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浅谈盾构刀盘的设计与工程应用
2017/7/17 10:32:02

1  引言

      盾构是一种用于隧道暗挖施工,具有金属外壳,壳内装有整机及辅助设备,在钢壳体掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业,而使隧道一次成形的机械。盾构按掘进方式分为人工、半机械和机械化形式,目前机械化盾构发展较快,它由刀盘旋转切削地层,采用螺旋输送机或泥浆管运送碴土,在壳体内拼装预制管片,依靠液压千斤顶推进。

      盾构在地下开挖中会遇到各种不同地层,从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。在开挖中刀盘受力复杂,工作环境恶劣。刀盘的结构关系到盾构工程的成败、开挖效率、使用寿命及刀具费用。盾构的刀盘结构形式与工程地质情况有着密切的关系,不同的地层应采用不同的刀盘结构形式,盾构刀盘设计是盾构的关键技术。 

2  刀盘的主要功能

      刀盘主要具有三大功能:

      1)开挖功能    刀盘旋转时,刀具切削隧道掌子面的土体,对掌子面的地层进行开挖,开挖后的碴土通过刀盘的开口进入土仓;

      2)稳定功能    支撑掌子面,具有稳定掌子面的功能;

      3)搅拌功能    对于土压平衡盾构,刀盘对土仓内的碴土进行搅拌,使碴土具有一定的塑性,然后通过螺旋输送机将碴土排出;对于泥水盾构,通过刀盘的旋转搅拌作用,将切削下来的碴土与膨润土泥浆充分混合,优化了泥水压力的控制和改善了泥浆的均匀性,然后通过排泥管道将开挖碴土以流体的形式泵送到设在地面上的泥水分离站。 

3  刀盘的设计要点

3.1 刀盘的结构形式

      刀盘的结构形式有面板式和辐条式两种,具体应用时应根据施工条件和土质条件等因素决定。泥水盾构采用面板式刀盘;土压平衡盾构根据土质条件可采用面板式或辐条式。对于土压平衡盾构,采用面板式刀盘时,由于泥土流经刀盘面板的开口进入土仓,盾构掘进时土仓内的土压力与开挖面的土压力之间产生压力降,且压力降的大小受面板刀开口的影响不易确定,从而使得开挖面的土压力不易控制。辐条式刀盘仅有几根辐条,切削下来的土体直接进入土仓,没有压力损失,同时在辐条后设有搅拌叶片,土、砂流动顺畅,土压平衡容易控制。因此幅条式刀盘对砂、土等单一软土地层的适应性比面板式刀盘较强;但由于幅条式刀盘不能安装滚刀,在风化岩及软硬不均地层或硬岩地层掘进时,应采用面板式刀盘。

3.2 刀盘结构的设计

      1)开口率    刀盘开口率是刀盘面板开口部分的面积与刀盘面积的比值,刀盘切削下来的碴土通过刀盘的开口槽流往土仓。刀盘的开口必须根据地质条件、开挖面的稳定性和挖掘效率来决定其形状、尺寸、配置。对于泥水盾构,刀盘的开口率一般取10%~30%;土压平衡盾构的开口率范围较宽。对于胶结粘性土之类的高粘附性土质,宜加大开口率;对于易坍塌性围岩,开口率需慎重选择。刀盘开口位置应尽量靠近刀盘中心,以防止碴土在刀盘的中心部位流动不畅而形成泥饼。同时,由于刀盘中心部位的线速度较低,粘土、粉土、膨润土等粘稠土体在中心部位的流动性较差,粘性土容易在中心部位沉积,因此应适当加大中心部位开口率。刀盘开口槽一般设计成楔形结构,使开口逐渐变大,以利于碴土向土仓内流动。

