沈阳地区盾构机刀盘的研究
摘 要 本文针对沈阳地区的沙土性质地层 ，就法国 NFM 公司和日本 IHI 公司的两家不同设备在沈阳地铁项目中的使用情况 ，对刀盘做了有针对性的分析与研究。
关键词 沈阳地铁 ；盾构机 ；刀盘
0 引言
作为盾构机的关键部件之一 ，刀盘主要起到开挖土体、稳定工作面及搅拌土砂的功能。刀盘型式及结构直接关系到盾构的开挖效率、使用寿命及刀具费用。
一组关于施工时刀盘换刀情况的数据（单线）：
沈阳 1 号线云峰街（NFM）左线 ，施工过程中更换过一次部分的先行刀和周边刮刀 ；右线施工过程中更换了一次所有的48 把先行刀和 5 把周边刮刀。
沈阳 2 号线（NFM），在过浑河前进行了一个换刀工作。周边刮刀 6 把 ，刮刀 15 把。
沈阳 1 号线南市（IHI）线 ，在整个单线施工过程中没有一次换刀 ，但是在换线的时候更换了刀盘上所有的刀具。
由此可见在沈阳地区 ，2 家盾构机刀盘的使用情况有较大的差距。
1 刀盘结构
NFM 用的是辐板式刀盘 ，IHI 用的是辐条式刀盘 ，两家刀具布置是比较通用的形式。
根据 2 个刀盘的比较 ，明显不同的是开口率的大小 ，中心刀的设计 ，先行刀的选型。
开口率即刀盘面板开口部分的面积与刀盘面积的比值 ，IHI 由于没有辐板 ，所以开口率要明显大于 NFM。在沈阳这种沙土地质条件下 ，辐条式结构是要优于面板式的 ，那么为什么 NFM 要添加辐板呢？主要是考虑到如果地层里出现了直径较大的石头 ，可能会能在没有被破碎的情况下就被刮进土仓 ，而螺旋输送机的输送直径小于石头直径导致石头始终不能被送出而遗留在土仓中。IHI 的刀盘设计就是舍弃了出现大直径孤石的情况 ，这是需要客户提供非常准确的地质报告为前提的。NFM 的辐板式刀盘 ，在很好的解决大直径漂石 ，孤石情况的同时也会导致本来应该切削下来的沙石留在刀盘掌子面 ，从而使刀具对其多次切削 ，影响刀具寿命。
因此在刀盘结构上应该有所偏向性 ，不管是从成本 ，还是设计难度上都应该做一个全面的平衡和思考。
2 刀具配置
2.1 中心刀的布置
NFM 的几个项目中的刀盘中心刀轨迹直径分别为 ：Φ1355 ；Φ1430 ；Φ1368 ；IHI 在沈阳项目中心刀的轨迹直径为 Φ1500。中心刀刀尖到刀盘面板的距离 ：NFM 的数据基本在 250 上下 ，而 IHI 的为 560mm。
关于为什么两种类型的中心刀到刀盘面板的距离相差这么大？更大的距离数值表示了刀具在挖掘时更大的探身量 ，但是这种大的探身量会加剧的掌子面土质的不稳定 ，虽然这在挖掘中可以保证很快的掘进速度和提高刀具的寿命 ，但是如果在排渣和泥土输送没有保证的情况很容易造成机器抱死或者喷涌等不良现象 ，所以日本 IHI 公司在螺旋输送机的设计上更偏爱无轴式以增大排土量。
2.2 刮刀的布置
在刀盘切削过程中 ，由于近刀盘边缘旋转速度比靠近中心部位的转速要快 ，且沿地层的直线距离较长 ，因此边刀的磨损量大于中心刀 ，所以在设计时由中心向刀盘边缘逐渐增加刮刀的布置数量。从资料上看 NFM 标准刮刀共 92 把 ，IHI 的标准刮刀共 82 把 ，可见刀盘上刮刀的数量并不是越多 ，切削能力越好。过大的考虑安全系数影响了刀具的配置 ，过多数量的刮刀不仅增加了制造成本 ，也因此增加了刀盘自身重量 ，从而导致影响了开挖能力。
根据刀具配置要覆盖整个开挖断面的要求 ，同时为保证刀盘受力均衡 ，运转平稳 ，一般刀具要对称性布置 ；刮刀要正反方向布置 ，同时要确保每个轨迹有 2 把反向刮刀这个要求。可以较容易的排列出刮刀轨迹 ，根据沈阳沙土地质的特点 ，一般在同一轨迹同一方向上只配备 2 把刮刀即满足使用要求。
2.3 先行刀的布置
因为先行刀都是配合刮刀切削工作 ，所以一般设计为同一轨迹上一把刮刀要配置一把先行刀即可。NFM 的先行刀数量为 48 把 ，而 IHI 公司的是 32 把。NFM 用的都是相对小型的撕裂刀 ，而 IHI 的先行刀大多采用的是贝型先行刀。由于贝型先行刀主要特点类似滚刀 ，所以它的破碎和切削能力要强于普通先行刀 ，由此可以看出先行刀在松软图层中起到了决定性的作用。虽然这种贝型刀具的重量和成本相对要高 ，但是带来的效果也确实是有目共睹的。
3 刀具的高低差
刀具的超前量并不是越大越好 ，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 ；反之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才是最重要的。
NFM 的先行刀超前刮刀 10mm~15mm，刮刀超前面板70mm，且刮刀没有高低差。IHI 的贝型先行刀超前刮刀 50mm，刮刀超前面板分 110mm 和 90mm 两种 ，且同一方向同一轨迹这两种同时存在。
通过对现场使用情况的调查 ，发现 NFM 的先行刀的布置并不合理 ，先行刀和刮刀的距离过近 ，不利于破碎 ，且先行刀的刀刃过短 ，导致了一个比较严重的问题 ，即如果先行刀的刀刃已经磨损掉了，而刮刀的刀刃仍旧没有进行土质的切削工作，那就相当于刀盘带了一堆废铁在切削掌子面！这对刀盘的损害很大。IHI 的先行刀和刮刀的距离 ，IHI 贝型刀的刀刃距离为61mm 和刀刃刮刀的距离为 51mm，从而保证贝型刀在没有完全磨损掉时 ，刮刀就已经起到了切削作用。针对 NFM 的刮刀到刀盘面板全部一个距离和 IHI 的两个距离 ，可以假设一个极端状态 ，当 NFM 有一个轨迹上的刀具刀刃被磨损掉了 ，那么这个轨迹上就没有了切削能力 ，但是此时刀盘仍在推进转动 ，那么这个轨迹上的土就会因为没有被切削下来而挤压磨损的刀具 ，从而导致刀座的损坏甚至刀盘的损坏 ；而 IHI 则由于存在高低差而保证刀盘的顺利切削 ，同时在没有磨损刀盘前可以及时进行更换刀具。进一步讲 IHI 的刮刀通过高低差 ，以一种循序渐进的方式 ，逐渐接触掌子面进行切削 ，这样非常有利刀盘的切削和刀盘寿命。
参考文献
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[3]陈馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术[M].人民交通出版社,2009.
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