1 概述
盾构法已成为我国城市地铁施工的主要施工方法。作为盾构施工中直接与岩土体接触的刀盘，其刀具的选择与布置直接影响盾构施工效率，同时也是影响盾构掘进成本的关键技术之一[1]。
由于我国地质构造多样化，盾构在掘进过程中会遇到黏土层、粉砂层、砾石层、风化岩层、复合土层等复杂情况，岩土层参数差异很大，这些都对刀具的地质适应性提出了很高要求。了解各类盾构刀具磨损规律并采用适当的减耐磨措施是解决刀盘刀具与地层适应性问题的关键环节[2]。
风化砂岩石英含量多、强度高，其间会夹杂其他矿物，软硬质地分布不均，是一种介于硬岩和软岩之间的岩层，在我国很多城市中都有分布。我国盾构技术起步时间不长，目前适用的盾构机大部分是从德国和日本进口，地质条件差异使进口盾构机在全断面风化砂岩施工时常常出现刀具不适应地层条件的问题，严重影响了掘进效率。
虽然地铁掘进过程中刀具的磨损问题已经引起关注，但由于现场条件限制，要对具体磨损进行测量并对刀具的适应性进行评价尤为困难。针对全断面砂岩中刀具适应性的问题，以南京地铁3号线工程为背景，对盾构施工中的刀具更换频繁问题进行分析，提出关于刀具选择和布置方面的建议。
2 工程概况
2.1 区间概况
南京地铁3号线胜太西路站—天元西路站盾构区间总长约2 575 m，自2012年开始施工，目前双线已成功贯通。区间场地属于侵蚀堆积岗地貌，该区段近地表
风化砂岩中盾构刀具磨损状况分析
及处理方法探讨
王亦玄
（上海市岩土地质研究院有限公司，上海 200072）
摘 要：在地铁盾构施工中，刀具的选择对于掘进的连续进行非常重要。全断面砂岩由于强度高，采用常规的盘形滚刀磨损量大，从而导致换刀频繁。以南京地铁3号线为工程实例，通过研究全断面砂岩中的刀具适应性问题对刀具磨损量和换刀次数进行统计，发现初始设计中采用的盘形滚刀地层适应性不强。将刀具更换为球齿滚刀后使用寿命明显增加，提高了掘进效率。针对刀盘上不同位置刀具的磨损特点，对刀具的布置方法提出了优化建议。
关键词：全断面砂岩；盘形滚刀；球齿滚刀；刀具布置
中图分类号：U451 文献标识码：A 文章编号：1672-061X（2019）06-0105-06 DOI：10.19550/j.issn.1672-061x.2019.06.105
基金项目：住房与城乡建设部科研项目（2009-K3-2）
作者简介：王亦玄（1989—），男，工程师，硕士。
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主要分布可塑-硬塑的粉质黏土，底部主要为风化的泥质粉砂岩和粉砂质泥岩。盾构埋深最深处约30 m，盾构隧道主要穿越K1g-3中风化泥质粉砂岩，部分夹杂K1g-2强风化泥质粉砂岩（见图1）。
2.2 盾构机及刀盘
该区间采用的是S-425及S-426复合型土压平衡式盾构机。盾构机配备的刀盘为轮辐式复合刀盘（见图2），共配备19把双刃滚刀、68把齿刀等。刀盘的外径设计为6 400 mm，比盾体外径6 390 mm略大。盾体呈前大后小锥形，便于盾构在推进时减少盾壳与围岩的摩擦；刀盘转速为0～2.5 r/min，由液压系统无级调速。
此区间隧道主要穿越中风化泥质砂岩层地质，盾构首先通过滚刀进行破岩，滚刀选用传统双刃盘形滚刀。滚刀的超前量大于切刀的超前量[3]（滚刀比刮刀高35 mm，滚刀刃间距为100 mm），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。
2.3 换刀情况
在该区间开始掘进的700 m内，右线共计换刀6次，换刀较为频繁，具体参数见表1。
从表1可以看出，由于刀盘在坚硬的全断面砂岩中掘进，导致刀具磨损过快，右线刀盘平均每113 m换刀
1次，严重影响了盾构施工进度。换刀时发现, 在中风化泥质粉砂岩地层，刀具的磨损主要体现在滚刀的磨损上，而滚刀的磨损及损坏状况主要有正常磨损、偏磨、刀具损坏、轴承损坏等。
利用更换刀具的机会对所有滚刀的磨损量进行测量，进一步研究刀盘上不同滚刀的磨损状况。
为方便盾构刀盘的磨损统计分析，对刀具按工程实际情况编号（见图3）。双刃刀具各刀刃各有编号，共19把滚刀，编号依次为1—38，其中1—26为正滚刀，27—38为边刀。
所有滚刀历次换刀时的磨损量统计见图4。从6次换刀的磨损量统计可以看出，不同刀具的磨损量不同，有的相差较大。虽然历次换刀时磨损量大
的滚刀编号也不相同，但总体上编号较大的滚刀磨损
图2 盾构机刀盘
图3 滚刀编号
图1 盾构穿越土层示意图
图4 右线滚刀历次换刀磨损量统计
量更大。为了明确各刀具的磨损程度，计算各滚刀6次换刀的平均磨损量（见图5）。
