［ 摘要］結合北京地鐵某標段施工過程中遇到的盾構機刀具嚴重磨損和刀盤失效等問題，在常壓的條件下進倉對刀盤進行了改造并更換了全部的刀具，取得了在北京砂卵石地質條件下刀盤設計和刀具布置的經驗; 并對盾構機的刀盤設計、刀具布置、刀具改造技術以及在施工過程的緊急狀態下對刀盤和刀具進行修復改造的技術進行了初步的研究和探討。
［ 關鍵詞］盾構機; 刀盤; 刀具; 改造
盾構法是地鐵區間隧道施工常用的方法，地質水文適應能力強，對地面交通影響很小，對施工周邊環境的振動和噪聲等干擾較小，地面沉降控制比較好，對周邊地下管線、地面建筑物和構筑物及周圍環境的影響比較小，施工速度比較快，工程質量比較高。
北京地鐵某標段區間盾構隧道括兩個區間盾構和若干個聯絡通道，隧道穿越的地層主要為粉細砂、圓礫和黏質粉土和砂質粉土。選型一臺廣州海瑞克公司生產的土壓平衡式盾構機，面板式刀盤，開孔率為 30% ，采用機電一體化的液壓驅動系統。
1 、工程概況
1． 1 工程基本情況及設備選型
北京地鐵某標段土建施工包括兩個區間盾構施工和各個區間的聯絡通道，線路均為雙線。第 1 個區間全長754． 172m，軌頂距地表14 ～ 14． 5m; 第2 個區間全長 666． 564m，軌頂距地表 14 ～ 21m。隧道結構內徑 5 400mm，外徑 6 000mm。鋼筋混土管片，厚 0． 3m，寬 1． 2m，采用普通環管片，錯縫拼裝。
本標段區間隧道處于北京永定河沖洪積扇軸部。
整體地勢較平坦，地面標高在 44． 80 ～ 45． 70m。地層土質自上而下，依次為人工填土層( Qml) 、第四紀全新世沖洪積地層( Q4al + pl) 、第四紀晚更新世沖洪積地層( Q4al + pl) 。地下水為上層滯水、潛水和承壓水。隧道圍巖具有上軟下硬的特點。第 1 區間隧道埋深 8． 2 ～ 9． 5m，隧道上部為黏質粉土砂質粉土層及粉質黏土層，洞身穿越黏質粉土砂質粉土層及粉質黏土層、粉細砂層、圓礫層，下部為圓礫層; 局部地段隧道底部進入潛水層，未 進 入 承 壓 水。第 2 區 間 隧 道 埋 深14． 8 ～ 15． 6m，隧道上部為粉土層、粉土層和中粗砂層，洞身穿越中粗砂層、圓礫層、黏質粉土砂質粉土層和粉質黏土重粉質黏土層，下部為圓礫層、黏質粉土砂質粉土層和粉質黏土重粉質黏土層; 隧道進入潛水層，一部分進入承壓水層。
本標段地面周邊環境比較復雜。沿線道路為市區交通要道，經過商業中心和繁華鬧市，地面交通繁忙，交通量很大。隧道從密集商業建筑物和城市住宅區下穿過，建筑物大多比較老舊，文物和危房比較多; 地下管線比較多，包括自來水、雨污水、供熱、電力、通信等多種管線。
鑒于隧道穿過的地層為軟弱地層，以砂質粉土、粉質黏土、粉細砂層、圓礫層、卵石層等為主，且含水量豐富，大部分在潛水層中，部分段進入承壓水。為滿足能適應上述不同地質情況的要求，盾構機的選型和設計是關鍵。采用廣州海瑞克生產的土壓平衡盾構機施工［1-3］。盾構機直徑 6． 25m，總推力 25 300kN，最大扭矩 4 700kN·m，總功率 942kW，單液同步注漿。開挖斷面直徑 6． 28m，隧道底板最大埋深約為 15m。
