淺談盾構(gòu)機刀具的種類及其配置方式

李健敏（海瑞克（廣州）隧道設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510760）

淺談盾構(gòu)機刀具的種類及其配置方式

李健敏
（海瑞克（廣州）隧道設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510760）

在盾構(gòu)法隧道穿越過程中，盾構(gòu)機的刀具是盾構(gòu)開挖的主要工具，且刀具的好壞決定了整個掘進過程。所以選擇正確的刀具，并在刀盤上對其進行合理布置是至關(guān)重要的。本文著重介紹了刀具的種類及其配置方式。

盾構(gòu)機；刀具；刀具配置

一、刀具種類

刀具是盾構(gòu)機重要的部件，其直接影響著盾構(gòu)施工進度。所以必須根據(jù)工程地段巖石的不同強度和地質(zhì)特點以及刀具在不同巖石中表現(xiàn)出的破巖機理來對刀具進行設(shè)計和選擇。為了適應(yīng)從軟土到硬巖不同地層的開挖，目前設(shè)計出多種刀具與之適應(yīng)。盾構(gòu)機刀具類型分為兩大類：滾刀和切削刀。而切削刀的種類繁多，包括：切刀、齒刀、邊刮刀、先行刀、仿形刀、魚尾刀。其中，滾刀和齒刀的刀座形式相同，根據(jù)不同的地質(zhì)類型，兩種刀具可以互換。

1 滾刀。滾刀用于掘進純巖地層；伴有大粒徑的礫石（粒徑大于400mm）并且含量達到一定比例的松散地層；巖石（強度不是太高）與一般土體（松土或砂土）交錯頻繁出現(xiàn)的復(fù)雜地層。采用滾刀破巖時，其破巖原理是：刀盤旋轉(zhuǎn)帶動刀具掃過開挖面，此時滾刀擠壓周邊的巖石，使其表面形成裂紋繼而與開挖面脫落，使得巖石成功破碎。滾刀按刀具形狀的不同分為：盤形滾刀和齒形滾刀；而根據(jù)安裝位置不同分為：正滾刀、中心滾刀、邊滾刀、擴孔滾刀；按照刀圈的數(shù)量分為單刃滾刀、雙刃滾刀和三刃滾刀。在風(fēng)化的砂巖和泥巖等軟巖地層時，一般采用雙刃滾刀；在較硬巖中采用單刃滾刀。

2 切刀。切刀是盾構(gòu)機切削開挖面上體的主刀具。切刀用于開挖非巖質(zhì)或軟土地層；粒徑小于400mm的砂、卵石、粘土等松散體地層。切刀在切削和剝離土體時，其切削原理是：盾構(gòu)機向前推進的同時，切刀隨刀盤旋轉(zhuǎn)對開挖面土體產(chǎn)生軸向（沿隧道前進方向）剪切力和徑向（刀盤旋轉(zhuǎn)切線方向）切削力，使得切刀的刀刃和刀頭插入到地層內(nèi)部，從而不斷將土體切削下來。

3 先行刀（超前刀）。先行刀是先行切削土地的刀具。先行刀在主要是協(xié)同其他刀具進行開挖。先行刀顧名思義是先行，所以它先于切刀切削土體，將土體切割分塊，避免切刀先行切削到地層，起到保護作用。先行刀一般位于面板上，切削寬度一般比切刀窄，能夠增加土體的流動性，從而大大降低切削刀的扭矩，提高切削效率。先行刀分為貝殼刀和撕裂刀。

4 仿形刀（超挖刀）。土壓平衡的盾構(gòu)機一般會在刀盤的邊緣布置一至兩把仿形刀，其作用是：當(dāng)施工進行時，通過仿形刀為切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構(gòu)機在超挖少，對周邊土體干擾小的條件下，實現(xiàn)曲線推進和轉(zhuǎn)彎及糾偏。根據(jù)超挖范圍的要求，從邊緣徑向伸出和縮回仿形刀。仿形刀伸出范圍在70mm～150mm之間。

5 魚尾刀。魚尾刀用于軟土地層掘進時，改善中心部分土地的切削問題和攪拌效果。它被安裝在刀盤中心部位，并高于切刀，保證魚尾刀最先切削土體。將魚尾刀根部設(shè)計成錐形，使刀盤旋轉(zhuǎn)時隨魚尾刀切削下來的土體，在徑向運動的基礎(chǔ)上以增加一項翻轉(zhuǎn)運動。

