1工程概况
本工程为华东地区某地铁工程，为一车站两盾构区间。其中地铁区间采用盾构法施工，左线长820.885m，右线长818.04m。区间需穿越某一隧道，该隧道为钢筋混凝土箱式结构，其下部设置Φ800钻孔灌注桩群（未处理）。盾构机需穿越混凝土桩区，在穿越桩体过程中可能会出现刀盘或螺旋被卡及刀盘前方土体塌方，对盾构机及此隧道结构造成不利影响，增加了施工难度。
被穿越隧道先于盾构施工前完成，为南北走向。隧道采用明挖施工，基坑中间设置Φ800钻孔灌注桩（未处理），桩底标高-26m，其中-11.3m以下为素砼桩。该桩群在盾构隧道范围内左线3根、右线3根。盾构隧道顶部标高为-12.3m左右，其位于桩底对应环号为左线：224~226环，右线224~226环。
2刀盘改造的必要性
本工程选用小松TM634PMX土压平衡盾构机，盾构机刀盘直径为6.36m，刀盘结构为辐条面板型，刀盘开口率为40%。刀盘上配置安装了主切削刀78把，周边刮刀12把，该盾构机适宜在黏质粉土、粉土、局部粉砂、淤泥质黏土、粉砂、细沙等土层的掘进施工。由于刀盘原设计适用于软土地层，不具备破岩能力，因此盾构机在穿越隧道基础桩区时需进行改造，以提高刀盘的破岩能力，使之顺利通过桩区。
图1隧道的桩基础与区间隧道的位置关系图
图2盾构穿越隧道横剖面图
3刀盘改造技术
3.1刀具选择
a、先行刀(也称超前刀)顾名思义，先行刀即为先行切削土体的刀具。先行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，先行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，先行刀断面一般比切削刀断面小，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。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，因土体屑松散体，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。根据目前国内的施工经验，建议采用盘圈贝型刀式先行刀，将其布置在刀盘盘圈前端面，能有效提高刀盘的破岩能力。
b、在软土地层掘进时，因刀盘中心部位不能布置切削刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀，鱼尾刀超前300mm左右。鱼尾刀的设计和配置方式如下：
其一，让盾构分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其它切刀不在一个平面上，即鱼尾刀超前切刀布置，保证鱼尾刀最先切削土体。
其二，将鱼尾刀座前方加焊先行刀增加鱼尾刀的破岩能力。
其三，鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动，这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性和搅拌效果，又大大提高盾构整体掘进效果。
图3盘圈贝型刀
图4中心鱼尾刀
3.2刀具在刀盘上的布置方法
3.2.1刀具间距确定
先行刀在设计中主要考虑到与切削刀组合协同工作。工作时在推力的作用下，排列在到刀盘上的刀紧压岩面，随着刀盘旋转岩面被划出一系列的同心圆，将岩体切割分块。当超过岩石受力极限时，两个同心圆之间的岩石中间裂缝贯通，为切削刀创造良好的切削条件，随后岩片被切削刀剥落。因此先行刀的间距确定为主切削刀的刀宽即100mm，确保切削刀的切削轨迹与被先行刀破岩后后形成的交差裂缝为同一轨迹，从而达到破岩挖掘的作用。
图5破岩示意图
图6先行刀与主切削刀协同切削土体示意图
3.2.2盾构机刀具在刀盘上的布置曲线
由于先行刀在掘进过程中起到疏松土体、防止大粒径卵(砾)石冲击主切削刀、降低主切削刀的冲击荷载并减小其切削阻力的作用，因此先行刀要按一定的力学和几何学规律在刀盘上布置。目前先行刀的安装数量和布置曲线的确定与主切削刀类似，采用最多的就是依据阿基米德螺线规则布置刀具，并根据刀具等磨损、等寿命原则，确定刀具数量。
1．阿基米德螺线
阿基米德螺线定义为：动点P沿射线OP，以等速率运动的同时，射线OP绕O点等角速度旋转，动点P滑过的轨迹即为阿基米德螺线。极坐标的描述为：
ρ=ρ0+α×θ
式中ρ——极轴极径(mm)
ρ0——极轴极径初始值(mm)
α——常系数
θ——极角(°)
其中螺距Δρ=2πα，在极坐标中如下图所示。
图7阿基米德螺线示意图
2．盾构机刀具布置原则
依据等磨损、等寿命原则，在盾构机切削半径较小时，沿刀盘径向，每一回转半径上只需配置一把刀具即可，因此该切削区域的刀具采用单螺线布置。根据地质报告和施工要求确定出盾构机的结构参数和刀具的几何尺寸，即得到确定螺线布置曲线的参数。
