的刀具主要為切刀，該刀具在應(yīng)用過(guò)程中，刀刃會(huì)將開(kāi)挖面外層巖土分離使其脫落。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來(lái)看，切刀破巖這一過(guò)程主要分為徑向、軸向兩種手段：（1）徑向破巖主要以切向分力為主。要實(shí)現(xiàn)這一操作，需要在盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)上安裝小自傳刀盤(pán)，以便該設(shè)備在后期破土過(guò)程中大小刀盤(pán)能夠?qū)崿F(xiàn)自轉(zhuǎn)。需要注意的是，這一類(lèi)型的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此，尚未在盾構(gòu)機(jī)設(shè)備中廣泛推廣[3]。（2）軸向破巖。盾構(gòu)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中破巖方向與掘進(jìn)方向保持一致，因此，稱(chēng)其為軸向破顏。在刀盤(pán)運(yùn)行過(guò)程中，切刀刀具會(huì)隨著刀盤(pán)的運(yùn)行于巖土之間形成夾角，在夾角的方向上會(huì)出現(xiàn)最大剪應(yīng)力，若該剪應(yīng)力超過(guò)巖土抗剪強(qiáng)度，那么會(huì)直接導(dǎo)致巖土出現(xiàn)裂紋，刀具刀尖部位與巖土的接觸區(qū)域會(huì)形成切削核，最終導(dǎo)致已經(jīng)形成裂紋的巖土脫離母體，形成松散的渣土。

3.3.2 滾壓破巖機(jī)理

盤(pán)形滾刀在運(yùn)用過(guò)程中會(huì)在盾構(gòu)機(jī)設(shè)備推力的作用下緊貼巖面，在刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過(guò)程中，滾刀會(huì)圍繞刀盤(pán)中心軸公轉(zhuǎn)，而后圍繞自身安裝軸自轉(zhuǎn)，這樣一來(lái)會(huì)在設(shè)備掌子面上切割出同心圓溝槽。此時(shí)，巖石強(qiáng)度若低于滾刀施加的壓力，那么巖土?xí)恢苯幽胨?，刀具刀刃?huì)直接貫穿到巖石當(dāng)中，導(dǎo)致巖石直接被壓碎。這便是盤(pán)形滾刀的破巖過(guò)程。

3.3.3 刀具參數(shù)的選擇

通常情況下，在復(fù)合式地層中，刀具的選擇需要根據(jù)隧道直徑確定。以盤(pán)型滾刀為例，在該項(xiàng)目中，通過(guò)分析掘進(jìn)隧道直徑，確定滾刀直徑設(shè)計(jì)約為56.67 cm（17 寸）。此外，滾刀刀間距d，巖石破裂角φ 以及刀刃貫入度h之間存在式（1）所示關(guān)系，可以通過(guò)式（1）計(jì)算盤(pán)型滾刀刀間距：

4 復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的設(shè)計(jì)與選型

有關(guān)復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的設(shè)計(jì)與選型，工作人員首先要明確刀盤(pán)設(shè)計(jì)流程，確定其結(jié)構(gòu)形成與支承方式，選擇合適的刀盤(pán)材料，保障其剛度與強(qiáng)度。筆者通過(guò)以下內(nèi)容對(duì)復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的設(shè)計(jì)與選型進(jìn)行詳細(xì)論述。

4.1 刀盤(pán)的綜合設(shè)計(jì)流程

在設(shè)計(jì)刀盤(pán)之前，相關(guān)人員需要對(duì)該項(xiàng)目的地質(zhì)條件進(jìn)行勘測(cè)，探究對(duì)施工有影響的夾含物，選擇相對(duì)應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)。隨后明確盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)類(lèi)型、配備刀具類(lèi)型以及道具數(shù)量等。盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格按照該設(shè)計(jì)流程逐項(xiàng)開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，以便刀盤(pán)刀具能夠滿足項(xiàng)目需求，為后續(xù)施工活動(dòng)順利開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。

