实例分析地铁复合地层盾构法隧道施工中盾构机刀盘刀具的设计与选型.doc

1、实例分析地铁复合地层盾构法隧道施工中盾构机刀盘刀具的设计与选型摘要：通过某地铁工程实例，综合当地的地质特点及参数，详细分析地质条件和土层特性，从刀盘刀具的配置、刀具构造、刀具细部结构等各方面，合理进行盾构刀盘的开口率及开口大小、刀具类型等的设计与选型，以确保盾构机刀盘与刀具对地层的适应性，希望给类似工程一些参考。 关键词：地铁复合地层盾构机刀盘刀具设计选型 中图分类号：U45 文献标识码：A 某地铁工程共三个区间，分别为黄山站排下站区间、排下站城门站区间、城门站三角埕站区间，均采用盾构法施工。三个区间地质条件不均，以软硬结合地层为主，夹杂部分全软土及全硬岩地层，对盾构机刀盘刀具的要求很高；本文

2、以实例分析该复合地层的盾构刀具设计选型。 一、工程地质描述 黄山站排下站区间盾构隧道所穿越的土层主要为：SK18+934.3SK19+080 主要为(4)粉质粘土、局部为少量1 淤泥，j中砂；SK19+080SK19+490、SK19+685SK19+866 主要为凝灰熔岩风化岩，局部为凝岩风化岩。其中SK19+270SK19+291、SK19+440SK19+479 段掘进面有岩分布；SK19+490SK19+685 主要为粉质粘土、1 淤泥、淤泥质土、粉质粘土、a、残积粉质粘土等土层。 排下站城门站区间盾构隧道所穿越的土层主要为1 淤泥、粉质粘土、1 淤泥质粉质土、粉质粘土、a、残积粉质粘

3、土、c 全风化凝灰熔岩、c 散体状强风华凝灰熔岩、c碎块状强风化凝灰熔岩、c 中风化凝灰熔岩、(18)c 微风化凝灰熔岩等土层。 城门站三角埕站区间盾构隧道所穿越的土层主要为1 淤泥、粉质粘土、1 淤泥质粉质土、a、残积粉质粘土、c 全风化凝灰熔岩、b 全风化绿灰岩、c 散体状强风华凝灰熔岩、c 碎块状强风化凝灰熔岩等土层。 其中软弱层（1、1 层）具有含水量高、孔隙比大、强度低，灵敏度高易扰动；A 残积粘性土、c 全风化凝灰熔岩、c 散状体强风化凝灰熔岩呈砂土状，在施工时可能会坍塌，需加强围护；c 中风化凝灰熔岩为较硬岩，强度大于50Mpa，c 微风化凝灰熔岩等土层，强度大于 110Mpa。

4、 地层特征及分布 综上所诉，盾构穿越土层，上部主要分布粘土，下部分布软岩、较硬岩、硬岩，盾构掘进面变化大，且部分区域盾构掘进面上软下硬，盾构掘进困难，地面沉降大。 整个盾构区间地层变化大，地层变化快，多数地层处于上软下硬，下软上硬的复合地层，对盾构刀具的冲击力要求较高，特别是城门站三角埕站，有大部分中风化凝灰熔岩、微风化凝灰熔岩，单轴饱和抗压强度较高，综合在 60110MPa 之间，对刀具耐磨要求很高；另外，在全风化带强风化基岩层夹不均匀风化的孤石，对盾构机的推进有较大难度。 二、盾构机刀盘刀具配置适应性方案 1、刀盘刀具分布情况 刀盘滚刀开挖直径 6.43m，刀盘配置双刃中心滚刀 4 把，正

5、面单刃滚刀 19 把，边缘单刃滚刀 8 把，正面齿刀 46 把，四孔边缘内刮刀 18 把，四孔边缘直刮刀 4 把，四孔边缘外刮刀 8 把（左右各四把） ，刀盘开口率33%，滚刀刀圈距刀盘面 175mm，刮刀距刀盘面 140mm，滚刀与刮刀相对高差 35mm。 2、刀具设计说明 区间穿越上软下硬、先硬后软或先软后硬等强度差异大的不稳定软硬不均的复合地层，比较恶劣的地层主要出现在始发的C21+386CK21+833，约 447m，此地层类似于广州、深圳的地质状况，为提高滚刀的破岩能力及软硬不均的适应性，建议采用圆弧形刃口的刀圈，提高滚刀的破硬岩的能力（刃口 R9） ，在刮刀的设计上，由于处于破碎岩

