摘要：盾構(gòu)機刀具是否合適應(yīng)用工程的地質(zhì)，將直接影響盾構(gòu)機的刀盤的應(yīng)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(nèi)海拔387-5364米，東界龍泉山脈，西靠邛崍山。其東部地區(qū)為典型的富水型砂卵石地層。成都地鐵1號線某標(biāo)段在盾構(gòu)掘進過程中，平均換刀距離為147米，刀盤刀具磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致?lián)Q刀頻繁。如何延長刀具使用壽命，減少換刀頻率，降低風(fēng)險?我們從成都地鐵一號線、二號線盾構(gòu)機掘進經(jīng)驗出發(fā)，概述圍巖巖土層，分析了刀具機理及磨損原因，提出了盾構(gòu)機在富水砂卵石地質(zhì)掘進刀具的配置建議。

　　關(guān)鍵詞：土壓平衡盾構(gòu)機,富水砂卵石,刀具,配置

　　0. 前言

　　在富水砂卵石地層中，盾構(gòu)機刀具是否合適應(yīng)用工程的地質(zhì)，將直接影響盾構(gòu)機的刀盤的應(yīng)用壽命、切削后果、出土狀況、掘進速度和施工效力，盾構(gòu)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(qū)間，盾構(gòu)機掘進刀具磨損嚴(yán)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(yán)重，導(dǎo)致?lián)Q刀頻繁，而且成都地區(qū)富水砂卵石地層自穩(wěn)性差，無法直接開倉換刀，必須采取相關(guān)加固措施才能滿足開倉的穩(wěn)定性要求，給施工帶來了極大的安全風(fēng)險、施工不便及經(jīng)濟損失。因此，分析并配置好刀具，對土壓平衡式盾構(gòu)機在富水砂卵石地層快速、安全掘進無疑具有重要的現(xiàn)實意義。

　　1. 地質(zhì)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(biāo)項目盾構(gòu)作業(yè)區(qū)間主要由省文聯(lián)站～玉雙路站以西盾構(gòu)井盾構(gòu)區(qū)間、玉雙路站～雙林路站～沙河站、沙河站～工程終點左線盾構(gòu)區(qū)間三個作業(yè)區(qū)間組成。

　　該標(biāo)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(biāo)段區(qū)間地層是典型的富水性砂卵石土地層。根據(jù)推進路徑地質(zhì)特點，該標(biāo)段選用了四臺地層適應(yīng)性強、各項技術(shù)參數(shù)符合招標(biāo)文件和設(shè)計要求的且工作性能可靠穩(wěn)定土壓平衡式盾構(gòu)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(gòu)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(biāo)段在掘進初期，盤形滾刀、刮刀等各類刀具磨損比較嚴(yán)重，在120-150米左右就更換整盤刀具，造成很大損失，現(xiàn)本人僅就海瑞克盾構(gòu)機，淺談該盾構(gòu)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(xiàn)有的刀盤配置來看，其現(xiàn)有的刀具配置為：中心區(qū)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(rèn)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(zhì)合金較小，在與卵石的切削碰撞中硬質(zhì)合金容易損壞，進而造成刮刀本體的嚴(yán)重磨損。

　　結(jié)合成都地鐵一、二號線盾構(gòu)掘進刀具選型及配置的經(jīng)驗，本人建議對刀盤刀具配置應(yīng)以盤形滾刀、重型撕裂刀、刮刀相結(jié)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(xiàn)刀具之間的相互保護;增加8把保徑刀以有效保證盾構(gòu)施工的開挖直徑;同時根據(jù)刀盤結(jié)構(gòu)應(yīng)增加刀盤圓環(huán)保護刀(具體數(shù)量根據(jù)刀盤位置而定，圓環(huán)保護刀圖紙附后暫定數(shù)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(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)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(yán)格控制軸承游隙和預(yù)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(dāng)提高本體硬度，增加耐磨性，因現(xiàn)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(zhì)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(zhì)合金增加抗沖擊性。

　　4.4硬質(zhì)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(jié)論

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

　　參考文獻：

　　1. 胡顯鵬.砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)掘進刀具磨損研究 [D].北京.北京交通大學(xué).2006。

　　2. 昌強,傅德明. 土壓平衡盾構(gòu)機刀盤扭矩模擬試驗研究 [J].巖石力學(xué)與工程報.2006,25(8).

　　3. 竺維彬,鞠世健.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù).中國科學(xué)技術(shù)出版社[M],2006.

　　4.張厚美,吳秀國等. 土壓平衡式盾構(gòu)掘進試驗及掘進數(shù)學(xué)模型研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2005,24(Suppl).

　　5.王付利.盾構(gòu)機在不同地層中的掘進[J].隧道建設(shè).2006, (S1).