      2)泡沫管的布置    土压平衡盾构主要适用于粘稠土壤的施工,当含砂量超过某一限度时,泥土的塑流性明显变差,土仓内的土体因固结作用而被压密,导致碴土难以排送,可向土仓内注水或泡沫、膨润土等,然后进行强制搅拌,使砂质土泥土化。泡沫是一种塑流化改性剂,除具有改善开挖土体的塑流性外,还具有润滑刀盘、刀具、螺旋输送机,降低刀盘扭矩,保持开挖面稳定,提高开挖土体的止水性的作用。通过刀盘上布置的泡沫管也可以用来加注膨润土或泥浆,采用泡沫注入系统,拓宽了土压平衡盾构的地质适应范围。泡沫注入管的位置和数量直接影响着土体的改良效果和刀具的润滑效果。北京地铁五号线是国内引进的第一台德国海瑞克盾构,布置了4个泡沫注入口,而南京地铁引进同一厂家的第五台盾构却布置有6个注入口,这说明制造商在不断进行泡沫注入系统的技术改进。同时,泡沫的注入还能有效地防止刀盘中心形成泥饼。泡沫注入口一般设置在刀盘的中心部位及刀盘的背面。泡沫注入管通过旋转接头引入,在刀盘上的布置有内置式和外置式两种,外置式泡沫管清理较容易,但由于与土体直接摩擦,易损坏;内置式不易磨损,但堵塞时清理较困难;目前一般采用内置式泡沫管。

      3)刀盘倒角及边滚刀的布置     刀盘的切削直径最终由安装在刀盘外周上的刀具来实现。在软土地层掘进时,由周边刮刀实现;在硬岩地层掘进时,由边滚刀来实现。边滚刀的径向与刀盘的面板需成一定的角度,刀盘形状在边缘处需倾斜一定的角度,从而形成刀盘倒角。在刀盘切削过程中,由于边滚刀靠近刀盘的边缘,其旋转速度比靠近中心部位的滚刀要快,且切削岩层的直线距离较长,因此边滚刀的磨损量大于中心滚刀和正滚刀,在设计时应增加边滚刀的布置数量。同时由于边滚刀与刀盘轴线存在一定角度,因此受力比中心滚刀和正滚刀要复杂,且这个角度的大小直接影响边滚刀的寿命,因此应根据岩石的硬度慎重确定刀盘倒角的大小和边滚刀的安装角度。

      4)搅拌棒的设计    在刀盘的背面设计搅拌棒,对于土压平衡盾构可通过搅拌改善土仓内切削土体的塑流性,对于泥水盾构,则可通过搅拌改善泥浆的均匀性。搅拌棒一般伸出刀盘后端面约700mm。

      5)耐磨设计    通过采用适宜的材料与合理的工艺来高刀盘及刀具的耐磨性:① 刀盘的面板焊接网状耐磨条。② 刀盘的外圈焊接高强度的耐磨板。③ 对刀盘开口部位的表面进行硬化。④ 所有刀具均采用高耐磨的合金钢碳化钨刀具,以确保刀具的高耐磨性。⑤ 在搅拌棒的表面堆焊网状耐磨条。网状耐磨条的网眼尺寸一般为80×80mm,耐磨条的高度约为2mm,宽度为6mm。

      6)刀具超前量的确定    刀具超前量大时,对地层的切削性较好,但对开挖面扰动较大,不利于开挖面的稳定;刀具的超前量小时,对地层的切削性较差,但对开挖面扰动较小,有利于开挖面的稳定;因此应根据地质条件合理确定刀具的超前量。

3.3 刀具种类及应用特点

      1)切刀    切刀是软土刀具,布置在刀盘开口槽的两侧,其切削原理是盾构向前推进的同时,切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力,在刀盘的转动下,通过刀刃和刀头部分插入到地层内部,象犁子犁地一样切削地层。

      2)滚刀    在硬岩掘进时,采用滚刀破岩,滚刀破岩的特点是依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。滚刀的类型、数量、布置方式、位置、超前量根据岩层的强度和整体性、掘进距离、含砂量等特点确定。滚刀刀圈的材质是滚刀能否胜任掘进硬岩的关键。一般有以下4种类型的刀圈。