刀盘上各滚刀的平均磨损量显示出明显的规律性变化。编号越小的滚刀平均磨损量越小，随着编号的增加，
dnf狱岩石武器滚刀磨损程度呈逐渐增加的趋势。1—12号滚刀的平均磨损量小于10 mm，其中1—6号的磨损量小于5 mm；13—22号滚刀的平均磨损量在10～15 mm；23—30号滚刀的平均磨损量在15～20 mm；编号大于30的滚刀平均磨损量在10～15 mm。可以看出，不同位置的滚刀磨损量相差可达6倍以上。
根据目前刀具磨损程度的常用划分方法[4]， 0～5 mm 为Ⅰ级轻微磨损；5～10 m m 为Ⅱ级轻度磨损； 10～15 mm为Ⅲ级中度磨损； 15～20 mm 为Ⅳ级重度磨损；20 mm以上为Ⅴ级严重
磨损。在全断面砂岩中掘进的盾构刀盘上显示出从Ⅰ—Ⅳ级的4种不同磨损等级。盾构滚刀磨损程度示意见图6，图中深区域表示磨损比较严重，浅表示轻微磨损。
由图6可知，越靠近刀盘中心区
域的滚刀磨损程度越轻，刀盘外围区域的滚刀磨损程度明显严重。滚刀正常磨损更换的原则为：正滚刀磨损15~20 mm、边刀磨损10~15 mm，换刀时主要更换外围正滚刀和边刀。刀具的磨损会随着刀具掘削里程的增加而增
大。刀盘外围的刀具由于切削路线长、线速度大，因而磨损快、易折断、寿命短。每次磨损最严重的都是盾构刀盘外围的滚刀，因此外围滚刀的耐磨性能决定了盾构刀盘更换的周期。
3 滚刀刀具更换
综合以上分析可知，双刃盘形滚
（a）第1次
（b）第2次
（c）第3次
（d）第4次
（e）第5次
（f）第6次
图6 右线滚刀磨损程度示意图
刀对于全断面砂岩的适应性较差，尤其是处于刀盘外围的滚刀磨损量大，导致换刀过快，严重增加了施工成本、延迟了施工进度。为解决这一问题，盾构左线引进新型双刃球齿滚刀替代了常规双刃盘形滚刀（见图7）。
双刃球齿滚刀刀圈是由带有球齿的刀圈改进而来，提高了滚刀的耐磨性能，有效减少了因磨损带来的频繁换刀。双刃球齿滚刀相对于普通盘形滚刀，在推力和扭矩作用下，坚硬岩层先行磨损球齿，而后磨损机理与盘形滚刀一样。球齿相当于给刀圈增加了一个保护层，只有在球齿磨损非常严重后刀圈才会进一步发生磨损。可见，双刃球齿滚刀比双刃盘形滚刀具有更强的耐磨性能。
从实际效果来看，左线使用新的双刃球齿滚刀后掘进效率明显提高，左线换刀情况见表2。
更换球齿滚刀后，盾构平均167 m换刀1次，比之前
的113 m长度明显增加，换刀次数也从6次减少到4次。图7 双刃盘形滚刀与双刃球齿滚刀
（a）盘形滚刀
（b）球齿滚刀
总掘进时间从之前的187 d缩短至151 d，而刀具更换的总成本几乎不变，体现出选择双刃球齿滚刀在全断面砂岩中掘进的优越性。
对比右线（双刃盘形滚刀）和左线（双刃球齿滚刀）刀具的平均磨损量可以看出，换刀时球齿滚刀的磨损量高于盘形滚刀，说明当发生较大磨损时球齿滚刀仍可继续掘进，耐磨性更强。
4 滚刀布置优化
使用双刃球齿滚刀后，盾构在坚硬砂岩中的掘进效率明显提高，换刀次数明显减少。但从更换刀具后各滚刀的平均磨损量来看（见图8），刀盘上不同位置滚刀的磨损情况仍有差别，中心区域滚刀的磨损量仍明显小于外围区域的滚刀。这显然不利于发挥所有滚刀的作用，对刀盘破岩能力也有影响。
造成滚刀磨损量相差较大的原因与刀具的布置有关。该区间使用的盾构刀盘上将正滚刀集中布置于刀盘的1条轴线上，其余6块轮辐板上只在边缘处各布置了1把双刃滚刀。这种布置方法便于机械制造，但由于滚刀布置过于集中就会导致磨损不均，因此提出对滚刀布置的优化建议。
关于土压平衡盾构等复合盾构上刀具的布置方法已有不少相关研究[5-10]。理论上应根据等磨损量的原则进行刀具布置；布置方法主要有阿基米德螺旋线布置法、同心圆布置法、对称布置法。不论采用何种方法，刀具布置的总思路大致接近：在切削路径长的刀盘外围增加刀具数量，在中心区域减少刀具数量。
具体布置滚刀时，可先确定临界半径r 。在刀盘径向半径<r 的中心区域应减少刀具数量；刀盘径向半径>r 时，每一切削轨迹布置多把刀具。这样可以从理论上实现各滚刀的磨损量趋于一致。针对本工程的刀盘，提出滚刀的布置优化方案见图9。在90°、180°相位角的轴线上减少滚刀的数量，而在45°、135°、225°、315°4个相位角上增加正滚刀数量。在刀盘径向半径<r 的中心区域内，仅布置2把滚刀；而在刀盘径向半径>r 的区域，可按照同心圆布置法在每一切削轨迹布置多把滚刀。优化后的双刃滚刀数量从19把增加到22把，但刀具分布更均匀，刀盘外围布置了更多的刀具。
在刀具的布置上，不论外围区域采用何种方法
图9 优化后的滚刀布置
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