3.3本工程刀盘改造方案
3.3.1盾构机刀盘改造设计相关参数
本工程所选盾构机实际尺寸参数如下：
表1盾构机刀盘相关参数
先行刀刀具切削轨迹之间无搭接重叠布置时，先行刀刀具的布置数目为
N’=
先行刀刀具与中心刀的重叠量
C=b3×ΔN
式中ΔN为N’取余。
阿氏螺线常因数
式中Δθ为相邻辐条间的夹角。
先行刀依照阿氏螺线顺序在辐条上进行刀具布置，其表达式为
=ρ0+α×θ=
⑸若先行刀刀具切削轨迹之间有搭接重叠布置部分时，先行刀刀具的布置数目
式中Δb为刀具切削轨迹之间搭接重叠量，一般根据工程需要而定。
3.3.2盾构机刀盘改造设计计算
本工程依据工程实际情况和所选盾构机具体状况，确定刀盘改造为添加部分先行刀。
对于本设计方案，计算如下：
⑴先行刀刀具切削轨迹之间无搭接重叠布置时，布置数目为
N’=
⑵先行刀具与中心刀的重叠量
C=b3×ΔN=65×0.923=59.995
式中ΔN为N’取余。
⑶阿氏螺线常因数（刀盘上布置3根辐条）
式中Δθ为相邻辐条间的夹角。
⑷先行刀依照阿氏螺线顺序在3根辐条上进行刀具布置，其表达式为
=ρ0+α×θ=
本方案中先行刀刀具切削轨迹之间无搭接重叠布置部分，刀具数目不作修改。
3.2.3盾构机刀盘改造设计调整
根据盾构机刀盘实际状况对其进行进一步调整，调整事项如下，调整后如下图布置。
图8盾构机刀盘改造示意图
⑴布刀位置根据阿基米德螺线依次布置于辐条与辐板上，且先行刀刀具切削轨迹之间无搭接重叠布置。
⑵布刀位置自A区内侧第一把刀开始，依照阿氏螺线布置，ρ=ρ0+α（θ—），
其中ρ0=mm，。
⑶由于加布先行刀位置位于三根辐条上，受原先布设超挖刀、泡沫口等影响，现将原计划布置于三根辐条中心位置的先行刀一起逆时针旋转一定角度，适当绕开受影响区域，以满足刀盘布置的科学、协调。
⑷根据以上计算得出先行刀布置数量为37把，其中31布置于3根辐条上。考虑刀盘外侧刀具所受力矩最大，磨损最严重，为充分保证均衡受力及保护刀盘外侧切削刀，剩余6把先行刀具按照阿氏螺线布置于3根辐条和3块辐板的最外侧。在具体布置过程中，考虑到刀具布置位置和周围的具体情况及加工工艺，其位置略有调整。
⑸A区外侧第二把刀由于受一侧泡沫口位置的影响，刀具稍靠外布置。
⑹E区外侧第二把刀由于受一侧泡沫口位置的影响，刀具布置于对称侧K区该刀具对称位置。
⑺I区外侧第二至第五把刀共四把刀由于受一侧超挖刀位置的影响，该四把刀具布置于G区相应位置，该位置与原本I区此四把刀具的设计位置分别对应于同一圆上。
3.4刀盘刀具焊接要求
⑴刀盘为Q345的钢板材料，焊接时易产生裂纹，而现场刀具母体属厚板材焊接，易出现层状撕裂、夹渣、未熔合等缺陷，因此焊材选用E7QT-5碱性药性焊丝及E5015型电焊条。
⑵焊条在使用前烘干，并保持待用，随用随取。
⑶焊接方法尽可能采用CO2保护焊进行平焊和满焊，焊接窄焊缝使用φ1.2焊丝，电流130A-200A；宽焊缝采用φ2.0的焊条，电流180A-250A。
⑷在焊接作业时应目测检查施焊面，保持清洁，对破口周围左右各100mm范围预热，温度控制在100℃-150℃，层间温度T≦400℃，待恒温30min后开始焊接。
⑸焊接中应从引弧板开始引弧，收弧板结束，焊接完后打磨处理。
⑹焊接中控制节点焊接时间，清渣间歇时间，避免焊缝开裂。
⑺同一构件上焊接时，采用对称分布施焊，焊后应消除焊接应力，焊件冷却至室温。
4结论
目前该工程盾构区间已顺利贯通，并且在通过磨桩区未曾出现刀盘卡死和推进困难现象。说明了只有合理布置先行刀才能够对减缓主切削刀的磨损、增加寿命、延长掘进距离起到至关重要的作用。实践证明该小松土压平衡盾构机通过刀盘改造，在原有刀盘配置基础上增加先行刀提高刀盘破岩能力，是安全可行的。并且其改造成本低，改造方案成熟可靠，具有良好的社会和经济效益。
参考文献：
[1]土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究蒲毅刘建琴郭伟裴瑞英(天津大学机械工程学院天津300072)
[2]刘友元；盾构机刀具及其在刀盘上的布置[A]；2011中国盾构技术学术研讨会论文集[C]2011年
[3]胡显鹏.刀具磨损[D].北京：北京交通大学，2006.
[4]李亚红、王娟、刘鹏。异种难焊材料的焊接及应用。北京：化学工业出版社，2003.12：234-251
[5]闫玉茹、黄宏伟、程知言等盾构机切削刀具的布置规律及优化研究.文章编号：1672-741X(2010)05-0508-05
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