成都地铁“盾构机”即将换上新“钢牙” 有望节约10%的施工工期

封面新闻记者 杨晨

如今在修建城市地铁或引水工程需要开凿隧道时，盾构机担任着重要的角色。

其是隧道施工的专用工程机械，被称为地铁建设的“航空母舰”。如果没有盾构机，施工只能从路面开挖，导致工期长、污染大甚至有塌陷的风险。

而在盾构机掘进过程中，起关键作用的则是圆面刀盘上如钢牙般的刀具，“啃噬”和清扫出土层里各类卵石泥砂。每台盾构机上约有100-200颗这样的“钢牙”，而刀具的性能直接影响着施工效率。

在成都地铁的修筑过程中，需要攻克的富水砂卵石地层结构对于盾构机而言是不容易“啃”下的“硬骨头”。为了解决现有盾构机刀具存在寿命低、地质适应性差等问题，成都轨道交通产业技术研究院有限公司联合四川广正科技有限公司启动了“成都高富水砂卵石地层长寿命高可靠盾构刀具研究”项目。突破了砂卵石等复杂地质掘进长寿命高可靠刀具国产化升级创新，技术达到国际先进，国内领先，可保障成都地铁施工，社会经济效益显著。相关产品投入施工后，与现有刀具相比，有望减少50%的换刀次数，节约10%的“洞通”施工工期，降低施工成本10%以上。

“啃”通隧道的利器

盾构机上镶着上百颗硬核“钢牙”

盾构机素有“钢铁蚯蚓”的称呼，大致形状呈圆柱体。主机部分最前端似一个大圆盘，过圆心的纵横交叉线上，有序安装着100-200颗刀具，作为前进啃噬洞体的“钢牙”。

盾构机刀盘

“刀具也分成了不同种类，包括负责切削类的硬质合金刀具、破碎岩石的滚刀等。”四川广正科技有限公司技术中心主任胡登文介绍道，“比如刀盘中间安装的为中心鱼尾刀，似一个钻头的顶尖，作圆周运动，切削、翻转中心部位土体，防止盾构刀盘正面结泥饼。”

而不同于一些东部地区多泥岩、软土地层，盾构机掘进难度小，他表示成都多卵石地层。尤其在成都西北边为富水砂卵石地层，卵石漂石居多，含水量又比较大。“既有石头又有泥浆，硬骨头不好啃，且又容易被挤压跑，导致施工‘囫囵吞枣’。”

为此在成都地铁的洞通的过程中，盾构机的选择或研发也很有讲究，且多选用的是加固重型刀具，以更好地把卵石击碎、碾压以及清扫出来。

盾构机各类“钢牙”

激光熔覆“贴”上保护层

让“钢牙”耐磨度提升至2倍

为了更高效更可靠地“啃”下掘进过程中的“硬骨头”，各类刀具的工艺和品质也在不断升级，甚至做到了业内首创。

“例如我们研制了低熔点高强度复合夹层钎料，突破切削刀具高强韧焊接技术。”胡登文表示，这样的钎料主要运用在高可靠硬质合金和钢两种异质材料的焊接中，解决焊接热膨胀系数差异问题。“因为在焊接加热过程中，材料冷热收缩比例不一致，容易造成焊缝开裂。而我们采用这种三明治结构的银基复合钎料（含银量达40%），以铜或者镍片为‘夹心’，起到缓冲的作用从而降低焊缝残余应力。”

他形容，这种只有0.2毫米厚的“胶水”，增加了硬质合金和刚的结合强度，使刀具钎焊抗剪切强度达到300MPa，让切刀达到“可掘进2000m的寿命”。

另外，为了加强滚刀刀圈上的耐磨性，技术研究方提出了用激光熔覆技术，在现有盾构滚刀刀圈基体上熔覆含碳化物的耐磨层，保证基体硬度的同时大幅提高其耐磨性，寿命是传统刀圈2倍以上。

“就好像在钢牙上镶上毫米级别的保护层，让它使用寿命延长。”胡登文告知，基本上刀具消耗到20毫米厚时，就可作废。而在成都典型的砂卵石中掘进时，完成500m-800m路程后就需要换上新的“钢牙”，而换一轮就得停个十天半个月。“如果采用这种加固后的刀具，则能够保证1200-1500m的掘进‘寿命’，减少换刀次数。”

成都轨道交通产业技术研究院有限公司相关负责人也向记者提供了一组数据：这两种刀具工艺提升且投入使用后，有望减少50%的换刀次数，与之前相比能缩短10%的“洞通”工期，降低施工成本10%以上。

他也透露，目前相关产品即将进入试应用阶段。“大规模生产制造后，不仅会运用到成都地铁建设中，甚至还会推广到国内其他大型工程项目里。”

名词解释：盾构机

在我国，习惯将用于软土、复合地层的隧道掘进机称为盾构机。用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响、在水下开挖时不影响地面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。