摘 要：刀盤是盾構的主要工作部件，不同地質地層應采用不同的刀盤結構形式及刀具布置，刀盤及刀具的好壞關系到盾構施工的成敗，影響盾構掘進的速度和效益，本文結合本標段盾構刀盤形式及刀具布置，淺談對盾構刀盤的認識。
關鍵詞：盾構；刀盤；刀具
1 、引 言
盾構是一種專門用于開挖地下隧道的大型成套施工設備，它具有開挖快、優質、安全、經濟、有利于環境保護和降低勞動強度的優點，在城市隧道的開挖中得到越來越廣泛的應用。
刀盤是盾構機的關鍵部件之一，是盾構主要工作部件。盾構在地下開挖中會遇到各種不同地層，從淤泥、粘土、砂層到軟巖及硬巖等。在開挖中刀盤受力復雜，工作環境惡劣，是需要重點檢查和維修的部位。刀盤結構關系到盾構的開挖效率、使用壽命及刀具費用。盾構的刀盤結構形式與工程地質情況有著密切的關系，不同的地層應采用不同的刀盤結構形式，盾構刀盤設計是盾構關鍵技術，采用合適的刀盤類型是盾構順利施工的關鍵因素。
2 、盾構刀盤的主要功能
開挖功能：對掌子面的地層進行開挖，開挖后的渣土順利通過渣槽，進入土艙；
穩定功能：支撐掌子面，具有穩定掌子面的功能；攪拌功能：對土艙內的渣土進行攪拌，使渣土具有一定的塑性，能通過螺旋輸送機來調整控制土艙內的壓力。
3 、刀具工作原理
對于不同地層的開挖，盾構的刀具采用不同型式：開挖地層為硬巖時，采用盤形滾刀；地層為較軟巖石時，采用齒刀；地層為軟土或破碎軟巖時，可采用切刀（或刮刀）。不同類型刀具的工作原理如下：
3.1 滾刀工作原理
安裝在刀盤上的盤形滾刀在盾構千斤頂的作用下緊壓在巖面上，隨著刀盤的旋轉，盤形滾刀一方面繞刀盤中心軸公轉，同時繞自身軸線自轉。盤形滾刀在刀盤的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圓。當推力超過巖石的強度時，盤形滾刀刀尖下的巖石直接破碎，刀尖貫入巖石，掌子面上巖石被盤形滾刀擠壓碎裂而形成多道同心圓溝槽。隨著溝槽深度的增加，巖體表面裂紋加深擴大，當刀具壓力超過巖石的剪切和拉伸強度時，相鄰同心圓溝槽間的巖石成片崩落，完成盤形滾刀的破巖過程，如圖 1。
3.2 齒刀工作原理
在巖石較軟的情況下掘進時，如果盤形滾刀與巖石掌子面之間不能產生一定的附著力，使滾刀產生滾動，滾刀將會產生弦磨。滾刀不能滾動，將失去有效的破巖功能，此時在較軟的巖層中可以采用齒刀進行破巖，齒刀安裝方式同滾刀。由于齒刀上裝有二個切削刃，因此刀盤正反轉時齒刀都能進行破巖，如圖 2。
3.3 切刀（刮刀）工作原理
在軟土地層或滾刀破碎后的渣土通過切刀（刮刀）進行開挖，渣土隨切刀（刮刀）正面進入渣槽，因此切刀（刮刀）既具有切削的功能也具有裝載的功能，見圖 3。
4 、盾構常用刀具類型
盾構機應根據不同地質情況選用不同類型的刀具及刀具組合，保證刀盤的開挖效率。目前盾構機上常用的刀具有切刀、刮刀、齒刀、先行刀、雙刃滾刀、單刃滾刀、仿形刀或擴孔刀等等，盾構常用刀具類型見表 1。
5 、盾構刀盤類型及刀具配置
刀盤的結構既要考慮刀盤開挖性能又要考慮渣土的流動性及掌子面的穩定性。盾構刀盤開挖性能主要通過刀具的選擇和布置來保證；渣土的流動性則需要合理布置渣槽及結構形狀，配置渣土改良材料的注入口及刀盤背面攪拌臂；掌子面的穩定性通過刀盤開口度來控制。因此盾構刀盤需要充分考慮隧道掘進地層地質情況，進行針對性的設計，合理選擇刀具，保證刀盤結構的強度和剛度。
