实例研究地铁复合地层盾构法隧道施工中盾构机刀盘刀具设计和选型

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1、实例研究地铁复合地层盾构法隧道施工中盾构机刀盘刀具设计和选型　　摘要：通过某地铁工程实例，综合当地的地质特点及参数，详细分析地质条件和土层特性，从刀盘刀具的配置、刀具构造、刀具细部结构等各方面，合理进行盾构刀盘的开口率及开口大小、刀具类型等的设计与选型，以确保盾构机刀盘与刀具对地层的适应性，希望给类似工程一些参考。关键词：地铁复合地层盾构机刀盘刀具设计选型中图分类号：U45文献标识码：A某地铁工程共三个区间，分别为黄山站～排下站区间、排下站～城门站区间、城门站～三角埕站区间，均采用盾构法施工。三个区间地质条件不均，以软硬结合地层为主，夹杂部分全软土及全硬岩地层，对盾

2、构机刀盘刀具的要求很高；本文以实例分析该复合地层的盾构刀具设计选型。一、工程地质描述8黄山站～排下站区间盾构隧道所穿越的土层主要为：SK18+934.3～SK19+080主要为(4)粉质粘土、局部为少量③1淤泥，④j中砂；SK19+080～SK19+490、SK19+685～SK19+866主要为凝灰熔岩风化岩，局部为凝岩风化岩。其中SK19+270～SK19+291、SK19+440～SK19+479段掘进面有岩分布；SK19+490～SK19+685主要为④粉质粘土、③1淤泥、⑤淤泥质土、⑦粉质粘土、⑬a、残积粉质粘土等土层。排下站～城门站区间盾构隧

3、道所穿越的土层主要为③1淤泥、④粉质粘土、⑤1淤泥质粉质土、⑦粉质粘土、⑬a、残积粉质粘土、⑭c全风化凝灰熔岩、⑮c散体状强风华凝灰熔岩、⑯c碎块状强风化凝灰熔岩、⑰c中风化凝灰熔岩、(18)c微风化凝灰熔岩等土层。城门站～三角埕站区间盾构隧道所穿越的土层主要为③1淤泥、④粉质粘土、⑤1淤泥质粉质土、⑬a、残积粉质粘土、⑭c全风化凝灰熔岩、⑭b全风化绿灰岩、⑮c散体状强风华凝灰熔岩、⑯c碎块状强风化凝灰熔岩等土层。其中软弱层（③1、⑤1层）具有含水

4、量高、孔隙比大、强度低，灵敏度高易扰动；⑬A残积粘性土、⑭c全风化凝灰熔岩、⑮c散状体强风化凝灰熔岩呈砂土状，在施工时可能会坍塌，需加强围护；⑰c中风化凝灰熔岩为较硬岩，强度大于50Mpa，⑱c微风化凝灰熔岩等土层，强度大于110Mpa。地层特征及分布综上所诉，盾构穿越土层，上部主要分布粘土，下部分布软岩、较硬岩、硬岩，盾构掘进面变化大，且部分区域盾构掘进面上软下硬，盾构掘进困难，地面沉降大。8整个盾构区间地层变化大，地层变化快，多数地层处于上软下硬，下软上硬的复合地层，对盾构刀具的冲击力要求较高，特别是城

5、门站～三角埕站，有大部分中风化凝灰熔岩、微风化凝灰熔岩，单轴饱和抗压强度较高，综合在60～110MPa之间，对刀具耐磨要求很高；另外，在全风化带～强风化基岩层夹不均匀风化的孤石，对盾构机的推进有较大难度。二、盾构机刀盘刀具配置适应性方案1、刀盘刀具分布情况刀盘滚刀开挖直径6.43m，刀盘配置双刃中心滚刀4把，正面单刃滚刀19把，边缘单刃滚刀8把，正面齿刀46把，四孔边缘内刮刀18把，四孔边缘直刮刀4把，四孔边缘外刮刀8把（左右各四把），刀盘开口率33%，滚刀刀圈距刀盘面175mm，刮刀距刀盘面140mm，滚刀与刮刀相对高差35mm。2、刀具设计说明8区间穿越上软下硬

6、、先硬后软或先软后硬等强度差异大的不稳定软硬不均的复合地层，比较恶劣的地层主要出现在始发的C21+386～CK21+833，约447m，此地层类似于广州、深圳的地质状况，为提高滚刀的破岩能力及软硬不均的适应性，建议采用圆弧形刃口的刀圈，提高滚刀的破硬岩的能力（刃口R9），在刮刀的设计上，由于处于破碎岩石地层，且软硬不均，及有可能造成开挖面的凹凸不平，设计上着重考虑刀具的抗冲击性和耐磨性，建议使用“7”字型焊接，增加合金开挖的接触面积，减少刮刀本体的磨损，增加刮刀的耐磨性，选用铜银复合焊片增加合金的焊接抗冲击性能。三、滚刀刀具构造说明1、滚刀概述滚刀：由刀圈、刀毂、刀

7、轴、端盖轴承、密封等组成，根据地层与扭矩的不同，针对轴承和密封的预紧量进行改良，做到在每种地层中，确保扭矩的前提下，整刀的密封效果优异，不会因为扭矩偏小而导致整刀漏油。刀圈：重型刀圈主要材质采用H13E加入多种微量元素，软岩刀圈硬度达到HRC55～57适合地层120MPa以下，重型刀圈硬度达到HRC57～59，适合地层120～180MPa；刀圈外形设计多种，对于较硬的岩石地层，如微风化花岗岩，刀刃宽度设计较小，以达到破岩的目的，对于开挖面整体强度较低，如卵石地层，采用刀刃宽度相对较宽的刀圈，增加刀圈的耐磨性。刀毂&刀轴&端盖：采用42CrMo锻打加工，真空热处理