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摘要：盾构法是地铁区间隧道施工常用的方法，地质水文适应能力强，对地面交通影响很小，对施工周边环境的振动和噪声等干扰较小，地面沉降控制比较好，对周边地下管线、地面建筑物和构筑物及周围环境的影响比较小，施工速度比较快，工程质量比较高。
关键词：地铁盾构机；施工；刀盘；刀具；改造
刀盘是盾构的主要工作部件，不同地质地层应采用不同的刀盘结构形式及刀具布置，刀盘及刀具的好坏关系到盾构施工的成败，影响盾构掘进的速度和效益，甚至关系到盾构施工的成败。
一、刀具工作原理
1.刮削类刀具的工作原理。在刀盘推力的作用下，刮刀嵌如岩渣或岩层中，刀盘带动刀具转动时刮削岩层，在掌子面形成一环环犁沟，特点是效率高，刀盘转动阻力大。在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过刮刀进行开挖，渣土随刮刀正面进入渣槽，因此刮刀既具有切削的功能也具有装载的功能
2.盘形滚刀工作原理。刀盘在纵向油缸施加的推力作用下，使其上的盘形滚刀压入岩石；刀盘在旋转装置的驱动下带动滚刀绕刀盘中心轴公转，同时各滚刀还绕各自的刀轴自转，使滚刀在岩面上连续滚压。刀盘施加给刀圈推力和滚动力（转矩），推力使刀圈压入岩体，滚动力使刀圈滚压岩体。
二、施工中的刀盘修复和改造
1.施工过程中发生的刀具和刀盘严重磨损，北京地铁某标段从第2个区间开始隧道掘进施工，第2个区间完成后，盾构机再掘进施工第1个区间。盾构机在第2个区间始发后，当掘进至在282环开始，推进速度放慢，推力和扭矩增大，泡沫注入量开始增大;掘进至287环时，推进速度明显减缓，刀盘扭矩增大，泡沫注入量大量增加，渣土温度较高，推进耗时约219分钟;至288环时，刀盘扭矩快速剧烈上升，推进停止。经过分析，发生此现象的主要原因可能是之前在黏土和圆砾层掘进中，黏土在刀盘中部黏结，在挤压和相互间摩擦的作用下，膨润土、泡沫和地层中的砂石黏土在刀盘中部发生固结，刀盘开口率逐渐减小。在第287和288两环的施工过程中，刀盘开口率迅速减小，造成排土不畅，扭矩和推力增大。同时，通过进一步的对附近人防工程勘测调查，排除了既有人防工程坍塌所致的可能。海瑞克在其他国家曾有过相似经验，都是加压进舱人工清理解决。对此问题，项目和专家均认为必须立即进仓进行检查，对刀臂及刀盘用高压水冲洗进行清理才能恢复盾构正常施工。同时，在进仓前要对刀盘上方土体进行雷达探测，并进行加压进仓前的气密性试验，制定周密的方案，保证工作的安全。经量测，盾构机位置附近的地面沉降趋于稳定。经过雷达探测，在刀盘上方土体没有发现明显的空洞，但是存在疏松层。盾构土仓控制控制在刀盘直径的三分之一左右，以尽量维持对开挖面的土压力。在盾构机停止后，为了保持开挖面的稳定，应向土仓内注入高压空气。在加压时，为控制由于开挖面土体内水被排挤而造成的漏气，可以较长时间保持土仓内的压力，要向土仓内加注稠膨润土，在开挖面形成膨润土泥膜。通过注入膨润土浆液对周边地层进行改善后，压力损失速度有所减慢，但对气压作业还是不够，主要原因是因为盾构处于圆砾地层，地层空隙率较大，浆液散失过快。即使在更换品质较好的膨润土并同时提高浆液重度，但仍无法维持压力的相对稳定。随后改用聚合物注入刀盘外侧和土仓内进行护壁处理，压力到目前基本维持稳定，达到气压作业要求。经过当时、事后的反复仔细的分析，刀盘和刀具严重磨损的原因主要如下。（1）掘进了280多环一直没有加压进仓进行刀具例行检查和更换。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这主要是因为北京盾构施工中曾多次发生加压进仓失败，导致刀盘上方土体大范围塌陷，甚至引起刀盘上方房屋塌陷。（2）盾构机泡沫管堵塞，使泡沫发生效果下降，影响了对土体的改良。（3）刀具的选择和布置没有充分考虑北京砂卵石地层的特点，没有设置超前刀、撕裂刀和周边保护刀;同时中心刀只设置了半翼;周边刀（盘圈刀或圆弧刀）安装的是耐磨球齿，球耐磨效果不佳，且全部崩落，造成周边刀和底座严重磨损。
