摘 要：盾构机刀具配置是盾构机刀具设计中是非常重要的内容。 本论文着重介绍了刀具的种类和切削原理，同时针对不同的地层情况，提出刀具的具体配置方式。针对盾构机在复合地层隧道掘进，解释了刀具配置的差异性、刀具配置的“矛盾”现象。结合工程实例，在砂卵石地层中（尤其是含大直径漂石）长距离隧道掘进的工况下，提出了盾构机生产厂家关于刀具配置新的设计理念和思路。最后提出了刀具配置设计中应考虑的因素。
关键词：刀具种类；切削原理；配置方式；刀具设计
Abstract: TBM(Tunnel Boring Machine) Cutting Tools Configuration is one of the most important factor during TBM cutting tool design. This article focus on describe the type of cutting tools and cutting theory, Meanwhile, the detail cutting tools configuration has been proposed due to different geologic condition. Analyzed the discrepant cutting tool configuration and “the Contradictory Phenomenon”. According to the reference project, a new cutting tools configuration design thought & theory is proposed from TBM manufacture for long distance tunnel excavation in gravel geologic condition(especially content big boulder). At the end of this article, the necessary consideration factor is provided during cutting tools configuration design.
Key words: Type of Cutting Tools; Cutting Theory; Cutting Tools Configuration; Cutting Tools Design
引言
盾构机刀具的配置是盾构机刀具设计中是非常重要的内容，其配置是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机的刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工效率。
1 刀具种类和切削原理
1.1切刀（齿刀，刮刀）
切刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构机向前推进的同时，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，刀刃和刀头部分插入到地层内部，不断将开挖面前方土体切削下来。切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂、卵石、粘土等松散体地层。
1.2先行刀（超前刀）
先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置。先行刀在设计中主要考虑与其它刀具组合协同工作。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。先行刀的切削宽度一般比切刀窄，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，尤其是砂卵石地层先行刀的使用效果十分明显。
1.3贝型刀
贝型刀实质上是超前刀，盾构机穿越砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层时，若采用滚刀型刀具，因土体屑松散体，在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，大大降低滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石。
1.4 中心刀（鱼尾刀 、双刃或三刃滚刀 、锥形刀 、中心羊角刀）
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（羊角刀），一般鱼尾刀超前600 mm左右。鱼尾刀的设计和配置方式如下：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它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和搅拌效果，又大大提高盾构整体掘进效果。
在纯硬岩地层掘进时，到盘中心位置布置双刃或三刃滚刀。
1.5 仿形刀（或超挖刀）
盾构机一般设计两把仿形刀(一把备用)，布置在刀盘的边缘上。施工时可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从边缘径向伸出和缩回仿形刀。仿形刀伸出最大值一般在70～150mm之间。盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削土体创造所需空间，保证盾构机在超挖少、对周边土体干扰小的条件下，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏。
1.6 滚刀和刮碴板
在纯硬岩地层掘进时，采用滚刀破岩。滚刀破岩的原理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。穿越松散地层但有大粒径的砾石(粒径大于400mm)、并且含量达到一定比例时，也可采用滚刀型刀具。在隧道地质条件复杂多变、岩石(强度不算太高)与一般土体(或粘土或砂土)交错频繁出现的情况，也有可能采用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。
1.6.1 滚刀分为齿形（球齿、楔齿）滚刀和盘形滚刀
1.6.2 滚刀刀圈的材质是滚刀能否胜任掘进硬岩的关键。盘形滚刀根据刀圈不同一般有以下4种类型
(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、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、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。
1.6.3 刮碴板的作用是将滚刀破碎的岩碴，及时排出，防止滚刀对岩碴的二次破碎，保护滚刀。前刮碴板主要铲装刀盘前方的落碴，铲装量大，磨损较快，后刮碴板主要铲装下护盾推进中从隧道底部堆积起来的碴石，铲装量小，磨损较小。
