西安地铁施工盾构机刀盘形式的选择

刀盘是盾构机的重要组成部分之一，刀盘及刀具选择是否合适会直接影响盾构机的切削效果和掘进速度，甚至关系到盾构施工方案的成败。本文结合西安地铁一、二号线盾构机施工中所用刀盘形式的优缺点分析，进而提出合理的选择建议。

刀盘设置在盾构机的最前方，既能掘削地层的土体，又能对掘削面起一定的支承作用。

刀盘按照其正面形状分为辐条式和面板式。辐条式刀盘由辐条及布设在辐条上的刀具组成，其特点是刀盘掘削扭矩小，排土容易，土仓内土压可有效地作用到掘削面上；面板式刀盘由辐条、刀具、槽口及面板组成，特点是面板直接支承掘削面，有利于掘削面稳定，但是在掘削黏土地层时，易发生黏土粘附面板表面，妨碍刀盘旋转，进而影响掘削质量。

3种刀盘特点

在西安地铁施工的盾构机主要以小松盾构机为主，此外还有中国中铁装备、中国铁建、罗宾斯以及川崎等厂家的盾构机。由于各厂家设计理念及对西安地层的认识不同，刀盘形式也均有不同。主要可划分为以小松为代表的面板式刀盘，以中铁装备、中国铁建为代表的辐条+小圈梁面板式刀盘以及以罗宾斯为代表的辐条式刀盘。下面就此3种形式的刀盘在以西安地铁施工为代表的老黄土、古土壤等黏性土壤地层中的应用进行分析。

小松刀盘

小松刀盘结构为面板式，刀盘开口率为43%，结构坚固，强度高，刚性大。在刀盘外周磨损距离较多的部位堆焊了大量的网格状耐磨硬质合金，大大提高了刀盘的耐磨性能。并在刀盘上配置了先行刀，在刀盘外周有保护刀具，延长了刀盘的使用寿命。该刀盘采用中间驱动形式。

中铁装备刀盘

中铁装备刀盘主要由4个主刀梁和4个短刀梁及外圈梁组成，刀盘开口率为50%。刀梁之间开口前小后大，刀盘前面板和外圈梁焊有耐磨硬质合金层，保护刀盘本体。

罗宾斯刀盘

罗宾斯刀盘结构为辐条式刀盘，6个扇形开口，开口率达到63%。刀盘外圈梁上焊有耐磨硬质合金保护层和周边贝壳撕裂刀，保护刀盘本体，延长刀盘使用寿命。刀盘采用中间驱动的方式。

使用状况

小松面板式刀盘出洞后状况

小松面板式刀盘出洞后，刀盘上粘着一层约100 mm厚的黏土，刀具出现“糊刀”现象，其刀盘中心鱼尾刀周边开口全部被堵塞，刀盘驱动连杆之间也存积有结成块的“泥饼”。小松面板式刀盘出洞后状况如图1所示。

中铁装备刀盘出洞后状况

中铁装备刀盘出洞后较小松面板式刀盘情况大为改观，刀盘开口较大，刀盘面板上没有“糊刀”和“泥饼”现象，但是，在土仓中刀盘驱动连杆之间全部被泥土填充，中心鱼尾刀周边也存在泥土。中铁装备刀盘出洞后状况如图2所示。

罗宾斯刀盘出洞后状况

此刀盘为辐条式刀盘，出洞后状况理想，刀盘及土仓中均没有出现“糊刀”和“泥饼”现象。罗宾斯刀盘出洞后状况如图3所示。

使用状况分析及选择建议

从上述3种刀盘出洞后的状况可以看出，施工中对盾构机刀盘的伤害主要是“糊刀”和“泥饼”现象。首先，“糊刀”即刀盘刀具被泥土包裹，故刀盘贯入度减小，刀盘刀具切削土壤的能力减小，其必然大大影响盾构机的推进速度；其次，当刀盘出现“糊刀”和“泥饼”现象时，其刀盘承重必然增加，刀盘旋转时扭矩增加，易于出现刀盘 “卡死”现象；最后，“泥饼”将刀盘糊住后，切削下来的渣土不易于流进土仓，也影响其推进速度。

从结构形式以及这3种刀盘的工程使用效果分析比较，不难看出，开口率较大的刀盘其使用效果较好。刀盘开口率越小，刀盘面板与开挖面之间的接触面积则相对越大，此时渣土更易堆积在刀盘和开挖面之间，使得渣土不易进入土仓，导致刀盘更易发生堵塞，因此刀盘更容易发生“糊刀”和“泥饼”现象，不利于盾构施工。

从刀盘的驱动形式上分析：采取中间驱动方式比采取中心驱动方式要好。中间驱动的方式使得刀盘与土仓中心之间存在相对运动的状态，所以中心部分不易形成泥土堆积，而中心驱动方式恰好相反，其刀盘与土仓中心是相对静止的状态，更易于泥土的堆积，进而形成“泥饼”。因此在易于形成“泥饼”的地区宜采用中间驱动的方式。

因此，在类似西安地区的新黄土、古土壤、老黄土、沉积沙层以及湿陷性黄土等为代表的地层，盾构机刀盘选取开口率相对较大的辐条式刀盘，刀盘驱动方式宜选取中间驱动的方式更为有利于盾构机的掘进。