2.常压进仓前的准备。刀盘和刀具严重磨损的情况，在加压的情况下对刀盘和刀具进行修复的可能性已经不存在了。主要原因如下。（1）修复时间较长长时间加压进仓作业，对仓内工作人员的身体和安全都很不利，同时，也不能保证刀盘上方的土体和建筑物的安全。（2）加压环境下，焊接工业困难，难以保证焊接工作的质量。（3）加压环境下，工作人员的体力和注意力下降，无法保证长时间安全作业。在加压作业的可能性不存在的条件下，只能选择常压进仓，对刀盘和刀具进行修复和改造。常压进仓作业的重要前提条件就是要对刀盘上方的土体进行加固，保证土体的稳定，进而保证进仓工作人员和刀盘上方建筑物的安全。土体加固选择的加固方式是二重管无收缩双液注浆。由于地面注浆作业区域在市区胡同内，允许作业的场地狭小，因此地面注浆施工采用垂直钻杆和扩散式倾斜钻杆相结合，在局部钻机无法进行钻孔施工的场所采用人工打入钢花管后进行注浆;盾构机洞内注浆施工，采用从观察窗（洞）内向土体内打入钢花管注浆。
3.刀盘和刀具的修复和改造。对刀盘和刀具进行的修复工作主要包括:①拆除已经严重磨损的周边刀、齿刀和中心刀;②拆除严重磨损的周边刀刀座和齿刀刀座;③安装新的周边刀刀座和齿刀刀座;④安装新的周边刀和齿刀;⑤安装新的中心刀;⑥对磨损严重的刀盘表面进行堆焊耐磨修复。为了保证修复质量，选用了高水平的电焊工。同时选用高质量的碳化钨耐磨焊条、和E5016低氢钾型药皮的低碳钢焊条。修复时提高了焊缝堆焊层的层数和高度，以保证修复焊接不低于原厂刀盘的焊接强度。对刀盘和刀具进行的修复工作主要包括:（1）周边刀不再采用镶嵌耐磨球齿，改用盘圈贝型刀，即在周边刀堆焊碳化钨耐磨层后，焊接德国海瑞克的碳化钨合金耐磨块。盘圈贝型刀专用于切削砂卵石，大大提高了周边刀的耐磨能力。（2）增加周边刀的数量，从8把增加到16把，提高刀盘切削砂卵石的能力。（3）增加齿刀（切削刀）的数量，从80把增加到160把，在所有的开孔处均设置齿刀，提高刀盘的切削土体能力。（4）增加了半翼中心刀，将中心刀从半翼改为一翼，提高刀盘的超前扰动能力。
4.刀盘和刀具的修复和改造后的效果。通过对刀盘和刀具的修复和改造，对于提高刀具的寿命和盾构机的掘进能力，尤其是在砂卵石地层的掘进能力，起到了非常大的作用。同时，加大了例行加压开仓进行刀具检查的力度，对磨损达到一定程度的刀具进行适时的更换，保证了盾构机的快速掘进。盾构机始发后，至288环常压开仓修刀，只掘进了288环，即更换了所有的刀具（88把）。而从第289环至第2个区间隧道完成掘进共1 026环，只更换了（43）把刀具。而第一个区间共1 256环，只加压进仓检查刀具两次，没有更换一把刀具。当然，这有地质条件变化的原因，但同时也有力地说明了在对刀盘和刀具的修复和改造后，对提高刀具的寿命和盾构机的掘进能力，尤其是在砂卵石地层的掘进能力，起到了非常大的作用。
刀具配置关系到盾构能否顺利掘进，必须根据地质状况认真研究分析。在盾构施工中合理的选取掘进参数（如总推力、刀具贯入度、刀盘转速、扭矩等），最大程度的延长刀具的使用寿命，减少换刀频率，降低施工中频繁换刀的风险，做好对刀具监控、分析、比较、摸索，总结刀具的使用经验，指导施工。
参考文献
[1]王学彬.盾构刀具堆焊层设计与性能研究.2017.
[2]张显鹏.砂卵石地层土压平衡盾构掘进刀具磨损研究.2016.
[3]周建斌.李凌云，浅谈盾构刀盘的设计与应用.2017.
论文作者:陈迎娜
论文发表刊物:《防护工程》2018年第5期
论文发表时间:2018/7/3
标签：盾构论文; 刀具论文; 地层论文; 作业论文; 磨损论文; 推力论文; 耐磨论文; 《防护工程》2018年第5期论文;