1． 2 刀盤形式
盾構機刀盤設計在德國完成。考慮到該區間隧道的地質條件和埋深小于 25m，并對面板式和輻條式兩種刀盤特性進行比較，采用面板式刀盤，既能滿足隧道施工需要和提供較好的掘進性能，同時具有適應能力強( 尤其是砂卵石地層) 和更換刀具更安全、方面的特點，選擇了面板式刀盤。刀盤結構采用中間梁支承［4］，面板式全斷面回轉切削方式，刀盤開口率為 35% 。
1． 3 刀具形式和切削方式的選擇
考慮到隧道穿越的地層主要是黏質粉土砂質粉土層、粉質黏土層、粉細砂層、圓礫層，針對不同地質而不同的切削要求，刀盤設計設置了切削刀( 齒刀，見圖1) 、盤圈刀( 周邊刀，見圖 2) 、中心刀( 見圖 3) 等幾種刀具，沒有選擇滾刀。切削刀的 β( 前角) 和 α( 后角)值均為 15°。
圖 1 齒刀
圖 2 球齒耐磨周邊刀
刀具在刀盤的布置如圖 4 所示。周邊刀( 盤圈刀或圓弧刀) 8 把，設球齒耐磨顆粒，沿刀盤周邊布置; 齒刀( 切削刀或割刀) 80 把，突出刀盤面板，按全斷面切削排列; 中心刀設一把，按鼻型半翼布置; 考慮到區間隧道黏性土、粉質黏土何砂性土為主，沒有設置撕裂刀和超前刀。
圖 3 半翼中心刀
圖 4 刀盤刀具布置
從工程的實踐看，上述刀具的布置存在一定的問題，主要是沒有充分考慮北京的砂卵石的條件，沒有設置撕裂刀和超前刀，周邊刀只設球齒耐磨顆粒，耐磨性能不足，同時沒有設周邊保護刀，中心刀切削力度不夠。
2 、施工中的刀盤修復和改造
2． 1 施工過程中發生的刀具和刀盤嚴重磨損
本標段從第 2 個區間開始隧道掘進施工，第 2 個區間完成后，盾構機再掘進施工第 1 個區間。盾構機在第 2 個區間始發后，當掘進至在 282 環開始，推進速度放慢，推力和扭矩增大，泡沫注入量開始增大; 掘進至 287 環時，推進速度明顯減緩，刀盤扭矩增大，泡沫注入量大量增加，渣土溫度較高，推進耗時約 219 分鐘; 至 288 環時，刀盤扭矩快速劇烈上升，推進停止。掘進速度曲線如圖 5 所示，推進時間曲線如圖 6 所示，泡沫用量曲線如圖 7 所示，推力曲線如圖 8 所示。
圖 5 掘進速度曲線
圖 6 推進時間曲線
圖 7 泡沫用量曲線
圖 8 推力曲線
當時盾構機所處的地質條件如圖 9 所示。經過分析，發生此現象的主要原因可能是之前在黏土和圓礫層掘進中，黏土在刀盤中部黏結，在擠壓和相互間摩擦的作用下，膨潤土、泡沫和地層中的砂石黏土在刀盤中部發生固結，刀盤開口率逐漸減小。在第287 和 288 兩環的施工過程中，刀盤開口率迅速減小，造成排土不暢，扭矩和推力增大。同時，通過進一步的對附近人防工程勘測調查，排除了既有人防工程坍塌所致的可能。海瑞克在其他國家曾有過相似經驗，都是加壓進艙人工清理解決。對此問題，項目和專家均認為必須立即進倉進行檢查，對刀臂及刀盤用高壓水沖洗進行清理才能恢復盾構正常施工。同時，在進倉前要對刀盤上方土體進行雷達探測，并進行加壓進倉前的氣密性試驗，制定周密的方案，保證工作的安全。經量測，盾構機位置附近的地面沉降趨于穩定。