      ① 耐磨层表面刀圈

      适用于掘进硬度40MPa的紧密地层,硬度80~100MPa的断裂砾岩、砂岩、凝灰岩及砂粘土等地层。

      ② 标准钢刀圈

      适用于掘进硬度50~150MPa的砾岩、大理石、砂岩、灰岩及有石块的地层。

      ③ 重型钢刀圈

      适用于掘进硬度120~250MPa的硬岩,硬度80~150MPa的高磨损岩层,如花岗岩、闪长岩、斑岩、大理石、蛇纹石及玄武岩等地层。

      ④ 镶齿硬质合金刀圈

      适用于掘进硬度高达150~250MPa的花岗岩、玄武岩、斑岩及石英岩等地层。

      3)先行刀   先行刀是先行切削土体的刀具,超前切刀布置,因此也称为超前刀。先行刀在设计中主要考虑与切刀组合协同工作。先行刀在切刀切削土体之前先行切削土体,将土体切割分块,为切刀创造良好的切削条件。先行刀的切削宽度比切刀窄,一般设计为切刀的一半,切削效率较高。采用先行刀,可显著增加切削土体的流动性,大大降低切刀的扭矩,提高切刀的切削效率,减少切刀的磨耗。在松散体地层,尤其是砂卵石地层和钙质结核地层,先行刀的使用效果十分明显。

      4)鱼尾刀    在软土地层掘进时,因刀盘中心部位不能布置切刀,为改善中心部位土体的切削和搅拌效果,可在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。鱼尾刀的设计和布置技术如下:其一让盾构分两步切削土体,利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面土体,而后扩大到全断面切削土体,即将鱼尾刀设计与其他切刀不在一个平面上,即鱼尾刀超前切刀布置,保证鱼尾刀最先切削土体;其二是将鱼尾刀根部设计成锥形,使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体,在切向、径向运动的基础上,又增加一项翻转运动,这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性,又大大提高盾构整体掘进效果。

      5)仿形刀    仿形刀是为曲线推进、转弯或纠偏而设计的,仿形刀安装在刀盘的边缘上,通过一个液压油缸来控制仿形刀的伸出量,从而控制超挖范围。

3.4 刀具布置方式

      刀盘的结构既要考虑刀盘的开挖性能,又要考虑碴土的流动性及掌子面的稳定性。刀盘开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证;碴土的流动性则需要合理设计刀盘的开口槽及结构形状,配置碴土改良材料的注入口及刀盘背面搅拌棒。刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况,进行针对性设计,不同的工程地质特点,采用不同的刀具配置方案,以获得良好的切削效果和掘进速度。中国的地层条件复杂,根据地质条件特点,可以大致分为三大地区:① 以上海地区为代表的软弱土地层;② 以北京为代表的砂层、砂卵石地层;③ 以广州地区为主的风化岩及软硬不均地层。

      1)软弱土地层    在软弱土地层一般只需配置切削型刀具,如:切刀、周边刮刀,中心刀等。以南京地铁盾构为例,刀盘采用面板式结构,装有1把鱼尾形中心刀,120把切刀,16把周边刮刀及1把仿形刀。切刀安装在开口槽的两侧,覆盖了整个进碴口的长度。刮刀安装在刀盘边缘。刀盘的后部装有4个搅拌棒。刀盘是一个带有宽进料开口的切割式圆盘,有16个开口槽,其中8个碴槽接近刀盘中心。在刀盘中心有一个旋转接头,旋转接头是向刀盘前部注入膨润土、泡沫等和向仿形刀供油的主要通道。软弱土地层的刀盘结构相对简单;由于刀盘需要正反旋转,因此切刀的布置也在正反方向布置,为了提高切刀的可靠性,在每个轨迹上至少布置2把。在周边工作量相对较大,磨损后对盾构切口环尺寸影响较大,在正反方向各考虑了8把刮刀。考虑到刀盘的受力均匀性,刀具布置具有对称性。刀具安装采用螺栓固定,便于更换。在切刀或刮刀的刃口镶嵌有合金耐磨材料,以延长刀具的使用寿命,切刀的破岩能力为20MPa,可以顺利地通过进出洞端头的加固地层。

