作者：吴艳华 刘德全 盛少琴
来源：《广东造船》2013年第01期
摘 要：从工程上看，盾构系统最重要的部分在于刀具的选用和布置，刀具是否适用于工程地质条件将直接影响盾构机的掘进效果。本文从盾构机刀具类型、刀具配置以及刀具布置需要考虑的各项因素，分析盾构机刀具的选型和布置。
关键词：刀具；刀具布置；刀具高度；刀具磨损
1 引言
近年来，随着科学技术的不断发展，人们可利用的地上空间越来越少，对地下空间的开发逐渐成为国内外各大城市的重要目标。隧道掘进机是最主要的地下空间开发工具，是集机械、电气、自动化控制、光学等多学科综合技术为一体的成套设备。
在整个盾构设备系统中，刀盘刀具是能否成功掘进的关键，是影响掘进性能的决定性因素。其中，刀具的配备和布置需要根据地质条件和施工要求进行合理设计，属于复杂的工程系统设计问题，对刀具布置技术的研究具有重要的工程意义。
针对这一情况，本文对复合地质下的刀具选型及布置进行了相应的分析和优化，以实现对复合地层开挖的性能要求。
2 刀具类型
刀具是盾构设备的开挖部件，在不同岩土体条件下，盾构刀具也有所不同。目前常用的盾构刀具大体可分为：滚动类刀具和切削类刀具。其中切削类刀具又包括切刀、刮刀、先行刀等。
2.1 滚动类刀具
刀具在随刀盘转动的同时，还作自转运动的破岩刀具统称为滚动刀具，又称为滚刀。滚动刀具均是通过滚动和滑动产生的挤压、剪切、研磨等达到破岩的目的。根据刀具形状的不同滚刀又分为：齿形滚刀（钢齿和球齿）、盘形滚刀（钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀），如图1所示。
a：钢齿滚刀 b：球齿滚刀 c：钢刀圈滚刀 d：球齿刀圈滚刀
图1 滚动类刀具形状
根据安装位置不同分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀。目前常用的滚刀类型为盘形滚刀。盘形滚刀根据刀刃数分为单刃滚刀、双刃滚刀和多刃滚刀。根据刀刃外径的大小又分成13、15、17、19等不同规格，目前主要使用的是17系列滚刀。
不同刃数滚刀的使用范围各不相同，见表1。
表1 滚动刀具使用情况
2.2 切削类刀具
刀具只随刀盘转动不具备自转的破岩刀具统称为切削类刀具，这类刀具通过刮削、撕裂达到破岩及装载的功能。这类刀具种类很多，目前比较常用的有：边刮刀、切刀、齿刀、先行刀等。这些刀具的特点及适用范围见表2。
表2 切削类刀具使用情况
3 刀具选择
根据盾构设备的工程岩土情况，应合理选择刀具和刀具组合，以便盾构开挖的顺利进行。对软土地层，一般只需要配置切削型刀具。对于含有岩石的复合岩土地层，刀盘除配置切削型刀具外，还需要配置盘形滚刀，以此达到对岩土体的掘进效果。对于分段地层，可选择安装刀座相同的滚刀和齿刀，在滚刀破岩效果不是很好时，可以利用滚刀刀座安装齿刀进行破岩，齿刀轨迹完全与滚刀相同，齿刀刀刃是对称的，因此刀盘正反转时都可以很好破岩。
4 刀具影响因素
刀具布置的疏密直接决定刀具在掘进中的磨损速度及掘进速度，选择恰当的刀具组合并合理布置刀具是盾构设备掘进速度的保证。
刀具的布置因素包括：刀间距、刀具布置方式、刀具高度、刀具磨损等。
4.1 刀间距
刀间距是指相邻刀刃刃口相对于刀盘中心位置的距离之差，也是掘进时相邻刃口形成轨迹的间距。在刀具布置中，无论采用何种方式进行布置，相邻刀具的间距都需要满足破岩理论要求，以避免岩脊或偏磨的出现。
图2 盘形滚刀破岩示意图
刀具之间的间距是刀具布置轨迹确定的重要因素。根据图2所示，设盾构上的第i和第i+1把盘形滚刀在刀盘推力作用下切入岩石深度为h。则当刀盘旋转一周，盘形滚刀的切削深度为h，则L为：
L = 2htanθ
要使同一安装半径上的盘形滚刀在刀盘每转一周的切深相等，且破岩量相同，则两盘形滚刀之间不允许形成累积岩脊，即刀盘转动多周（两周及以上）而未出现连通的岩脊。可表示为：
S{ < L 不出现累积岩脊
