復(fù)合地層的盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)

代春茹 許孝龍

(天津宏軒達(dá)科技有限公司，天津300160)

盾構(gòu)機(jī)是城市地鐵及地下隧道施工的大型專用設(shè)備，是一種集機(jī)、電、液、測控、土木等多學(xué)科技術(shù)于一體的工程機(jī)械裝備。近年來，隨著國內(nèi)地下空間開發(fā)和利用的逐漸加大，密集型地下隧道工程日趨增多，地下空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和施工難度不斷加大，其應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。越來越多的施工單位首選盾構(gòu)法進(jìn)行隧道施工。而刀盤做為盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣直接決定著盾構(gòu)機(jī)在施工中的掘進(jìn)性能和施工效率。因此，盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)受到更多的關(guān)注，并以此做為盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)及選型的重要內(nèi)容。

盾構(gòu)機(jī)屬于針對型定制產(chǎn)品，即盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)和選型完全是根據(jù)其掘進(jìn)地層的地質(zhì)條件而定。而在實(shí)際施工中，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)地層為均一地質(zhì)條件的情況通常只是理想狀態(tài)，實(shí)際多數(shù)為復(fù)合地層。常見的復(fù)合地層有上部軟土下部硬巖、上部軟巖下部硬巖，甚至同一條施工隧道施工區(qū)間，軟土中夾帶幾十米或幾百米硬巖等情況，不一而足。在這種地質(zhì)條件下，若采用單一的軟土、軟巖或硬巖盾構(gòu)機(jī)刀盤很難滿足這種復(fù)合地層的掘進(jìn)需求。一般建議采用復(fù)合式刀盤，以確保盾構(gòu)機(jī)與掘進(jìn)地層的適應(yīng)性。以南昌地鐵施工中的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)為例，對其復(fù)合式刀盤設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和討論。

1 刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)客戶提供的地質(zhì)勘探報(bào)告，本次隧道施工穿越地層中主要為：全風(fēng)化千枚巖、強(qiáng)風(fēng)化千枚巖、中風(fēng)化千枚巖硬土層、局部穿越堅(jiān)硬的石英巖夾層，全強(qiáng)風(fēng)化千枚巖粘粒含量較高，遇水極易軟化，中風(fēng)化千枚巖屬極軟巖，陡傾角裂隙發(fā)育。

根據(jù)以上地質(zhì)條件以及地鐵隧道施工經(jīng)驗(yàn)分析，該段區(qū)間采用盾構(gòu)法隧道施工，主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

(1)全強(qiáng)風(fēng)化千枚巖中風(fēng)化巖土含大量粘土，粘性好，極易粘附在盾構(gòu)機(jī)設(shè)備上或造成管道堵塞，使其掘進(jìn)困難。

(2)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)段，在盾構(gòu)推進(jìn)方向不規(guī)律分布多條石英巖脈，寬度為15～35 cm不等，與推進(jìn)方向呈斜交或垂直狀，石英巖脈巖質(zhì)堅(jiān)硬，天然抗壓強(qiáng)度為80～100 MPa，對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)不利。

(3)全強(qiáng)風(fēng)化千枚巖遇水極易軟化，中風(fēng)化千枚巖遇水易軟化，千枚巖節(jié)理裂隙發(fā)育，以陡傾角為主。土體自穩(wěn)性較差，對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)不利。

針對復(fù)合地層的盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)，一般按最不利的地質(zhì)條件對刀盤的強(qiáng)度、剛度和破巖能力進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 刀盤結(jié)構(gòu)確定

盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先應(yīng)從刀盤所承載的主要功能著手。盾構(gòu)機(jī)刀盤的主要功能有：開挖土體、穩(wěn)定掌子面、攪拌渣土以及阻擋大漂石堵塞管路，四大主要功能實(shí)現(xiàn)路徑如下：

(1)開挖土體：主要通過刀盤上裝載各種刀具，對掘進(jìn)工作面進(jìn)行開挖，開挖下來的渣土經(jīng)刀盤開口進(jìn)入土倉，并由螺旋輸送機(jī)和皮帶機(jī)輸出到盾構(gòu)機(jī)外。

(2)穩(wěn)定掌子面：主要通過控制土倉內(nèi)土壓力與掘進(jìn)工作面的土壓力保持平衡，保持掌子面穩(wěn)定，從而確保開挖面地表無沉降缺陷。此功能與刀盤開口率密切相關(guān)，一般隨著刀盤開口率增大，刀盤前后土壓力差逐漸變小。

(3)攪拌渣土：主要通過刀盤后方焊接攪拌翼來實(shí)現(xiàn)。隨著刀盤旋轉(zhuǎn)，攪拌翼對土倉內(nèi)渣土進(jìn)行攪拌，防止泥餅出現(xiàn)，從而達(dá)到順利出渣的目的。

