摘要：刀盘刀具是复合式盾构机的关键部件，国内外主要采用相似模型试验、数值仿真和现场测试等手段，研究特定刀具的破岩能力、岩土性质及温度等因素对刀具的影响、随机载荷作用下刀具的疲劳寿命及掘进效率的影响、刀盘系统整体强度、刚度及稳定性等问题。而针对实际工程实例的复合式盾构机刀盘刀。
关键词：软土地层；盾构机；刀盘及刀具；选型
引言
盾构施工技术已越来越广泛地应用于城市地铁隧道施工中。我国幅员广阔，地质条件多样，针对各类不同的地质条件，能否设计满足盾构工程施工需要的盾构刀盘及刀具是工程能否成功的关键因素。本文针对软土地层地质条件下盾构刀盘及刀具设计展开研究。
一、软土地层条件下盾构机刀盘选型
1、刀盘开口率
刀盘开口率是指刀盘留空面积占整个刀盘面积的百分比。这部分留空面积，是切削渣土的运动通道。渣土脱离土体后，在重力及刀具刮削作用下，沿刀盘开口流动到土仓。搅拌后，从土仓底部螺旋输送机排出。开口率的大小对应的是渣土排放的效率。若取值过小，破碎（切削）的渣土不能及时进入土仓，滞留在刀盘前方，跟随刀盘做摩擦运动，随着温度升高，会固结在刀具、辐条等部位形成泥饼。因此，在结构强度允许的情况下，开口率尽可能地取较大的值较好。开口率的取值对应刀盘的常态转速。
开口率的计算公式：
K=1/（r+1）
其中：
K——开口率 （%）
r——刀盘转速 （rpm）
刀盘转速是一个从0到Rmax的范围值。通常是连续可调的。但刀盘的开口率是固定的，一经设计、制造成型就不可更改。因此，确定刀盘开口率需要预先评估针对隧道地质条件下刀盘的经常工作状态，根据刀盘的常态转速来确定刀盘的开口率。
岩土硬度高、结理发育差的地层，刀盘转速应较大。相应的，对刀盘开口率要求就小。这与高硬度岩土开挖效率低，出渣量小的施工形态是对应的。反之，岩土硬度低、结理发育丰富地层（如全、强风化地层），刀盘转速应较小。对刀盘开口率要求就大。
2、刃间距
刀盘旋转时，每一个滚刀运动轨迹都是一个以刀盘回转中心为圆心的轨迹圆。两个相邻轨迹圆之间的距离就是刃间距。轨迹相邻的两把刀不是物理相邻，而通常是关于圆心对称。
刃间距的确定同样有赖于盾构隧道的岩土性质。确定合理的刃间距是要实现良好的破岩效率。既不浪费，也不欠缺。理想的破岩状态是相邻两轨迹的破碎截面恰好相接。
刃间距S的计算式是：
S=2L+T =2P*tan（a/2）+T
其中：
P——贯入度；
a——岩石破碎角；
T——刃尖宽度。
混合片麻岩的破碎角是160°，17”滚刀的刃尖宽度是20mm。贯入度P取值为5mm时，计算的刃间距是76.48mm。
公式中，刃间距与贯入度（P）之间是正比关系。贯入度P并不是一个恒定值，较好的围岩中，贯入度值可能会更大，可以达到10mm/r以上。而且，围岩不变的情况下，贯入度的值也无法保持恒定。因此，成正比变动的刃间距值也就难有一个确定值。而要在刀盘上动态调整刃间距是难以实现的。目前的刀盘刀具布置还都是固定间距设计。所以，确定贯入度的取值还是必要的。
二、软土地层条件下盾构机刀具选择
一般情况下，在软岩地层中掘进时，主要选择配置切削性破岩刀具，如：正面齿刀、中心齿刀、切削刀等。考虑到某地区地质条件的变化的因素，边缘滚刀一般不更换为齿刀。在一般复合式地层中，刀具在刀盘上的位置可知边缘滚刀公转半径大，与岩层接触容易产生较大的驱动力矩，不易产生弦磨。在岩石较软区域，如果滚刀刀具的启动力矩太大，容易造成滚刀的弦磨，所以该标段使用滚刀破岩时，应事先测量刀具的启动力矩。
复合地层的盘型滚刀一般需要根据隧道直径来选择刀具，根据掘进隧道直径与盘型滚刀直径的关系表，盘型滚刀的直径设计为17寸。
盘型滚刀的刀间距与岩石的破裂角甲和盘型滚刀刀刃圈的贯入度h有关系，一般情况下盘型滚刀的刀间距按照下式计算：
式中：d为盘型滚刀的最优刀间距（mm）；h为盘型滚刀刀圈的贯入度（mm），与刀盘转速（r/min）、实际掘削速度（mm/min）有关；φ为岩石的破裂角度。
复合地层盘型滚刀的刀间距也可以按照经验间距进行设计，一般为85～100 mm。根据某地岩层条件，滚刀之间的刀刃间距选为89 mm，所有的盘型滚刀全部配置为单刃，由刀盘的结构形式确定，正面单刃滚刀为32把，中心单刃滚刀为10把。在软土地层或较为破碎的岩层，考虑使该刀盘的设计具有广泛的地层适应性，在中心区布置中心滚刀和鱼尾刀的互换方案，正面滚刀和先行刀更换。并且为了更换方便设计成背装式，即可在刀盘背后进行刀具更换。滚刀更换为先行刀后的工作示意图如图1所示。
切削型破岩刀具安装在刀盘正面渣土流动槽旁边，即在刀盘转动过程中可以刮下滚刀破岩松动后的围岩仁，使切削下的渣土通过渣土流动槽直接进
图1先行刀工作示意
入土舱，当正面滚刀替换为正面先行刀后，先行刀、切削刀高出刀盘距离相同。该刀具数量为64把，为方便更换，辐条土槽边缘配置的60把切削刀均为可更换刀具，采用螺栓连接。根据计算，中心刀具的使用寿命较周边长，可以采用焊接型刀具。并在中心侧配置5把导向刀，方便切削下来的土体和岩石碎屑流入刀盘土舱中。
为了保护加泥注浆口免于在盾构掘进时受到破坏，配置有注入口保护刀。刀盘的边缘配边切削刀，其破岩机理属于切削破岩，但不能与其他类型刀具更换，在软岩地层中掘进时破岩作用明显，但在硬岩地层中可以起到刮渣作用，分正刀和逆刀两种，总共为24把。刀盘外周需配保护刀，具有保护刀盘、减小刀盘磨损的作用，总共为16把。
结语
刀盘和刀具是盾构机的主要切削功能部件，根据地质条件的迥异，刀盘和刀具的设计必必须做出调整。通过软土地层条件的分析，确定了刀盘结构的设计。对软土地质条件下盾构刀盘设计有一定的参考意义。
参考文献：
[1]宋天田，周顺华.复合地层条件下盾构刀盘设计研究[J].地下空间与工程学报，2007，3（3）:479 -482.
[2]陈国彬.土压平衡盾构机刀盘结构介绍与刀具应用浅析[J].中国水运，2007，7（6）:61-62.
论文作者:温小东
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/7/23
标签：刀具论文; 盾构论文; 间距论文; 渣土论文; 地层论文; 条件下论文; 转速论文; 《基层建设》2018年第18期论文;