摘要：盾構機刀具是否合適應用工程的地質，將直接影響盾構機的刀盤的應用壽命、切削后果、出土狀況、掘進速度和施工效力。成都位于四川盆地西部的岷江中游地段，境內海拔387-5364米，東界龍泉山脈，西靠邛崍山。其東部地區為典型的富水型砂卵石地層。成都地鐵1號線某標段在盾構掘進過程中，平均換刀距離為147米，刀盤刀具磨損嚴重，導致換刀頻繁。如何延長刀具使用壽命，減少換刀頻率，降低風險?我們從成都地鐵一號線、二號線盾構機掘進經驗出發，概述圍巖巖土層，分析了刀具機理及磨損原因，提出了盾構機在富水砂卵石地質掘進刀具的配置建議。

　　關鍵詞：土壓平衡盾構機,富水砂卵石,刀具,配置

　　0. 前言

　　在富水砂卵石地層中，盾構機刀具是否合適應用工程的地質，將直接影響盾構機的刀盤的應用壽命、切削后果、出土狀況、掘進速度和施工效力，盾構機刀盤刀具的磨損也成為各施工單位熱議的研究話題。在成都地鐵1號線左線火-桐區間，盾構機掘進刀具磨損嚴重。最大換刀掘進距離180.7米，最小換刀掘進距離113.9米，平均換刀距離為147米，刀盤刀具磨損嚴重，導致換刀頻繁，而且成都地區富水砂卵石地層自穩性差，無法直接開倉換刀，必須采取相關加固措施才能滿足開倉的穩定性要求，給施工帶來了極大的安全風險、施工不便及經濟損失。因此，分析并配置好刀具，對土壓平衡式盾構機在富水砂卵石地層快速、安全掘進無疑具有重要的現實意義。

　　1. 地質條件

　　由中鐵四局集團承建的成都地鐵4號線一期工程7標項目盾構作業區間主要由省文聯站～玉雙路站以西盾構井盾構區間、玉雙路站～雙林路站～沙河站、沙河站～工程終點左線盾構區間三個作業區間組成。

　　該標段隧道洞身通過的圍巖巖土層代號為<2-8>;<3-8>;<3-5>、<3-6>、<3-8>、<5-2>、<5-3>。隧道洞身位于富水性卵石土夾砂層中，圍巖基本類別為Ⅱ類(圍巖級別為Ⅴ級)。

　　從第三方地勘資料顯示：本標段區間地層是典型的富水性砂卵石土地層。根據推進路徑地質特點，該標段選用了四臺地層適應性強、各項技術參數符合招標文件和設計要求的且工作性能可靠穩定土壓平衡式盾構機(兩臺海瑞克，兩臺中鐵裝備)進行推進。

　　砂卵石地層和軟硬不均地層是盾構機施工的難點，刀具磨損較快，施工效率較低，施工成本較高。成都地鐵一號線某標段在掘進初期，盤形滾刀、刮刀等各類刀具磨損比較嚴重，在120-150米左右就更換整盤刀具，造成很大損失，現本人僅就海瑞克盾構機，淺談該盾構機在推進前期初裝刀盤刀具的選型與配置。

　　2.刀具配置方案

　　從隨機現有的刀盤配置來看，其現有的刀具配置為：中心區域配置了4把17寸中心雙刃滾刀，正面和周邊共配置32把17寸單刃滾刀，刀高出刀盤面板175mm，刀圈刃口厚度30mm;邊緣刮刀8把，正面刮刀28把，刀高130mm;刀盤外圈梁布置8把刀盤保護刀以保護刀盤外圓。

　　這種刀具配置方案，本人認為：由于盤形滾刀和刮刀的高差較大，不利于刀具之間的相互保護，盤形滾刀和刮刀的磨損都會比較快;而且刮刀的硬質合金較小，在與卵石的切削碰撞中硬質合金容易損壞，進而造成刮刀本體的嚴重磨損。

　　結合成都地鐵一、二號線盾構掘進刀具選型及配置的經驗，本人建議對刀盤刀具配置應以盤形滾刀、重型撕裂刀、刮刀相結合的刀具組合方案為好，它能充分滿足本項目的施工要求。具體配置為：原盤形滾刀、刮刀、刀盤保護刀、邊刮刀等按原配置，方案不變。另增加29把焊接撕裂刀，刀高145mm，從滾刀第16個刀刃處開始布置，軌跡與滾刀重合，這樣就形成三層切削刀具，可以有效實現刀具之間的相互保護;增加8把保徑刀以有效保證盾構施工的開挖直徑;同時根據刀盤結構應增加刀盤圓環保護刀(具體數量根據刀盤位置而定，圓環保護刀圖紙附后暫定數量24把)，從而達到高效長距離掘進的施工要求。

　　3.盤形滾刀配置方案

　　3.1在安裝方式不變情況下盤形滾刀刀圈由17"加大到18"刀圈，刃口厚度加厚到30mm以增加刀圈耐磨量;理論上18"刀圈比17"刀圈耐磨量增加50%左右，這些措施可以有效提高刀圈的掘進距離。

　　3.2刀體(轂)材料采用優質合金結構鋼(42CrMo)，熱處理硬度HRC40-45(耐磨性和沖擊韌性最佳);在刀體(轂)表面及刀圈擋圈表面堆焊耐磨層等措施提高刀體(轂)的耐磨性能。

　　3.3滾刀采用進口TIMKEN圓錐滾子軸承，密封采用意大利金屬密封(GNL)，嚴格控制軸承游隙和預緊力，保證滾刀的啟動扭矩控制在35-40N.m(對刀軸中心)。

　　4.刮刀類刀具建議方案

　　4.1用鉻鎳鉬或鉻錳鉬合金鋼代替目前常用的鉻鉬合金鋼，相比較而言同等條件下鉻鎳鉬或鉻錳鉬更耐磨，韌性更好。

　　4.2適當提高本體硬度，增加耐磨性，因現有邊刮刀、方刮刀及重型撕裂刀本體硬度偏低，在HRC30左右，要提高到HRC40-45。

　　4.3硬質合金采用大塊合金(粗顆粒)增加耐磨性提高壽命，用高牌號的硬質合金增加抗沖擊性。

　　4.4硬質合金和本體的釬焊方式采用銀釬焊，中高頻釬焊，保證釬焊的抗剪切強度在250MPa以上。

　　5.建議與結論

　　在成都地區富水砂卵石地層采用土壓平衡式盾構機掘進，刀具的先用與配置非常重要，刀具的配置關系到盾構能否順利掘進，必須根據地質狀況認真研究分析，刀具的選用與配置直接影響盾構機的刀盤的應用壽命、切削后果、出土狀況、掘進速度和施工效力。在盾構施工中做好對刀具的監控、分析、比較，總結刀具的使用經驗，將最大程度的延長刀具使用壽命，減少換刀頻率，降低風險。目前，成都地鐵4號線四臺盾構機中，三臺盾構機已掘進超百米，玉雙路站～雙林路站～沙河站區間已掘進368m，經刀盤檢驗，刀具磨損狀況在正常范圍。

　　參考文獻：

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