6、石地层，且软硬不均，及有可能造成开挖面的凹凸不平，设计上着重考虑刀具的抗冲击性和耐磨性，建议使用“7”字型焊接，增加合金开挖的接触面积，减少刮刀本体的磨损，增加刮刀的耐磨性，选用铜银复合焊片增加合金的焊接抗冲击性能。 三、滚刀刀具构造说明 1、 滚刀概述 滚刀：由刀圈、刀毂、刀轴、端盖轴承、密封等组成，根据地层与扭矩的不同，针对轴承和密封的预紧量进行改良，做到在每种地层中，确保扭矩的前提下，整刀的密封效果优异，不会因为扭矩偏小而导致整刀漏油。 刀圈：重型刀圈主要材质采用 H13E 加入多种微量元素，软岩刀圈硬度达到 HRC5557 适合地层 120MPa 以下，重型刀圈硬度达到HRC5759，

7、适合地层 120180 MPa；刀圈外形设计多种，对于较硬的岩石地层，如微风化花岗岩，刀刃宽度设计较小，以达到破岩的目的，对于开挖面整体强度较低，如卵石地层，采用刀刃宽度相对较宽的刀圈，增加刀圈的耐磨性。 刀毂&刀轴&端盖：采用 42CrMo 锻打加工， 真空热处理，热处理硬度达到 HRC4143； 轴承：采用进口美国 TIMKEN 轴承； 密封：采用进口意大利 GNL 密封； 润滑油：采用美孚高性能齿轮润滑油； 装配：整刀装配是关键的工序，根据不同地层需调整相应的启动扭矩。 2、滚刀刀圈及配件材料工艺 滚刀刀圈材料：选用国内大型特钢企业，提供自主研发材料成份，冶炼高合金模具钢。 滚刀刀圈加工

8、工艺：复合锻造、正火、粗加工、真空热处理、精加工。 滚刀配件材料：选用国内大型特钢企业，以 42CrMo 为基体材料，加入自主开发微量元素，冶炼而成。 配件加工工艺：复合锻造、正火、粗加工、真空热处理、精加工。 3、滚刀总成特点： 根据地层的不同，刀圈选用不同形状的刃口，以确保在软质地层的耐磨性和硬质地层的破岩能力。 采用复合式锻造工艺，超高锻造比，使材料内部组织更细化，提高材料的耐磨性能，为后续热处理提供有力保障。 刀圈及配件全部采用真空热处理工艺，确保零件的表面硬度与心部硬度误差值小。 （刀圈表面与心部硬度小于 2HRC，配件表面与心部硬度小于 4HRC） 根据地层的不同，调整及优化轴承和

9、动密封的预紧力，确保在各种地层中，滚刀不因为偏磨而失效。 零件机械加工全部采用数控设备，每个部件的几何尺寸一致性好，确保总成零部件的互换性，且为总成的交付期提供有力的保障。 四、刀盘配置其他注意事项 1、硬质合金刀片 盾构刀具采用硬质合金具有很高的硬度及耐磨性，抗压强度可达600MPa，采用低压烧结炉进行烧结，合金内部结构度大大改善，抗冲击韧性较普通真空烧结提高 2 成以上，保证合金的使用性能。 2、硬质合金的钎焊润湿性和流铺性 盾构刀具中硬质合金的钎焊性较差，主要指钎料对硬质合金的湿润性、铺展性、填缝性及合金的抗裂性。由于硬质合金的含碳量高，烧结后未经清理的表面层往往含有较多游离状态碳，妨碍

10、钎料的润湿。保证主要措施有以下 3 个方面： 针对性的选择硬质合金专用钎料； 对钎焊表面仔细清理、喷砂、磨削和研磨抛光； 选择高活性钎剂。 3、刀具钎缝的设计 钎缝的位置、形状、尺寸在盾构刀具的钎焊中起重要作用，是影响钎焊工艺性和钎焊强度的关键。盾构刀具钎缝的设计包括槽型设计、钎料钎剂添加设计、钎缝成型设计三个方面。 盾构刀具的使用特点是冲击负荷大、振动大。所以在设计刀具槽型时，都考虑到减少应力及有足够的钎焊面积。大面积的基体结合面需设置隔断工艺槽，以消减应力和储存多余的钎剂，焊接后并在保温炉内进行长时间的保温，以消除应力，减小变形。 4、耐磨堆焊 刀具的关键部位采用选用进口优质耐磨焊条堆焊，

11、堆焊表面硬度HRC60，超硬相硬度达到 HRA80-83。可以防止钢体早期磨损，造成刀具失效。 五、结论 通过实际施工盾构推进，虽然此刀盘刀具配置方案在硬岩段刀具磨损较大，需经常性开仓换刀，但在软硬结合地层中推进不受影响，平均推进速度能够达到 24cm/min（46 环/天） ，满足工程需要，且进入全软土地层后也不需要对滚刀刮刀进行替换，减少了换刀难度。 参考文献： 1陈馈、洪开荣、吴学松盾构施工技术S北京人民交通出版社，2009； 2竺维彬复合地层中的盾构施工技术S北京中国科学技术出版社，2011； 3周文波盾构法隧道施工技术及应用S北京中国建筑工业出版社，2004； 4地下铁道工程施工及验收规范 GB502992003；