2 刀具配置方式
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。根据地质条件特点，可以大致分为四种地层：软弱土地层；砂层、砂卵石地层；风化岩及软硬不均地层；单纯的纯硬岩地层。
2.1软弱土地层 如南京、上海、杭州等地，其地质条件主要以淤泥、粘土和粉质粘土为主， 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、先行刀和超挖刀。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。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，在正反方向各布置了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和刃口背面镶嵌有合金和耐磨材料，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。
2.2 砂层、砂卵石地层 如北京、成都其地质条件主要以砂，卵石地层为主，如遇到粒径较大的砾石或漂石，应配置滚刀进行破碎。在砂层、砂卵石地层施工时，需设置（宽幅）切刀、周边刮刀、先行刀（重型撕裂刀）、中心刀、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，同时重型撕裂刀用于破碎强度较低和粒径较小的卵石和砾石；中心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。滚刀用于破碎粒径较大的砾石或漂石。
2.3 风化岩及软硬不均地层 如广州、深圳，上软下硬、地质不均的复合地层，且局部岩石的单轴抗压强度较高（150-200Mpa）， 除配置切削型刀具外包括宽幅切刀、先行刀，还需配置滚刀，因而刀盘结构相对复杂。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和避免盾壳被卡死，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（或超挖刀）。
2.4 单纯的纯硬岩地层 如秦岭1线隧道，隧道断面范围内以混合片麻岩和混合花岗岩两种岩石为主，刀具全部选用滚刀，无任何齿刀。有时，在刀盘面板周边开口处配备刮碴刮刀板。
3 刀具配置的差异性
在复合地层施工中，刀具配置的差异性主要表现在滚刀和先行刀的配置数量和刀具的高度、组合高度差等方面。例如，海瑞克公司刀盘滚刀和固定先行刀高出面板175mm和140mm，三菱公司刀盘滚刀和固定先行刀高出面板90mm和70mm。两种刀具的高差为35mm和20mm，前者的设计较好，具体表现为刀具高对防止泥饼的形成有利，高度差大有利于破岩。滚刀的刀间距过大和过小都不利于破岩，间距过大，滚刀间会出现“岩脊”现象，间距过小，滚刀间会出现小碎块现象，降低破岩功效。在复合地层中周边滚刀的间距一般小于90mm，正面滚刀的间距为100～120mm（参照国内外施工实例，岩石强度高时，滚刀的间距应控制在70～90mm的范围内比较合理）。
4 复合地层中刀具配置的“矛盾”现象
硬岩地层只需滚刀，但有时必须安装切刀（或刮碴板），切刀在破硬岩过程中几乎没有作用，由于贯入度和高度差的原因，产生瞬间冲击荷载，切刀被磨平或被崩断。在复合地层中，有些砂、卵石地层或同一断面中有硬岩和软岩，所以刀盘必须配备切刀和先行刀以对应非硬岩的需要。同理，在软岩和软土地情况下，本不需安装滚刀，但在由于可能存在部分硬岩，又必须安装滚刀，导致滚刀严重损坏，失去破岩功能。
5 砂卵石地层中（尤其含大直径漂石）长距离隧道掘进的工况下，刀具配置新的设计理念和思路
北京地铁9号线06标段，盾构单线隧道长度约为1238m，地层主要为卵石层、圆砾层、强风化～中风化砾岩层、强风化粘土岩，局部为粉质粘土层和细砂层。开挖面围岩不稳定，粘土岩和强风化砾岩的单轴抗压强度为0.3～2.0Mpa，为极软岩。详勘报告中推测大于400mm粒径卵石含量为15%～40%，隧道附近基坑内有1500×2000mm漂石，不排除有粒径更大的漂石存在，且随机分布。随机取样卵石和砾石的单轴抗压强度为120～187 Mpa，石英和长石含量为70%～95%。
盾构厂家针对本标段的地层在刀具配置方面提出了新的设计理念和思路。为了使刀具能够充分发挥作用，盾构机设计使用了3130 mm大直径轴承，配备了1200kw的驱动动力，使刀盘的托困扭矩为774t.m，转速可达0～3.2rpm，同时在刀盘面板和周边焊接碳化铬超硬耐磨板和耐磨网。刀具布置方面（初步预案），开口槽密排宽幅切刀100把（带耐磨合金头）、面板上配备大横断面高耐磨双层碳化钨重型撕裂刀（先行刀）31把、刀盘外周和边缘位置配备双刃(17”)滚刀10把，中心锥形刀1把。滚刀和重型撕裂刀采用刀盘后装式，可通过刀盘内的转接箱方便地进行拆卸、互换。
刀具的破岩原理，利用刀盘高速转速产生的冲击惯性能量，通过滚刀和大横断面重型撕裂刀进行卵石、砾石和漂石的刀盘前“锤击”破碎。但由于是在软岩地层中掘进，卵石、砾石和漂石在基岩内不能被固定，不能提供给滚刀足够的转动力矩和滚刀切岩的支撑力，导致滚刀破岩失效。
6 刀具配置设计时应考虑的因素
6.1 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，因此在进行刀具配置设计时必须考虑对地质进行充分的分析和研究，刀具配置要有一定的富余和能力储备；
6.2 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，还需配置先行刀、滚刀；在复合地层中，要保证不同种类刀具相互可换性；
6.3 刀具配置要覆盖整个开挖断面，为保证刀盘受力均衡，运转平稳，刀具要对称性布置；切刀要正反方向布置，同时要确保每个轨迹有2把切刀；对切刀排列方式进行选择，整体连续排列或牙型交错排列；通过周边刀保证开挖直径；保证滚刀纯滚动，要考虑周边滚刀的安装角度，同时增加周边滚刀的数量；
6.4 刀具安装通过螺栓固定或设计转接箱，便于安装、拆装、更换和修理方便；
6.5 通过合理选择耐磨材料和合金镶嵌技术；对刀盘和开口槽进行耐磨处理；对加泥、加泡沫系统进行合理设计，减少刀具掘进磨损和冲击，提高刀具的耐久性，延长刀具的使用寿命；
6.6 适应城市繁华地区施工的需要，综合合理选择刀具种类和尺寸，确定刀具的超前量、相互高差，尽可能减少刀盘旋转刀具切削土体过程对周边土体及环境的扰动，尽量使各种刀具磨损均匀，充分发挥各种刀具的切削性能；
6.7 配备刀具磨损监测和报警装置，如液压式、电磁式、超声波探测式。
7 结束语
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。在盾构施工中合理的选取掘进参数（如总推力、刀具贯入度、刀盘转速、扭矩等），最大程度的延长刀具的使用寿命，减少换刀频率，降低施工中频繁换刀的风险，做好对刀具监控、分析、比较、摸索，总结刀具的使用经验，将结果反馈，指导施工。