經過雷達探測，在刀盤上方土體沒有發現明顯的空洞，但是存在疏松層。盾構土倉控制控制在刀盤直徑的三分之一左右，以盡量維持對開挖面的土壓力。在盾構機停止后，為了保持開挖面的穩定，應向土倉內注入高壓空氣。在加壓時，為控制由于開挖面土體內水被排擠而造成的漏氣，可以較長時間保持土倉內的壓力，要向土倉內加注稠膨潤土，在開挖面形成膨潤土泥膜。通過注入膨潤土漿液對周邊地層進行改善后，壓力損失速度有所減慢，但對氣壓作業還是不夠，主要原因是因為盾構處于圓礫地層，地層空隙率較大，漿液散失過快。即使在更換品質較好的膨潤土并同時提高漿液重度，但仍無法維持壓力的相對穩定。隨后改用聚合物注入刀盤外側和土倉內進行護壁處理，壓力到目前基本維持穩定，達到氣壓作業要求。
圖9 盾構機所在位置地質橫斷圖( K9 + 124． 52)
經過周密的安排和準備，在加壓進倉進行刀盤和刀具檢查時，發現刀盤上方土體已經出現了塌陷的跡象，出現了局部孔洞; 同時，所有的周邊刀全部被磨損掉，齒刀磨損嚴重，尤其是緊挨周邊刀的齒刀全部被磨損掉，中心刀磨損嚴重，大部分刀具的安裝刀座磨損嚴重，刀盤面板磨損嚴重，刀盤耐磨層基本被磨損掉( 見圖 10) 。
經過當時、事后的反復仔細的分析，刀盤和刀具嚴重磨損的原因主要如下。
1) 掘進了 280 多環一直沒有加壓進倉進行刀具例行檢查和更換。這主要是因為北京盾構施工中曾多次發生加壓進倉失敗，導致刀盤上方土體大范圍塌陷，甚至引起刀盤上方房屋塌陷。
2) 盾構機泡沫管堵塞，使泡沫發生效果下降，影響了對土體的改良。
3) 刀具的選擇和布置沒有充分考慮北京砂卵石地層的特點，沒有設置超前刀、撕裂刀和周邊保護刀; 同時中心刀只設置了半翼; 周邊刀( 盤圈刀或圓弧刀) 安裝的是耐磨球齒，球耐磨效果不佳，且全部崩落，造成周邊刀和底座嚴重磨損。
圖 10 刀盤嚴重磨損區域
裝的是耐磨球齒，球耐磨效果不佳，且全部崩落，造成周邊刀和底座嚴重磨損。
鑒于上述情況，項目部決定在常壓下開倉，人工對刀盤本體和刀具、安裝基座進行緊急修復，安裝新的刀具，并對刀具的選擇和布置進行改造，以適應區間砂卵石的地質條件。
2． 2 常壓進倉前的準備
鑒于上述刀盤和刀具嚴重磨損的情況，在加壓的情況下對刀盤和刀具進行修復的可能性已經不存在了。主要原因如下。
1) 修復時間較長 長時間加壓進倉作業，對倉內工作人員的身體和安全都很不利，同時，也不能保證刀盤上方的土體和建筑物的安全。
2) 加壓環境下，焊接工業困難，難以保證焊接工作的質量。
3) 加壓環境下，工作人員的體力和注意力下降，無法保證長時間安全作業。
在加壓作業的可能性不存在的條件下，只能選擇常壓進倉，對刀盤和刀具進行修復和改造。
常壓進倉作業的重要前提條件就是要對刀盤上方的土體進行加固，保證土體的穩定，進而保證進倉工作人員和刀盤上方建筑物的安全。
土體加固選擇的加固方式是二重管無收縮雙液注漿。由于地面注漿作業區域在市區胡同內，允許作業的場地狹小，因此地面注漿施工采用垂直鉆桿和擴散式傾斜鉆桿相結合，在局部鉆機無法進行鉆孔施工的場所采用人工打入鋼花管后進行注漿; 盾構機洞內注漿施工，采用從觀察窗( 洞) 內向土體內打入鋼花管注漿。
