1.1.5 盾构机刀具
1.盾构刀具
对于盾构机来说，掘削系统即是掘削刀盘及其驱动系统。掘削系统对于盾构机的施工效果有着决定性的影响，而且选择的差异对盾构机造价也有着很大的影响，刀盘选型可以影响到总造价的4%～8%，尤其掘削设备的装备扭矩是盾构机最基本的参数之一。
刀具布置和刀具形状在盾构机应用中是非常重要的内容。刀具布置方式及刀具形状是否适合应用工程的地质条件，直接影响到盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。
（1）分类
盾构机刀具可根据运动方式、布置位置和方式及形状等进行分类。
按切削原理划分，盾构机的刀具一般分为切削刀和滚刀两种，其余形式的刀具为辅助刀具。切削刀又分为齿刀、刮刀和先行刀等，如图1-15、图1-16所示。
按运动方式划分，有固定式和旋转式两种。
按安装方式划分，有螺栓式、插入式、焊接式等。
按掘削目的、设置部位和用途的分类见表1-1。
表1-1 刀具分类
图1-15 滚刀示意图及实物
图1-16 切削刀
对于不同地层的开挖，盾构的刀具通常采用不同形式：开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀；地层为较软岩石时，采用齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采用切刀（或刮刀）。
（2）刀具材料
海瑞克周边刀的刀体是德国产钢号为St52—3的钢材，其性能相当于国产的低碳钢Q235，该材料的韧性较好但硬度较低。其周边刀的刃口主要承受高应力的磨粒磨损，周边刀迎土面钎焊有球齿，球齿材料为硬质合金，主要用于承受砂砾、卵石的磨粒磨损与冲击。其他进口盾构刀具在材料方面由两至三种构成，即基体材料、硬质合金材料、刀具刃口堆焊材料等复合制成。
（3）刀具的作用及切削机理
1）切削刀
切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀一般形状如图1-17所示。一般情况下，β（前角）与α（后角）值随切削地层特性不同变化，取值范围在5～20度之间，黏土地层稍大，砂卵石地层稍小。
切削刀为盾构机开挖非岩质地层的基本刀具，其形状、布局将对开挖效果有重要影响。切削刀切削土体的示意见图1-18。对于软土地层或经滚刀破碎后的渣土将通过切刀和刮刀进行开挖。渣土随切刀、刮刀正面进入渣槽，因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有装载的功能。
图1-17 切削刀形状示意图及实物
2）超前刀（也称先行刀）
顾名思义，超前刀即为先行切削土体的刀具。超前刀在设计中主要考虑与切削刀组合协同工作。刀具切削土体时，超前刀在切削刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的切削条件。据其作用与目的，超前刀断面一般比切削刀断面小。采用超前刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少切削刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层使用效果十分明显。超前刀刀具形状及与切削刀协同切削土体的示意图见图1-16及图1-18。
图1-18 切削示意图
3）盘圈贝型刀
盘圈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，因土体属松散体，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。采用盘圈贝型刀，将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体（砂卵石）的难题。图1-19为盘圈贝型刀实物及结构示意图。
图1-19 盘圈贝型刀实物及结构示意图
4）鱼尾刀
采用大刀盘全断面切削土体，布置在刀盘不同位置的切削刀，从刀盘外周至中心，运动圆周逐渐减小，中心点理论上可以视为零，相应土体流动状态也是越来越差。而且中心支撑部位（直径约1.5 m）不能布置切削刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可考虑在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。鱼尾刀示意图及切削土体示意图分别见图1-20、图1-21。
5）仿形刀
盾构机一般设计两把仿形刀（一把备用），见图1-22，布置在辐条的两端。施工时，可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从辐条两端径向伸出和缩回仿形刀，达到仿形切削的目的。仿形刀伸出最大值一般在80～130mm。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。
图1-20 鱼尾刀示意图
图1-21 鱼尾刀切削土体示意图
图1-22 仿形刀示意图
6）滚刀
根据地铁建设经验，随着城市轨道路网的延伸及建设力度的加大，盾构区间不仅需穿越常见的软弱地层，同时还需在部分硬岩地段中通过。因此在刀具选择上既要考虑在软岩中开挖的需要，也要考虑在硬岩中的要求。一般认为刮刀适用于土层及部分软岩，盘形滚刀适用于硬岩，其中单刃滚刀能用在强度很高的岩石中，国外曾有在抗压强度超过200 MPa岩石中应用的工程记录。