（1）對于軟土地層，一般只需要配置切削型刀具，如：切刀、刮刀，刀盤結構相對簡單；由于刀盤需要正反旋轉，因此切刀的布置也應在正反方向布置，為了提高切刀的可靠性，在每個軌跡上至少布置 2 把，在周邊工作量相對較大，磨損后對盾構切口環尺寸影響較大，可以考慮布置較多的切刀（刮刀）?？紤]到刀盤的受力均勻性，刀具布置具有對稱性，刀具安裝一般采用螺栓固定便于更換。在切刀（刮刀）刃口鑲嵌有合金耐磨材料，延長刀具的使用壽命，切刀的破巖能力為 20MPa，可以順利通過加固地層的開挖。切刀伸出刀伸入刀盤面板的高度應保證渣土的流動，防止刀盤面板與掌子面間產生泥餅。在粘土地層刀具壽命較長，在砂性地層壽命相對較短。
（2）對于含有巖石的復合巖土地層，刀盤除配置切削型刀具（如：切刀、刮刀）外，還需要配置盤形滾刀，因而刀盤結構相對復雜。對于巖層首先通過盤形滾刀進行破巖。盤形滾刀一般允許磨損量為 25mm，邊滾刀為 15mm，因此滾刀的伸出高度一般比切刀要大。
盤形滾刀有單刃滾刀和雙刃滾刀，雙刃滾刀破巖能力較低，適應抗壓強度小于 80MPa 的巖石，滾刀起動扭矩小，因此適應于軟巖地層。單刃滾刀破巖能力強，適應抗壓強度高于 80MPa 的巖石，滾刀起動扭矩大，適應于硬巖地層的破巖。
滾刀需要有較大的推力才能破巖，推力越大，滾刀刀尖貫入度越大，貫入度還與滾刀結構及巖層抗壓強度有關，17 寸滾刀允許承載能力為 250kN，滾刀刀尖貫入度一般小于 25mm。滾刀需要有一定的刀盤轉速來完成破巖過程。刀盤旋轉需要克服滾刀周向破巖阻力，需要一定的扭矩，因此刀盤旋轉扭矩要有一定的裕量。
為了保證滾刀的破巖效果，滾刀軌跡徑向間距需要考慮巖石抗壓強度，隨周邊刀具破巖量的增加和保證開挖直徑的需要，刀間距也需要逐步減少。由于滾刀的載荷較大，滾刀的布置除考慮刀間距外，還需要充分考慮滾刀徑向載荷的合力力求通過刀盤的中心，使主軸承受力狀況良好。刀盤的結構設計需要保證一定的強度和剛度。
（3）當巖石抗壓強度低于 30MPa，滾刀破巖效果不是很好時，可以利用滾刀刀座安裝齒刀進行破巖，齒刀軌跡完全與滾刀相同，齒刀刀刃是對稱的，因此刀盤正反轉時都可以很好破巖。
（4）刀盤直徑應考慮刀具磨損后開挖直徑大于盾構切口環的直徑，保證盾構姿態的調整。邊滾刀的允許磨損量為 15mm，因此開挖洞徑的允許變化量為 30mm，而對于邊刀不采用滾刀的盾構機，其開挖洞徑的允許變化量為 20mm。
（5）在曲線半徑小的隧道掘進時，為了保證盾構的調向，需要有較大的開挖直徑，因此刀盤上配置有擴孔刀或仿形刀，仿形刀的類型有滾刀型或齒刀型，需要根據地質情況確定，同滾刀配置。
（6）為提高刀盤的壽命，刀盤面板及周邊含有耐磨條。
6 、盾構刀盤布置實例
莞惠城際 6 標盾構區間下穿地層主要為粉質粘土、淤泥質粉質粘土、全風化、強風化、弱風化混合片麻巖，局部穿越斷層破碎帶及砂層，隧道富水量大，地質條件復雜。
本標段采用的是土壓平衡式盾構機，由沈陽北方重工集團有限公司生產。刀盤整體采用輻條面板式；刀盤面板由左、右兩部分拼接而成；滾刀布置在輻條上，刮刀布置在輻條兩側；刀盤上配置了中心滾刀 10 把、正面滾刀 34 把、邊緣滾刀 10 把，以及188 把雙層刮刀、24 把周邊刮刀、12 把刀盤外緣保護刀和 1 把仿形刀；開口率 33%，見圖 。
7 、結 論
盾構刀盤刀具的布置方法，目的是為了確保刀具結構布置的合理性和實用性。針對本標段工程地質情況，預測盾構在開挖區間，刀具的磨損量以及許用磨損情況下刀具的掘進距離，為保障工程的安全順利進行設計了刀盤結構。在盾構刀盤選型時，對地質進行了充分的分析和研究，刀盤及刀具配置有一定的富余和能力儲備，合理配置了不同刀具，滿足了本標段現場施工要求。
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