根據地質勘察報告和雷達掃描揭示( 4． 5 ～ 6． 5m處有異常區域) 情況，結合隧道已開挖暴露的地質及水文情況，經分析和驗算，初步確定注漿范圍為: 注漿厚度為 6m( 標高 41． 260 ～ 35． 260m) ，寬度為 8． 6m，長度( 隧道軸線方向) 為 11． 2m，如圖 11 所示。根據注漿擴散半徑計算，孔距采用 1． 0m，平面布孔采用交聯等邊三角形布置原則，實施時以現場管線及建筑物分布情況，遵循布孔原則合理布置注漿孔位。
圖11 注漿加固區域( 單位: m)
為了保證注漿過程中土體和建筑物的穩定和安全，對注漿的壓力和注漿管的位置以及漿液的擴散范圍要 進 行 嚴 格 的 控 制。注 漿 壓 力 控 制 在 0． 2 ～0． 6MPa; 注漿管的位置控制在胡同內，不能進入建筑物內，從地面進行垂直和傾斜注漿; 漿液擴散防衛盡量控制在刀盤上方土體的左右、下方 4 ～ 10m，既保證安全，又防止破壞周邊管線。
成功進行注漿土體加固后，就進行了常壓下的進倉作業，對刀盤和刀具進行維修改造。作業前，在在刀盤適當進行人工開挖，并對暴露的土體噴射混凝土。
2． 3 刀盤和刀具的修復和改造
對刀盤和刀具進行的修復工作主要包括: ①拆除已經嚴重磨損的周邊刀、齒刀和中心刀; ②拆除嚴重磨損的周邊刀刀座和齒刀刀座; ③安裝新的周邊刀刀座和齒刀刀座; ④安裝新的周邊刀和齒刀; ⑤安裝新的中心刀; ⑥對磨損嚴重的刀盤表面進行堆焊耐磨修復。為了保證修復質量，選用了高水平的電焊工。同時選用高質量的碳化鎢耐磨焊條、和 E5016 低氫鉀型藥皮的低碳鋼焊條。修復時提高了焊縫堆焊層的層數和高度，以保證修復焊接不低于原廠刀盤的焊接強度。對刀盤和刀具進行的修復工作主要包括:
1) 周邊刀不再采用鑲嵌耐磨球齒，改用盤圈貝型刀，即在周邊刀堆焊碳化鎢耐磨層后，焊接德國海瑞克的碳化鎢合金耐磨塊，如圖 12 所示。盤圈貝型刀專用于切削砂卵石，大大提高了周邊刀的耐磨能力［5］。
圖12 耐磨塊周邊刀
2) 增加周邊刀的數量，從 8 把增加到 16 把，提高刀盤切削砂卵石的能力。
3) 增加齒刀( 切削刀) 的數量，從 80 把增加到 160把，在所有的開孔處均設置齒刀，提高刀盤的切削土體能力。
4) 增加了半翼中心刀，將中心刀從半翼改為一翼，提高刀盤的超前擾動能力。如圖 13 所示。
圖 13 一翼中心刀
5) 將拆下來的磨損不是很嚴重的齒刀焊接在周邊刀的周圍，既可以起到一定的超前的作用，有可以在一定程度上起到周邊保護刀的作用。
6) 將拆下來的磨損不是很嚴重的齒刀焊接到面板中間位置上，起超前撕裂刀作用。
7) 將拆下來的磨損不是很嚴重的齒刀焊接在齒刀附近，和齒刀( 切削刀) 形成主副切削刀的作用，保護齒刀，大大提高刀具的抗磨損( 耗) 能力和延長了刀具的壽命。
改造后的刀盤如圖 13 所示。
圖 14 改造后的刀盤
2． 4 刀盤和刀具的修復和改造后的效果