      2)砂层、砂卵石地层    砂性土一般摩擦阻力大,渗透性好,在盾构的推进挤压下水分很快排出,土体强度提高,故不仅盾构推进摩擦阻力大,而且开挖面土压力也较大。另外,盾构土仓内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体。同时砂性土中石英含量较大,刀具磨损较严重。其次是大粒径砂卵石不但切削或破碎困难,而且切削下来的碴土排出也十分困难;因此在刀盘设计时,应对刀盘形式,刀具形状及布置方式,加泥加泡沫系统等内容作为重点统筹考虑。

      以北京为代表的砂层、砂卵石地层,既可选用面板式刀盘,也可选用辐条式刀盘,且采用辐条式刀盘时土压平衡更易于控制,土砂流动顺畅,不易堵塞刀盘开口,且刀盘扭矩阻力小,既能满足工程施工需要,保证有较好的掘进性能,又能节省设备投资。

      对于辐条式刀盘,刀具布置有两种方式:第一种为刀具整体连续排列方式,因其切削阻力较大,现已很少使用;第二种为刀具牙型交错连续排列方式,因其切削阻力小、切削效率高、目前应用较广。在砂层、砂卵石地层施工时,需设置切刀、周边刮刀、先行刀、鱼尾刀、仿形刀等刀具。切刀是主刀具,用于开挖面大部分断面的开挖;周边刮刀也称保径刀,用于切削外周的土体,保证开挖断面的直径;先行刀在开挖面沿径向分层切削,预先疏松土体,降低切刀的冲击荷载,减少切削力矩;鱼尾刀用于开挖面中心断面的开挖,起到定心和疏松部分土体的作用;仿形刀用于曲线开挖和纠偏。

      3)风化岩及软硬不均地层    除配置切削型刀具外,还需配置滚刀,因而刀盘结构相对复杂(见图1)。对于岩层首先通过滚刀进行破岩,且滚刀的超前量应大于切刀的超前量,在滚刀磨损后仍能避免切刀进行破岩,确保切刀的使用寿命。在曲线半径小的隧道掘进时,为了保证盾构的调向,需要有较大的开挖直径,因此刀盘上需配置滚刀型的仿形刀。为提高刀盘的寿命,刀盘面板及周边焊有耐磨条。

3.5 刀具磨损监测

      对刀具的磨损状况进行实时监测或当磨损到极限时进行自动报警,从而掌握合理的换刀时机,减轻刀盘磨损,提高刀盘寿命,提高掘进效率,降低施工成本。

刀具磨损状况监测装置有三种类型:

      1)液压式    刀具磨损至极限时,液压油泄漏,PLC自动报警;

      2)电磁式    刀具磨损至极限时,埋置于刀具内的探头接触到地层,电磁回路断开,接收器接收不到电磁信号,报警器启动。

      3)超声波式    对刀具的磨损量进行实时监测,能随时掌握刀具的磨损状况。

3.6 刀盘的强度刚度及稳定性

      刀盘是与开挖面地层直接接触的结构件,其主要功能是切削掌子面的岩土。刀盘在推进过程中承受着巨大的抗力,刀盘的结构除满足强度条件外,还必须具有足够的刚度,以免在施工过程中变形而影响掘进。在设计时,采用计算机辅助工程分析法进行结构分析,使刀盘在重量、强度、刚度、稳定性、材料经济性等方面具有良好的综合品质,且强度与刚度应有合理的储备。 

