王颖
中铁十九局集团轨道交通工程有限公司
摘要：本文分析了盾构机刀盘的一般结构，刀具类型，刀具的更换，复合地层刀具的应用分析。
关键词：复合地层；掘进；刀具
前言：
可以说，任何的盾构机施工基本都是围绕工具进行服务的，刀具直接切削岩石，刀具的使用费用占盾构机施工配件费用的30%，因此刀具的维护是必不可少的，设置维修团队是非常必要的。因为维修刀具的价格与新刀具的价格相距甚远，修理刀的费用是新刀的1/10，因此，使用大量的维修刀具将大大降低施工成本。
一、盾构机刀盘的一般结构
1.1切削刀盘的分类
目前掘进机使用的刀盘可分为垂直平面型、锥型和弓型三种。在上海和南京的软土或砂土层中，锥形刀盘应用广泛。在广州和深圳的混合岩层中，一般采用垂直平面刀盘。根据刀盘的前部面板形状，分为面板型和轮辐型两种类型。
1.2广州使用的海瑞克盾构机刀盘的结构
(1)结构特点
刀盘直径为6250毫米，开挖隧道的直径为6280毫米，刀盘面板的厚度为550毫米，从法兰板的底部到刀盘是1410毫米，刀盘的总重量约55吨，为了保证刀盘整体结构的强度和刚度，刀具的板结构为焊接箱形结构。
(2)刀盘开口形式
刀盘的开口形式为八个对称分布的长孔，开口尽可能靠近刀盘的中心位置，以利于中心处渣土的流动。刀盘的开口率根据安装的刀具的不同而不同。安装硬岩刀具时，刀盘开口率为28%。当安装齿刀时，刀盘开口率可以达到30%。
图1刀盘结构图
(3)泡沫注入系统
在面板上有8个泡沫注入口，用于注入泡沫剂、膨润土和其他添加剂。刀盘的中心位置4个，刀盘的外圈位置4个。通过掺入外加剂，可以改善碴土，提高其流动性。合理使用泡沫剂可减少硬岩对刀盘和刀具的磨损。在软岩区掘进时，可降低刀盘扭矩，防止泥饼出现在刀盘中心，以防止开口堵塞。
(4)耐磨设计
刀盘周边有三条耐磨带，刀盘四周有格栅状耐磨材料，充分保证了硬岩开挖过程中刀盘的耐磨性。
二、刀具类型
根据工程区硬岩和软岩的不同强度和地质特点，进行选择刀具。可在刀盘上安装不同类型的刀具，以适应不同地层的开挖。刀具的具体类型和设计特点见表1。滚刀和齿刀具有相同的刀座形式，可根据不同地质类型进行两种刀具互换。在硬岩掘进时刀盘必须安装滚刀，在软岩中掘进时，中心双刃滚刀可根据需要变为相应的齿刀形式。
表1刀具型式及设计特点
表2刀具的形状和特征
三、刀具的更换
3.1刀具更换的理论根据
对刀具磨损的分析，首先是通过开仓检查，目的是为了在不同地层掘进时的掘进效率进行判断，以此作为是否换刀的依据。海瑞克盾构机滚刀的磨损极限为：边滚刀5毫米，正面滚刀20毫米。掘进速度和刀具消耗对盾构施工有很大影响。一般来说，在时间低于3毫米/分钟的情况下，应更换工具。
纯掘进速度:v=gXn(cutter)
g表示刀具贯入度，cutter表示刀盘转速
刀具的更换取决于刀具的磨损量是否达到设计磨损和刀具损坏。该刀具预计掘进里程按以下两个经验公式计算，取较小值。
M边刀=5Xλ/
M正面刀=20Xλ/
式中及可从上面经验数据表中查的，入为刀具失效系数，一般取0.4-0.7，一般来说，值是根据地质图来确定的。如果开挖段地层相对变化较小，则取数值。
3.2刀具更换原则
土压平衡盾构机刀具的替代原则是“合理、大面积、快速”换刀。合理改变刀具更换，根据当时的地质条件，提出合理的替代方案；为了保证效率，应该减少刀具的更换频率，快速换刀要在近似封闭的空间内进行，因为存在不可预测的客观因素，为了保证人员的安全和设备安全，应该快速有效的进行刀具更换。
3.3正常磨损的两种形式:
(1)硬岩:在均匀地质硬岩条件下，由于盾构掘进速度相对较慢，刀具的贯入度相对较小，刀具刃口磨损较为均匀，一般被认为是刀圈外圆面的磨损。
(2)软岩:在均匀地质条件下的软岩条件下，由于掘进速度快、刀具贯入度大，刀具刀圈磨损成尖锐状。
3.4刀具异常磨损