圖2 盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)設(shè)計(jì)流程

4.2 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式的選擇

復(fù)合底層盾構(gòu)機(jī)的破巖方式有兩種結(jié)構(gòu)，分別為面板型刀盤(pán)結(jié)構(gòu)、輪輻式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)[4]。在本項(xiàng)目中采用輪輻式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)，切削下來(lái)的渣土?xí)ㄟ^(guò)刀盤(pán)開(kāi)口槽流入土艙。其中，刀盤(pán)開(kāi)口尺寸、形狀需要根據(jù)開(kāi)挖面穩(wěn)定性、地質(zhì)條件以及挖掘效率等因素決定。此外，刀盤(pán)結(jié)構(gòu)前方主要有錐面、平面、球面3 種形狀。根據(jù)本案例盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行實(shí)況來(lái)看，球面能夠保障盾構(gòu)機(jī)周邊刀具作用的開(kāi)挖軌跡與磨損程度保持一致，適合用于復(fù)合地層開(kāi)挖，因此，在該項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)刀具前方選擇球面結(jié)構(gòu)。

4.3 刀盤(pán)支承方式

常見(jiàn)刀盤(pán)支承方式有3 種：（1）中心支承。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，此類(lèi)型支撐結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，因此，普遍應(yīng)用于小直徑盾構(gòu)刀盤(pán)支承重。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，中心支承的盾構(gòu)機(jī)黏質(zhì)土附著情況較少。需要注意的是，該設(shè)備對(duì)于大塊卵石、渣石的處理較為困難。（2）中間支承。相較于中心支承，其整體結(jié)構(gòu)平衡性較高，因此，應(yīng)用于中型、大型盾構(gòu)機(jī)中。（3）外圈支承。雖然該結(jié)構(gòu)能夠促使盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部形成空間較大，但是因?yàn)榈侗P(pán)外部極易黏附黏土的關(guān)系，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行效率受到影響。根據(jù)本項(xiàng)目施工情況來(lái)看，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)支承方式選擇中間支承結(jié)構(gòu)。

4.4 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)時(shí)，首先，要保證在不同荷載作用下，刀盤(pán)結(jié)構(gòu)本身具有良好的剛度與強(qiáng)度，以便保障開(kāi)挖活動(dòng)有序開(kāi)展。其次，需要提高刀盤(pán)的耐磨性，保障其與圍巖接觸時(shí)不受破壞，以免在盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)量磨損現(xiàn)象。最后，要在明確開(kāi)口率的情況下調(diào)整盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)面板開(kāi)口位置，以便與刀座安裝孔相協(xié)調(diào)，有助于刀盤(pán)動(dòng)平衡。

根據(jù)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，要提高盾構(gòu)機(jī)單盤(pán)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度，需要選擇焊接型箱形結(jié)構(gòu)。要促使刀盤(pán)整體受力平均，要使用3~4 根梁作為連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅受彎，還需要承受扭矩的作用。一般選擇Q345 作為刀盤(pán)與構(gòu)件連接結(jié)構(gòu)的材料，以提高刀盤(pán)的耐磨性，還需要結(jié)合項(xiàng)目施工要求，在設(shè)備工作面焊接耐磨影響合金材料。刀盤(pán)結(jié)構(gòu)類(lèi)型為圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，主要由底板、面板以及肋構(gòu)成，工作人員在對(duì)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要充分考慮支撐梁，將其作為刀盤(pán)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)。

綜上所述，在本項(xiàng)目當(dāng)中，刀盤(pán)的構(gòu)造設(shè)計(jì)帶面板的6 條主輻條與6 條輔助輻條，整個(gè)刀盤(pán)最大扭矩設(shè)計(jì)為6 259 kN·m、覆土深度為30 m。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，作為決定盾構(gòu)機(jī)施工質(zhì)量的重要因素，刀盤(pán)刀具的選型、設(shè)計(jì)至關(guān)重要。相關(guān)人員在刀具刀盤(pán)選型設(shè)計(jì)工作中，需要充分考慮工程項(xiàng)目運(yùn)行特點(diǎn)，明確刀具參數(shù)的同時(shí)，選擇合適的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)與支承方式，以便滿足項(xiàng)目開(kāi)挖需求，為后續(xù)施工活動(dòng)順利開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。