通過對刀盤和刀具的修復和改造，對于提高刀具的壽命和盾構機的掘進能力，尤其是在砂卵石地層的掘進能力，起到了非常大的作用。同時，加大了例行加壓開倉進行刀具檢查的力度，對磨損達到一定程度的刀具進行適時的更換，保證了盾構機的快速掘進。盾構機始發后，至 288 環常壓開倉修刀，只掘進了288 環，即更換了所有的刀具( 88 把) 。而從第 289 環至第 2 個 區 間 隧 道 完 成 掘 進 共 1 026 環，只 更 換 了( 43) 把刀具。而第一個區間共 1 256 環，只加壓進倉檢查刀具兩次，沒有更換一把刀具。當然，這有地質條件變化的原因，但同時也有力地說明了在對刀盤和刀具的修復和改造后，對提高刀具的壽命和盾構機的掘進能力，尤其是在砂卵石地層的掘進能力，起到了非常大的作用。
3 、結論與建議
3． 1 結論
北京的地質條件，尤其是砂卵石，對于盾構機的掘進和刀盤的設計、刀具選擇，需要有謹慎的考量。正是由于對于砂卵石的不重視以及整個北京盾構施工界的經驗不足，造成了這次刀盤和刀具的大范圍的嚴重磨損和修復、改造。同時，也正是由于對砂卵石的重視，才使得這次的修復和改造非常成功，對于保證完成工期，創造掘進記錄起到了非常重要的作用。
應該說，這次的經驗是非常寶貴的，總結如下:
1) 周邊刀合金耐磨塊對砂卵石地層的切削能力要遠遠強于耐磨球齒顆粒。
2) 增加刀具的數量，可以大大提高刀具的切削能力和使用壽命。
3) 各種超前刀和撕裂刀對于保護周邊刀和齒刀( 切削刀) 是可以起到相當意義的作用的。
4) 客觀意義上的主副刀對于保護齒刀，延長齒刀的壽命也能起到很好的作用。
5) 半翼鼻型布置的中心刀的超前擾動作用不如一翼布置的中心刀。
3． 2 建議
鑒于刀盤設計的現狀，有一些改造當時只能限于設想，無法實現，現在作為建議提出來:
1) 中心刀應該設計為魚尾刀，如日本產的盾 構機［6］，相比鼻型布置的中心刀，魚尾刀的超前擾動能力和超前切削能力能強，同時對切削下來的土體的翻轉攪動能力也更強，可以更好得解決中心部分土體的切削問題和改善切削土體的流動性，大大提高盾構機整體掘進水平。這在第一個區間比較明顯，在該區間，中心刀位置上的砂性黏土和粉質黏土混合膨潤土、泡沫，在刀盤擠壓和摩擦力的作用下，在中心刀位置( 刀盤中部) 發生大面積固結現象［7］，是盾構機的扭矩和推力增加，掘進速度下降，不得不加壓進倉清除固結的土餅。
2) 在刀具布置設計上面，應該適當地增加各種超前刀和撕裂刀的數量，以保護各種刀具，延長刀具的壽命，提高盾構機的掘進能力。
3) 對齒刀可以嘗試進行刃口部位的耐磨堆焊處理，增加耐磨堆焊層的厚度，提高刃口的耐磨和抗沖擊破壞能力。
4) 對刀具本體進行耐磨堆焊處理，提高刀具本體的耐磨和抗沖擊破壞的能力［8］。
5) 對周邊刀的耐磨材料，是選用鑲嵌硬質合金耐磨球齒顆粒，還是選用鎢碳合金耐磨塊，需要根據地質條件慎重選擇。
6) 對北京的砂卵石地層，應該適當增加刀盤的開口率，或者采用面板 － 輻條式的符合刀盤設計，甚至選2016 增刊 王 凱: 地鐵盾構機施工中的刀盤及刀具改造技術 407
用輻條式刀盤［9］。鑒于國內對于刀具和刀具布置的多年的研究，以及國產刀具的優良的性價比，對于地質條件良好( 無砂石地層) 的盾構隧道，在具有一定的加壓開倉換刀的能力的條件小，建議試用國產刀具。
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