刀具的异常磨损主要是由偏磨引起。刀链切割机在使用盾构刀，会因边刀损坏或中心刀具损坏而造成刀具链锁损坏。盾构机边缘滚刀的异常损坏或超极限磨损造成其他刀具或刀盘的损坏或盾体卡住的效果。结果表明：同一地层，相同的操作参数，盾尾铰接拉力越大，掘进速度明显降低。如果边刀磨损超过15毫米，有些达到20毫米，远远超过刀具设计的磨损极限（15毫米），因此可判定侧刮刀的磨损极为严重。(见图2)。
图2刮刀磨损示意图
同时，参数的不合理调整，特殊驱动力的盲目增加会加剧刀具的异常损伤。对于一般的刀具，它可以承受25吨的最大推力，因此有效推力施加到刀盘不应大于900吨。考虑设备的安全性和可靠性，有效推力应不大于800吨，推力过大，速度过小，岩石又是软的，有必要考虑中心刀是否已经损坏。
四、复合地层刀具的应用分析
盾构机的顺利掘进不仅与地质条件密切相关，而且还与安装在刀盘上的刀具有关。如果所选工具符合实际地质条件，掘进机将顺利掘进，否则将严重影响盾构掘进。
盾构机在广州地铁四号线的右线始发掘进，随着相关的技术人员仔细分析地质勘探的情况，从起始里程至联络通道处共295环，大部分的岩石都是5Z，6z、砂质粘土和少量的7z，8z形成的地层，对于这种地层破岩能力不是主要的，但需要流动性更好，因为刀盘中心齿刀比中心滚刀的开口率大，有利于渣土流动。所以在开始之前，刀盘上的中心滚刀由中心齿刀代替。掘进到372米（248环）时，由于盾构机掘进效率仍然很好，从经验来看，该刀具仍处于良好状态，可以继续掘进，因此没有更换工具。直到前进292环到达联络通道处进行开仓检测刀具和刀具更换工作，通过检查刀具，虽然有些已经磨损到了极限，但数据分析刀具与实际使用情况是一致的。
在联络通道更换刀具时，因为隧道的前面部分是新建成的。从勘探的地质图可知，在前面的地层相对较硬，他们中的大多数是7z，8z地层，也有一部分9z地层。因此，当布置刀具时，18#中心刀用硬岩双刃滚刀代替，39#由硬岩单刃滚刀代替。刮刀全部更换为新刀，切刀也换成新的。打开检查刀具的位置安排在420环的位置是比较适当的。当盾构机推进到420环时，开仓检查刀具后，所有刀具基本上都是正常磨损，也可以继续掘进。由于掘进到435环，隧道底部的地层基本上是8z或者9z，并逐步增加磨损和边刀失效。当掘进到446环时，开仓并更换刀具，因为此时所有刀具基本上达到了磨损极限，所以必须更换所有的刀具。比原来的计划多了26环。刀具寿命比预期的长。主要原因是它与浆料的改进和刀具的保护密切相关，加上大量的泡沫添加剂来保护刀具。
从这两种切削工具可以看出，由于岩层不同，不同岩层中掘进速度不同，差异很大。第一盘刀掘进到438米处，第二盘掘进231米，刀具是一样的，但中心刀不同，但刃口的磨损几乎都是一样的。这表明同一刀具在不同地层中使用寿命不同。同时在硬岩或软地层中掘进，主驱动程序需要对某些隧道参数进行必要的调整。从软、硬岩石，有必要放慢掘进速度，并在同一时间，减少刀盘的速度，所以我们需要用足够的泡沫剂以降低岩石的摩擦力，这也可以在一定程度上延长刀具的使用寿命。对该工具的预期数据的分析与实际使用的差异是基本一致的，因此，实际的刀具更换可以用经验数据来指导。
结束语：
盾构施工中的刀具管理是非常必要的。如果刀具管理成功，将大大降低刀具成本，提高刀具的利用价值。因此，有必要进行跟踪台账管理、维护登记管理等工作。特别是，记录每个刀具的履历，这有助于为刀具的选择时提供准确的依据。例如，有一把修复的滚刀，但它之前安装的是边刀，掘进的是硬岩，下次选择刀时，应尽量避免在硬岩的位置使用，或更换其他刀具，这样可以提高刀具寿命，提高刀具的使用价值。
参考文献：
[1]洪开荣，叶慷慨，康帆等.广州地铁二号线越三区间盾构施工总结.中隧集团
[2]蒙晓莲,薛景沛,施仲衡,复合地层盾构掘进刀具的研究与分析[J].中铁隧道集团有限公司.