摘要：大粒径砂卵石地层是北京地铁施工过程中开挖难度最大的地层之一，给土压平衡盾构机造成了很大的难度，刀盘是土压平衡盾构机的重要组成部分，合理的刀盘结构是土压平衡盾构机在大粒径砂卵石地层中的掘进效率、安全可靠运行的保证。本文以北京地铁19号线一期工程03标盾构工程为背景，通过辐条式大开口率刀盘盾构机在大粒径砂卵石地层中的适用性研究，有力的说明了辐条式大开口率刀盘盾构机在大粒径砂卵石地层中广泛应用前景。
关键词：辐条式；大开口率刀盘；大粒径；砂卵石地层
一、引言
随着地铁建设的快速发展，盾构工法以安全、高效、机械性能高、对环境及地层扰动小等特点，在地铁建设中起着越来越重要的作用。工程实践表明，盾构施工中会遇到不同的地层，从淤泥、黏土、砂层、软岩到硬岩等。作为盾构机关键部件刀盘的设计将起到至关重要的地位。刀盘与刀具的选择是否合适直接影响盾构的切削效果和掘进速度。辐条式大开口率刀盘是在大粒径砂卵石地层中应用的一种。该刀盘能有效地减少地层对刀盘的磨损，土方能够更加迅速地进入土仓中，快速出土。
二、工程概况
北京地铁19号线一期工程03标积水潭站～北太平庄站盾构区间从积水潭站北侧的盾构始发井始发，依次下穿转河、五座人行天桥及北三环桥到达北太平庄站，右线起止里程为K48+274.158～K50+349.228，长度约2075.075m，左线起止里程为K48+274.599～K50+349.228，长度约2075.493m。该区间隧道的地质情况如下：卵石⑦、粉细砂⑦2fx、粉质黏土⑦4。区间盾构管片外径6400mm，内径5800mm，宽度为1200mm，采用错缝拼接方式。
三、辐条式大开口率刀盘适应性分析
盾构机采用铁建重工的ZTE6610，盾构机长度约9m，总重约450吨，刀盘类型为辐条式，开口率约76%。该盾构的辐条式大开口率刀盘是针对大粒径砂卵石地层中的长距离掘进设计的。刀盘形式见图1。
辐条式大开口率刀盘采用直角型结构，刀盘上设置两个连续磨损检测装置，实时监测刀盘的磨损情况，提供根准确的判断依据；刀盘结构组成：1把中心鱼尾刀、96把刀高为125mm切刀、64把刀高165mm/145mm贝壳刀、6把横向保径刀、2把控制超挖量为50mm超挖刀。刀盘正面焊接耐磨网格，周边焊接复合耐磨板增强其耐磨性能。
中心鱼尾刀：采用组合的设计，便于卵石的剥离切削；
贝壳刀：采用高低搭配设计，提高刀具的使用寿命，同时贝壳刀数量的增加也提高了刀具的整体寿命。采用的大块合金设计，加强了刀具的耐磨性能。
切刀：采用钝角形式设计，增强刀具的抗冲击性能。
图1 刀盘的平面及立面图
刀盘的主要功能：
（1）切削功能：刀盘旋转时，通过布置在刀盘上的各种形式的刀具切削土体，并将切削的土体刮到土仓中；
（2）支撑功能：依靠辐条及辐条之间的面板起到支撑掌子面的作用；
（3）搅拌功能：通过刀盘的的旋转与搅拌棒的配合作用，使土体与膨润土、泡沫等充分混合，以改善土体的和易性、流塑性，增强土体的流动性，便于出渣，提高掘进工作效率。
（4）控制出渣粒径：通过刀盘形式及刀盘开口率控制进入土仓内的粒径。
隧道的穿越的地层以砂卵石为主，腐蚀性强，盾构在这种地层掘进中，大开口率刀盘能够减小摩擦作用，使盾构在该地层中顺利地快速通过。
刀盘配置改进方面：