4  工程应用实例

4.1 武汉长江隧道的工程地质

      武汉长江公路隧道采用法国NFM公司?1.38m超大型泥水盾构施工,盾构隧道左线2550m,右线2499.2m。线路纵坡大致为U形,最大埋深40.5m,最小埋深7.2m,断面最大水压为0. 6MPa。盾构穿越的地质绝大部分为细砂,砂层中夹有一些淤泥质粘土。在江底,盾构会遇到砂岩和砂的混合地层,隧道切入基岩最大深度约3.5m,其中切入微风化带深度0.3m,切入基岩总长度约503m,其中切入微风化带长度18m。岩石的单轴抗压强度为120MPa。

4.2 武汉长江隧道的盾构刀盘

      1)刀盘结构    刀盘结构是由8块辐条及8块幅板所组成的面板式结构,刀盘开口率为30%。刀盘的中心部分做成半个小锥体,有较大的开口,开口率约为50%,能有效地防止结泥饼现象。刀盘的外缘焊接有特种防磨板。刀盘上装有切刀228把、单刃滚刀39把、周边刮刀32把、仿形刀1把。在不同区域的4把切刀上(R = 1.3m,R = 2.6 m,R = 4.9 m,R = 5.5m)安装有液压式磨损监测装置。刀盘上装备有泥浆喷嘴,还装备有为仿形刀供给液压油和为开挖部位供应泥浆的管道。

      2)刀具布置    武汉长江公路隧道盾构穿越的地层中石英含量高达66%,针对盾构穿越的高磨损地质,采用了双刃碳化钨切刀和碳化钨镶嵌型特殊滚刀,刀具具有非常高的耐磨性。滚刀的启动力矩值设计为15~16Nm,在软土地层掘进时具有抗停转效应,以避免滚刀偏磨。刀具采用三层立体布置方式,第一层为切刀,第二层为滚刀,第三层为切刀。在掘进第一段砂和粘土时,由超前量较大的第一层碳化钨切刀开挖土壤,并对滚刀起保护作用。当掘进到基岩时,第一层超前量较大的切刀已磨损了约40mm,由布置在第二层的滚刀对基岩进行滚压破岩,切刀只起导碴作用。当盾构达到第二段软土时,滚刀已磨损,由超前量较小的布置在第三层的切刀切削软土,直到掘进结束,采用这种独特的刀具设计和刀具布置,能避免中途进行刀具更换,不仅提高了施工进度,更降低了换刀成本。 

5  结束语

      刀盘的结构及刀具配置关系到盾构能否顺利掘进,必须根据地质状况认真研究分析。在刀盘设计时需注意以下几点:①实际施工时会遇到各种复杂地层,地质资料提供的只是部分的钻探资料,不能完全准确反映实际地质情况,因此在进行刀盘的设计时必须考虑对地质进行充分的分析和研究,刀盘的结构及刀具配置要有一定的富余和能力储备;②不同的工程地质需配置不同的刀具,软土地层只需配置切削型刀具;砂卵石地层除配置切刀外,还需配置先行刀;风化岩及软硬不均地层除配置切削型刀具外,还需配置滚刀;③从软土地层到岩石地层随抗压强度的提高,需合理配置刀具外,刀盘的推力及驱动扭矩等参数也应与岩土特性相适应。

      刀盘设计的要点是进行地质适应性研究,应科学地针对不同地层和不同的断面进行刀盘的结构设计,根据岩土特性进行刀盘工作参数和结构参数的优化,确定刀盘结构、材料、制造工艺及刀具的选用和布置。

参考文献

[1] 日本土木学会.隧道标准规范(盾构篇)及解说[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[2] 李建斌,陈馈.先进机械施工新技术及案例[R].洛阳:中铁隧道集团有限公司,2003.

[3] 张国京.适用于砂卵石地层的土压平衡盾构研究[J].市政技术,2004,22(增刊).