(4)阻擋大漂石堵塞管路：盾構(gòu)機(jī)刀盤開口不宜太大，以防止當(dāng)掘進(jìn)地層中存在特大漂石或孤石時(shí)，進(jìn)入螺旋輸送機(jī)并發(fā)生堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

其次，還要對盾構(gòu)機(jī)刀盤的幾種結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)劣進(jìn)行分析。土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)主要有面板式、輻條式兩種型式。其中，由于面板式刀盤前后土壓力降受其開口率影響不易確定，從而導(dǎo)致其穩(wěn)定掌子面的功能不易控制。而輻條式刀盤，由于其結(jié)構(gòu)原因，使渣土更易直接流入土倉，其刀盤前后土壓力降很小，可忽略不計(jì)，故其在保持土壓平衡和穩(wěn)定掌子面功能方面更有優(yōu)勢。

經(jīng)過對其施工區(qū)間的地質(zhì)情況分析，初步確定該盾構(gòu)機(jī)刀盤采用輻條式刀盤結(jié)構(gòu)型式。圖1為復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)簡圖。

圖1 復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)簡圖Figure 1 Configuration of composite typeshield machine disc

1.3 刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)確保刀盤結(jié)構(gòu)在各種載荷的共同作用下具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證其掘進(jìn)工作正常進(jìn)行。盾構(gòu)機(jī)施工中，刀盤與周圍巖土接觸，因此，刀盤設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮其耐磨性。

刀盤面板主要由6根主輻條和6根輔輻條組焊而成，為保證刀盤的整體剛度和強(qiáng)度，刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為箱形結(jié)構(gòu)，材質(zhì)選用Q345B。為進(jìn)一步加強(qiáng)其強(qiáng)度和耐磨性，在其工作面焊接耐磨硬質(zhì)合金材料。刀盤最大扭矩值按3881 kN·m設(shè)計(jì)，覆土設(shè)計(jì)深度為20 m，刀盤前方土體對刀盤壓強(qiáng)為0.2 MPa，對刀盤模型計(jì)算結(jié)果采用有限元應(yīng)力分析，如圖2所示，刀盤最大應(yīng)力為105.4 MPa，位于主輻條里側(cè)側(cè)板，而Q345B材料屈服強(qiáng)度為345 MPa，因此，該刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。刀盤最大變形量為3.64 mm，位于刀盤外周側(cè)面板，依據(jù)刀盤設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，刀盤最大變形量應(yīng)不超過5 mm，因此，該刀盤結(jié)構(gòu)滿足剛度設(shè)計(jì)要求。

圖2 刀盤應(yīng)力狀態(tài)圖Figure 2 Stress status of disc

2 刀具確定與布置

由于軟土與硬巖的破巖機(jī)理不同，所適用的刀具類型亦不同。一般硬巖宜采用盤式滾刀，而軟土主要使用切割刀或刮刀。為達(dá)到更好的掘進(jìn)效果，同時(shí)組合配置中心魚尾刀、先行刀等。針對復(fù)合地層的盾構(gòu)機(jī)刀具選擇，則需要將硬巖滾刀與各種軟土刀具進(jìn)行合理配置及布局，使其同時(shí)滿足硬巖與軟土的掘進(jìn)需求。

通過對南昌地鐵掘進(jìn)層的地質(zhì)條件分析，初步確定刀盤配置兩套刀具，即：初裝刀具和備用刀具。其中初裝刀具全部為軟土刀具，主要有刮刀、先行刀、中心魚尾刀、仿形刀、超挖刀等。由于掘進(jìn)地層中含有石英硬巖，其硬度較高，天然抗壓強(qiáng)度達(dá)80～100 MPa，因此，在備用刀具中配備相當(dāng)數(shù)量的硬巖滾刀，以滿足石英硬巖的掘進(jìn)需求。其中硬巖滾刀與先行刀采用互換、內(nèi)置背裝式設(shè)計(jì)，以便于操作人員在土倉內(nèi)進(jìn)行換刀操作。圖3為常用刀具圖。

圖3 常用盾構(gòu)機(jī)刀具圖Figure 3 Tools of general shield machine

各刀具在刀盤上按螺旋線排列，其中滾刀或先行刀的位置以推力合力通過刀盤中心為宜，使傾復(fù)力矩盡量減小到零。各刀具在刀盤上的布置應(yīng)依據(jù)刀盤的切削原理以及各自的功能進(jìn)行。在刀盤掘進(jìn)施工中，先行刀先將掌子面分割開，刮刀等切削刀直接貫入切削。為減小切削刀直接分割土體而引起的磨損，先行刀(或滾刀)刀尖應(yīng)高出切削刀30～50 mm為宜。

3 開口率與攪拌翼設(shè)計(jì)