（1）切刀：合金是焊接刀的主要耐磨部件，合金在刀刃的表面覆盖面越大，刀具越耐磨。我司合金设计大圆角，将刀具刃部的合金宽度增加，并且本体背面上增加合金块，同时在易磨损的刀具两侧也镶嵌了合金块，增强其耐磨性和耐冲击性能。并且在本体上大面积敷焊耐磨层，耐磨层硬度HRC57-65，防止因本体严重磨损造成合金脱落。
（2）边切刀：对边切刀靠外周的一边刀具本体进行强化，在本体上镶嵌合金块，使得刀具更耐磨损耐冲击。
（3）保径刀：合金是焊接刀的主要耐磨部件，合金在刀刃的表面覆盖面越大，刀具越耐磨。我司刀具刃部的合金总宽度增加，同时将敞开式的合金设计为镶嵌式，刀具的耐冲击性能极大提高。并且在本体上大面积敷焊耐磨层，耐磨层硬度HRC57-65，防止因本体严重磨损造成合金脱落。
（4）周边保护刀：合金是焊接刀的主要耐磨部件，合金在刀刃的表面覆盖面越大，刀具越耐磨。我司刀具刃部的合金总宽度增加，刀具的耐磨性与耐冲击性能极大提高。并且在本体上大面积敷焊耐磨层，耐磨层硬度HRC57-65，防止因本体严重磨损造成合金脱落。
四、辐条式刀盘的开口率对盾构推进的影响
刀盘的开口率对刀盘的扭矩、土仓压力及盾构的出土率等都有着显著的影响。当其他条件相同时，开口率越大，土仓的压力越大，反之亦然；刀盘的开口率越大，刀盘的扭矩越小；刀盘的开口率越大，土方越容易进入到土仓中，盾构推进所达到的最大出土量就越大。
盾构的出土量直接影响着盾构的推进速度。当刀盘的开口率较小，土体的流塑性较差时，土体并不能随刀盘切削顺利，这将造成盾构推进时出土率偏小，前方土体受到明显的挤压，从而造成盾构与前方土体之间接触的压力增大，如果土样中不加入减摩的材料，刀盘的扭矩会不断增加，逐步超过刀盘的脱困扭矩，使盾构无法顺利前进，使土体附着在刀盘上，进一步造成刀盘切削困难，盾构出土进一步恶化，形成恶性循环。
辐条式刀盘只有一个压力P，密封舱内的土压压力和开挖面的压力相等，因此平衡压力易于控制。辐条式刀盘的渣土流进性能好，进渣通畅，不易形成泥饼；刀盘的扭矩阻力小，设备的造价低，刀具的磨损较小；辐条式大开口率刀盘的结构简单、强度稍弱，开口率大，仅能适用特定的地层，辐条式刀盘要求严格控制满仓掘进。
五、结论
通过对辐条式大开口率刀盘盾构机在大粒径砂卵石地层中的可行性研究，刀盘的结构和形式直接关系到盾构掘进的效果和效率，大粒径砂卵石地层是盾构施工中的一个难点，而辐条式大开口率刀盘的使用能有效的增加土体的出渣量，增加螺旋输送机的使用效率；有效地延长刀盘、刀具的使用寿命，降低施工成本，为盾构在长距离砂卵石地层的掘进提供了有效的保证。
参考文献
[1]李向红、傅德明 土压平衡模型盾构掘进试验研究[J]岩土工程学报 2006.
[2]宋克志、王本福 常见盾构机刀盘形式及选用[J]筑路机械与机械自动化 2007.
[3]乐贵平 浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型[J]现代隧道技术 2003.
论文作者:杜亚非,耿晓亮
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/20
标签：盾构论文; 辐条论文; 刀具论文; 合金论文; 卵石论文; 粒径论文; 地层论文; 《建筑学研究前沿》2018年第29期论文;