二、刀具配置方式

刀具在施工過程中能否達到最佳的切削效果和掘進速度，這與刀具的配置方式正確與否密切相關(guān)。在選擇刀具的配置方案時，需先了解工程地質(zhì)地層的實際情況，對其巖石、土層進行詳細的分析，從而得出最佳刀具配置方式。根據(jù)目前的地質(zhì)情況，大致分為以下四種土層：軟弱土地層；砂層、砂卵石地層；風(fēng)化巖及軟硬不均地層；單純的純硬巖地層。

1 軟弱土地層的刀具。如南京、上海、杭州等地，以淤泥、粉質(zhì)粘土和小顆粒泥土為主的地質(zhì)。對此種地層進行挖掘，需采用切刀、中心刀、周邊刮刀、先行刀和超挖刀等切削刀具。切刀被安裝在開口槽的兩側(cè)，覆蓋了整個進碴口的長度；為配合刀盤正反旋轉(zhuǎn)，采用正反方向布置；為了進一少提高切刀的可靠性，要求在每個軌跡上至少布置兩把切刀。由于刀盤邊緣是最先接觸到土層，為了減少土層對刀盤切口環(huán)尺寸的影響，需在刀盤邊緣處正反方向各布置了八把刮刀?？紤]到刀盤的受力均勻性，刀具布置具有對稱性，刀具安裝采用螺栓固定，便于更換。

2 砂層、砂卵石地層的刀具。如北京，成都地區(qū)，主要是以砂、卵石為主，摻雜有顆粒的巖石或者漂石的地層，對此地層進行挖掘時，需要配置寬幅切刀、中心刀、周邊刮刀、滾刀、先行刀（重型撕裂刀） 、仿形刀等刀具。切刀是主刀具，對大部分斷面進行開挖。中心刀用于開挖面中心斷面的開挖，起到定心和疏松部分土體的作用。周邊刮刀用于切削外周的土體，保證開挖斷面的直徑，所以也稱之為保徑刀。滾刀用于破碎粒徑較大的礫石或漂石。而重型撕裂刀則用于破碎強度較低和粒徑較小的卵石和礫石。先行刀用于預(yù)先疏松土體，降低切刀所受到的沖擊荷載。仿形刀用于曲線開挖和糾偏。

3 風(fēng)化巖及軟硬不均地層的刀具。如廣州、深圳我國南部巖石區(qū)域較多，屬上軟下硬、地質(zhì)情況極為復(fù)雜，且局部巖石單軸抗壓強度達到（150MPa～200MPa）；對此類地層進行挖掘時，需配置寬幅切刀、滾刀、仿形刀、先行刀。由于巖石層較為復(fù)雜，需先通過滾刀進行破巖，且滾刀的超前量應(yīng)大于切刀的，這樣才能使得滾刀磨損后仍能避免切刀進行破巖，確保切刀的使用壽命。仿形刀用于增大開挖直徑，使得在曲線半徑小的隧道掘進時，保證盾構(gòu)機的調(diào)向和避免出現(xiàn)盾殼被卡死的現(xiàn)象。

4 單純的純硬巖地層的刀具。如秦嶺1線隧道，以混合片麻巖和花崗巖為主的地層，此地層只需配置滾刀，為了增強滾刀的使用效率，甚至可以在刀盤面板周邊開口處配備刮碴刮刀板。

三、刀具配置的差異性

盾構(gòu)機掘進時，刀具配置的差異會影響掘進速度和效果。對混合型地層進行施工時，刀具配置之間的差異主要來源于滾刀和先行刀之間的參數(shù)配置、數(shù)量、厚度、高度以及相互組合。兩者之間合理的高度差能夠有效地防止泥餅的形成和利于巖石破碎。同樣兩滾刀間的間距也會對破巖產(chǎn)生巨大的差異，間距過小，會造成碎石增多，增大破巖難度；間距過大，滾刀將會出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象，無法有效破巖。為了避免滾刀間距不足或過小所產(chǎn)生的問題，需采取周邊滾刀間距小于90mm，正面滾刀間距為100mm～120mm的配置方式。

結(jié)語

刀具是刀盤中非常關(guān)鍵的部件，而刀盤又是盾構(gòu)機在整個挖掘過程中起至關(guān)重要的作用，所以為保證整個施工按時完成，在盾構(gòu)機施工前，必須考察工地地層的具體情況，根據(jù)地質(zhì)特點合理選取刀具，并對其進行合理配置是至關(guān)重要的。

[1]楊威.盾構(gòu)機刀具配置方式研究[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2012 （11）.

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