安装在刀盘上的盘形滚刀在千斤顶的作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。滚刀在刀盘的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圆沟槽。当推力超过岩石的强度时，盘形滚刀刀尖下的岩石直接破碎，刀尖贯入岩石，形成压碎区和放射状裂纹；进一步加压，当滚刀间距S满足一定条件时，相邻滚刀间岩石内裂纹延伸并相互贯通，形成岩石碎片而崩落，盘形滚刀完成一次破岩过程。滚刀结构示意图见图1-15，工作示意图见图1-23。
7）齿刀
在岩石较软的情况下掘进时，由于盘形滚刀与岩石掌子面之间不能产生一定的附着力，将导致滚刀不能滚动而产生弦磨，滚刀不能滚动将失去有效的破岩功能。因此，在较软的岩层中应将部分盘形滚刀更换成齿刀，利用齿刀进行破岩。由于齿刀上装有2个切削刃，因此刀盘正反转时齿刀都能进行破岩。齿刀破岩机理如图1-24所示。
图1-23 滚刀工作示意图
图1-24 齿刀破岩机理图(www.xing528.com)
（4）刀具的布置与配置
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，盾构机密封舱内土体流动性差，现已很少使用，仅偶尔在切削阻力小的淤泥质地层中采用；
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、密封舱内土体流动性好和易搅拌而被广泛使用。目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。
刀具选择与布置：
盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。根据不同地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合，实现刀具配置的灵便性，提高刀盘的开挖效率。目前盾构机上常用的主要刀具有切刀、刮刀、齿刀、双刃滚刀、单刃滚刀、扩孔刀等。
2.刀盘
（1）刀盘的要求
1）能够降低对刀具的磨损；
2）保护刀盘的钢结构；
3）能够实现高的贯入度；
4）刀盘开口率为最小36%。大的开口率能够大大降低刀具的磨损；
5）4个幅轮设计以使每个旋转方向都有4个渣土出口；
6）2个旋转方向（左/右）；
7）刀盘前面4条独立的泡沫注入管用于渣土改良以降低磨损；
8）连接到主驱动的连接臂（厚壁管）保证刀盘良好的稳定性；
9）出渣通道的几何设计必须满足开挖舱容易出渣；
10）大的物料通道从刀盘外缘通到刀盘中心区域，这样便于将挖掘的物料运输到开挖舱；
11）渣土开口设计限制大的石块进入，这些石块可以通过螺旋输送机运出去。
（2）刀盘的材料
刀盘的结构材料为Q345B、16MnR、GS52或相当于这种材料的铸钢。
（3）刀盘结构
刀盘设计成盘形结构且带有很阔的进料口。4根辐臂支撑的厚壁法兰连接主驱动装置，并且作为刀盘面板的基座。刀盘在刀盘中心的径向开口边缘及刀盘外圆周的开口边缘备有所需的刀具以便于将挖掘的物料运输到开挖舱。中心回转体上配有注射调节土壤介质的通道。刀盘有4个泡沫/膨润土/水通道和2个液压油通道。
（4）耐磨保护
刀盘一般采用以下耐磨保护方法。
刮刀：软土齿形刀具有高耐磨的钢刀体和高质量的碳化切削边缘。刀齿的支撑有硬质堆焊层保护。
铲刀：铲刀的前刀面硬质堆焊到切削边缘，同时刀具后端由碳化衬片保护。
刀盘：刀盘上某些极易磨损的部分安装了特殊的耐磨保护；在外围部分增加了硬质堆焊，圆周有耐磨保护环。
3.刀盘驱动
刀盘驱动用螺栓安装在压力舱壁上，主要部件包括：齿轮箱、主轴承、密封支撑、刀盘安装法兰环、密封压紧环、内外密封系统、小齿轮、齿轮马达和轴承。刀盘驱动是液压驱动，通过在闭式回路的功率控制变量液压泵，可实现双向无级调速。
（1）齿轮箱，驱动齿轮
安装有3级液压变速马达并带有齿轮冲刷装置。变速箱齿轮的尺寸有足够的富余量以保证在给定的工地能安全地运行。驱动齿轮的两轴端都由球面滚动轴承支撑，可使承载时齿轮良好啮合。
（2）主轴承
主轴承由三轴滚柱轴承支撑，带有内齿圈。轴承设计使用寿命10 000小时。该轴承具有承受径向和轴向推力的功能。
（3）密封系统
内外两个密封系统可将小齿轮或轴承室与土仓分隔开。密封系统使用一个三道唇密封系统，该系统有连续的油脂进行润滑。该三道密封是重载荷加强型唇形密封。润滑脂均匀注入第一、二层密封之间的整个环形间隙。多余的润滑脂从第一道密封溢出至土仓。润滑脂除润滑第一、二、三道密封唇外，还对第一道密封唇有清洁作用。第三层密封唇是通过小齿轮的润滑油来润滑。第二、三层密封之间的空间有孔通向后部，用来做泄漏检查。
（4）齿轮的润滑
驱动小齿轮的润滑由齿轮油完成。驱动齿轮轴承和啮合通过飞溅润滑和强制供油润滑。对油位、流量和温度的检查同取样程序一起进行。行星齿轮需要不间断供油；它与主轴承使用的齿轮油型号一致。同时还有监测系统以防止设备空转。变速箱底部区域的齿轮油被吸出、再通过过磁性的滤器注入存储箱内。
（5）主驱动输出
主驱动全为液压驱动。在后配套上装有电机驱动液压泵。液压驱动变速箱配备变量马达。变量泵和变量马达的联合使用可将刀盘适宜的转速控制在0～2.5rpm。刀盘的最大扭矩为 5213kN⋅m（脱困扭矩）。
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