> L 出现累积岩脊
刀盘上盘形滚刀的刀间距应该尽量等于L，此时盘形滚刀为最佳切削效率。
刀具间距大小的确定与岩土层硬度有关，在软岩中刀间距取值最大，硬岩中刀间距取值最小。刀间距与工程地质关系如下表3所示。
表3 不同地层对刀间距的要求
4.2 刀具布置方式
为了保证盾构刀盘的正常运转，减少结构引起的偏磨、振动、附加弯矩等，刀具布置在满足刀间距要求的同时，还需要考虑下列因素：
（1） 刀盘刀具破岩时负载相等，刀刃两侧侧向反力平衡；
（2） 刀盘刀具受力平衡，保证合力通过刀盘中心，不产生倾覆力矩和偏载。
刀具自身重力及转动中的离心力是引起刀盘径向载荷、振动的主要原因。为了保证刀盘受力的均匀性，使刀盘不受到径向载荷的作用，则刀具安装后所受重力及离心力的合力必须通过过刀盘圆心。根据这一特点对刀具进行受力分析，以刀盘回转中心为原点，盾构机前进方向为坐标Z轴，建立直角坐标系，则以盘形滚刀为例，其受力情况如图3所示。
图3 盘形滚刀在刀盘上的受力示意图
每个滚刀在受到重力Fg作用的同时，在刀面上受到刀盘转动引起的离心力Fω作用。这些载荷可分解为刀盘受力的竖直方向Fv和平面方向Fi（Fx和Fy），前者引起刀盘的倾覆力矩，后者引起刀盘的径向载荷。因此在布置刀具时需要考虑的力学平衡为：
刀具是刀盘切削岩土的直接工具，只有在刀具对掌子面实现完全切削后刀盘刮刀才能顺利的把岩土刮入土仓内。相反，刀具布置不能完全覆盖刀盘时，切削的岩土会出现岩脊，进而引起刀盘及刮刀的快速磨损，降低刀盘的掘进效率，甚至引起断刀等严重损坏。
目前，刀具在刀盘上的布置方式主要有单螺旋线式、双螺旋线式和同心圆式三种布置方法，其中螺旋线式布置法应用的更为广泛。
4.3 刀具高度
盾构刀具布置的高度是指刀具高出刀盘面的距离，它关系着盾构机掘进的效率。在黏度较大，硬度较低的软质土层，过小的刀具高度在开挖中会出现糊刀或泥饼的现象；而过大的刀具高度则会加大相应的力矩，有断刀的危险。
在硬质地层或复合地层中，盾构机同时配置破岩刀具和切削刀具，但两种刀具的高度也有差别。切削刀具的高度能有效刮削土层进入土仓，同时减小刀盘磨损；滚动刀具的高度应满足破岩要求，并减小切削刀具的研磨。滚刀刀具与切削刀具的高度差值过小时，会增大刀盘主轴承的负载，也会加速刀具的磨损，缩短刀具的使用寿命。而过大时则会使刀具切入深度过大引起崩裂。结合国内盾构机使用情况，刀具高度与岩土体结构关系如表4所列。
表4 不同岩土体中刀具高度情况
4.4 刀具磨损
在盾构掘进中，刀具磨损是不可避免的，各类刀具根据使用方式的不同产生的磨损情况也有所区别。
刀具磨损后将导致相邻刀具之间所受推力的不平衡，而这种不平衡力有时可能是承受正常受力的10倍，增加刀具的损坏概率。同时，由于刀具磨损后与岩石接触面积增大，引起刀具对岩石的挤压应力减小，降低掘进效率。
5 应用实例
应用于珠三角穗莞深城际轨道交通建设的φ8780土压平衡盾构机，工程地质条件是以粉砂质泥岩、粉质粘土及砾砂岩为主的复合式地层，岩石的天然单轴极限抗压强度最高值为200MPa。在盾构机刀盘的设置上既考虑了对硬岩高强度的开挖，也兼顾了泥岩粘性对盾构机掘进的影响，根据表1与表2中各类刀具对不同地质情况的适用性，对该地区的盾构刀具采用滚刀与切削刀的组合刀具如表5所列。
表5 虎门地铁火车站至商业城区间刀具布置
根据地层中岩石单轴极限抗压强度，确定滚刀刀间距选择为～110mm，并采用螺旋线方式布置；在刀盘对称的六个辐板边缘均匀、双向布置切削刀。该刀盘在投入使用后达到了较高的掘进效率，且在刀盘检查时发现，刀具磨损趋向均匀，未出现刀具严重偏磨的现象。
6 总结
对盾构刀具类型、刀具选型及刀具掘进的影响因素进行了总结，并根据国内典型的工况地质的刀具配置进行了归纳。对刀具的一般布置方法进行分析，确定刀具布置必须考虑的因素及处理方式。
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