刀盤開口率是指刀盤開口部分的面積與刀盤面積的比值，是刀盤設(shè)計(jì)的一個重要參數(shù)。開口率大小與保持掘進(jìn)工作面的穩(wěn)定性密切相關(guān)，因此，刀盤開口必須充分考慮掘進(jìn)地層的地質(zhì)條件和土體的自穩(wěn)性。一般膠結(jié)高粘性土質(zhì)宜加大開口率，而對于易坍塌性圍巖，開口率則需慎重選擇。刀盤開口位置應(yīng)盡量靠近刀盤中心，由于此部位線速度較低，導(dǎo)致渣土在此部位的流動性較差，適度加大中心部位的開口率，可有效防止渣土在刀盤中心部位的沉積，甚至形成泥餅。

復(fù)合刀盤的開口率一般為25%～40%，刀盤開口槽一般設(shè)計(jì)成楔形結(jié)構(gòu)，由刀盤中心向外呈輻射分布。單個開口的大小兼具限制特大漂石或孤石進(jìn)入土倉的功能。一般單個開口寬度在200～500 mm為宜。本例中，由于土體中含有大量粘性顆粒，將刀盤開口率選為40%，以提高刀盤的掘進(jìn)效率。圖4為南昌地鐵刀盤開口率布置圖。

為進(jìn)一步提高土倉內(nèi)渣土的流動性，一般在背面設(shè)計(jì)有攪拌翼，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，攪拌翼對土倉內(nèi)的渣土進(jìn)行攪動。設(shè)計(jì)刀盤攪拌翼時(shí)，應(yīng)避免在土倉內(nèi)可能造成的渣土附著“死角”或凹槽。

圖4 南昌地鐵刀盤開口率布置圖Figure 4 Aperture ratio layout of discused for Nanchang subway engineering

4 泡沫注入口設(shè)計(jì)

本例中的復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)刀盤，其掘進(jìn)地層中含有大量粘性顆粒，粘著性強(qiáng)，極易造成土倉內(nèi)渣土沉積、固結(jié)甚至形成泥餅，從而導(dǎo)致渣土難以排送，影響刀盤掘進(jìn)效率。此時(shí)可向土倉內(nèi)注水、泡沫或膨潤土等，然后強(qiáng)制攪拌，使粘性土泥土化。泡沫除具有改善開挖土體的流塑性外，還具有潤滑刀盤、刀具、螺旋輸送機(jī)，降低刀盤扭矩，保持掘進(jìn)面穩(wěn)定，提高開挖土體的止水性的作用。采用泡沫注入系統(tǒng)，通過刀盤上布置的泡沫管也可以用來加注膨潤土或泥漿，極大地拓寬了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的地質(zhì)適應(yīng)性。

泡沫注入管的位置和數(shù)量，直接影響著土體的改良效果和刀具的潤滑效果。泡沫注入口一般設(shè)置于刀盤中心、刀盤背面等渣土易沉積部位。其數(shù)量一般與掘進(jìn)地層的土質(zhì)情況密切相關(guān)。施工中，為有效防止液體逆流，泡沬流入口設(shè)計(jì)有逆止結(jié)構(gòu)。本例中，刀盤泡沬注入口為5個，其在刀盤上的分布位置如圖5所示。

5 耐磨性設(shè)計(jì)

耐磨性是盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)的一個重要性能參數(shù)，在刀盤耐磨性設(shè)計(jì)中，通常采用的耐磨措施與部位如下：

圖5 復(fù)合刀盤泡沬注入口分布圖Figure 5 Foam inlets layout of composite disc

(1)在刀盤的面板上焊接網(wǎng)狀耐磨條，網(wǎng)狀耐磨條的網(wǎng)眼尺寸一般為50 mm×50 mm左右；

(2)在刀盤的外圈焊接高強(qiáng)度的耐磨板；

(3)對刀盤開口部位的表面進(jìn)行硬化處理；

(4)所有刀具均采用高耐磨的合金鋼碳化鎢刀具，以確保刀具的高耐磨性；

(5)在攪拌棒的表面堆焊網(wǎng)狀耐磨條，耐磨條的高度約為3～5 mm，寬度約為6 mm。

6 結(jié)語

作為盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件的盾構(gòu)機(jī)刀盤，其結(jié)構(gòu)型式、刀具布置及其他技術(shù)參數(shù)設(shè)置決定著盾構(gòu)機(jī)的施工掘進(jìn)效率和性能。以南昌地鐵盾構(gòu)機(jī)復(fù)合刀盤設(shè)計(jì)為例，通過研究其地質(zhì)勘探資料，并對刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜合考慮，從刀盤結(jié)構(gòu)、刀具類型及配置、開口率及攪拌棒設(shè)置、泡沫注入口及耐磨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面考慮，新設(shè)計(jì)的刀盤不僅提高了刀具的耐磨性，滿足了刀具的強(qiáng)度要求，還提高了刀盤的掘進(jìn)效率。