淺談潛盾機刀盤及刀具的選用及設計

交通大學土木系黃一航 先生、黃德龍 技師

前言

影響潛盾機之成敗因素有許多，通常影響可分成以下幾點 : 驅動系統及驅動能力決定掘進的工率及脫困能力；盾殼長短及主被動鉸接決定轉彎能力及靈活性。而刀盤及刀具的設計選擇，無疑是有效掘進及地質適用性的核心考量。針對不同地層、含水量、卵礫石層、地質破碎程度、岩石堅硬程度等各種條件，必須正確選用及設計功能不同的刀具及刀盤，這也是地下工程成敗的重要因素之一。

以下是筆者針對目前國際上常用的各種刀具、刀盤及刀盤中刀具的配置及選用模式等方面來介紹說明，希望各位技師先進們共同參與研討，使這門技術能蓬勃發展下去。

刀具之介紹

刀具根據形狀、破碎方式、配置位置或是耐磨程度不同，將決定適用於何種地層。故一般看刀盤上刀具的選用及位置安排，就可以大致看出此刀盤適用的地質條件及環境狀況。首先介紹各種常見刀具之選用及破碎原理。

　1. 滾刀：形狀如同名字一般，呈一滾輪形式之刀具。刀盤旋轉時跟隨旋轉，主要以擠壓破碎方式進行岩面之擠壓破碎，常用於硬岩層破碎使用。

　2. 齒刀：切割及擠壓原理同時使用之刀用，刀盤旋轉時如同牙齒，摩擦切割岩面，前進時利用擠壓切割破碎岩層，屬於較通用常見之刀具。在各式刀盤上，常見到齒刀之配置使用。

　3. 切刀：配置於刀盤開口旁或刀盤軸臂旁外側之刀具，旋轉時切割摩擦岩層，主要為切割破壞，因此對於硬度過高的岩層相對不適用，而在卵礫石層或軟岩、沉泥質砂岩等含量較高之地層，常選擇使用之刀具。

　4. 刮刀：配置於刀盤軸旁或開口旁內側之刀具，主要用途是將已經破碎之渣土、礫石掃入開口進入土倉，隨開口數量而變化，配置上亦有增減，大部分刀盤上皆可見其配置。

　5. 超挖刀 : 通常用於小半徑轉彎之行進路線設計時使用之刀具，配置於刀盤最外圈，刀具內側則裝置有伸縮推進油缸，正常行進時刀具並不伸出，轉彎時必須超挖外圍土層，以達到需求半徑之要求。

　6. 魚尾刀 : 通常用於刀盤接近圓心處，擁有定心及擠壓破碎之能力，與其他刀具配合設計使用，亦於多數刀盤上皆可見之配置。

圖1  齒刀、滾刀及刮刀		圖2  EPB刀盤及各式刀具

刀盤之分類

刀盤的基本設計，筆者簡單將其分為TBM式及EPB式刀盤來說明。通常依據開挖面是否需要加壓決定採用敞開式刀盤或是封閉式刀盤設計，而岩層的硬度、土壤的特性及卵粒石層硬度及粒徑的大小、含量等地質條件，將決定不同的出渣方式、開口率及刀盤耐磨鎢鋼板及耐磨條之配置數量。簡單分述如下。

一、TBM式刀盤

TBM式刀盤(通常稱之為敞開式刀盤)主要出渣方式由刀盤背面之中心後方利用皮帶輸送機送出土渣，故刀盤開口僅分布在刀盤的外圍，利用刮刀疆土渣刮入刀盤內，利用刀盤背面的滑溝，滑落至中心皮帶輸送機出口後，進行出渣作業，因為開口僅能分布在外圍之故，故開口率無法太大，對於卵礫石之地層必須破碎礫石後方能通過刀盤，經常會造成刀盤刀具的磨損及斷裂。因此看到開口多在外圍部分，且開口率小的刀盤時，通常可以判斷刀盤之適用地層應為粒徑分布較均勻，且粒徑不會過大之地層。

二、EPB式刀盤

EPB式刀盤(通常稱之為封閉式刀盤) 與TBM式刀盤最大的差異處在於輸出口在刀盤下方，有相較於TBM式刀盤更多的變化，因應使用之出渣方式也有更多的選擇，土壓平衡式出渣、泥水平衡式出渣、土壓泥水混合式出渣，甚至也有新型的皮帶機配合土壓平衡式出渣等方式，且開口率可以設計調整至較大，EPB式的刀盤通常可以設計超過30%的開口率，甚至採用軸梁式設計的刀盤，僅需用利用最低限度的刀具即可(如圖4)，此種情況經常被採用且多用於掘取軟弱地質及穩定地層之用，此將有效增加挖掘效率並使出渣順利。

圖3  上圖左右為TBM形式刀盤 而下圖左右為EPB形式刀盤		圖4  超大開口率之輻條式刀盤

刀盤整體的選用及設計

刀盤的選用及刀具之配置主要根據地質條件而決定，根據岩盤種類、岩盤硬度、卵礫石粒徑大小、含水量等因素，決定刀具之配置及開口率大小。

一般來說滾刀配置於面盤之輻條上，面盤側邊亦可以配置邊緣滾刀，而根據前文刀具介紹所說，滾刀通常用於硬岩之擠壓破碎，因此面對硬岩層之掘進，常見大量配置滾刀現象，相對較少切刀、齒刀之刀盤配置。

在卵礫石層之掘進，則會見到齒刀及切刀之大量使用而少使用滾刀，齒刀上，且刀盤上多採取焊接耐磨焊條及耐磨板，故具有耐磨度高之特性。齒刀多配置於刀盤正面輻條上之位置與滾刀相仿，切刀則會在輻條側邊之位置，而開口旁則會有配置刮刀，主要為將土渣撥入土倉之用。

在卵粒石層的地質條件下，卵礫石之粒徑大小會大幅度影響開口率大小的選用，故卵礫石粒徑的大小通常影響刀盤開口率的大小，若因粒徑變化較大且可能出現粒徑超大之卵礫石，對此狀況，若出現大卵礫石的機會不是很大，通常建議設計刀盤上預留人孔，人工直接進入破碎，而非利用刀盤及刀具進行壓碎運出設計，因此設計上常見之對策方案是加大開口率，讓大部分渣土直接進入土倉後再處理運出，不像使用滾刀配置需要破碎岩層後再行出渣，而在硬岩層則可能如TBM刀盤(硬岩型式)，選擇小開口徑但是刀具多的方式，來增加掘進效率。

由於地下工程的地質條件多變，地質調查往往又無法完全正確的掌握，故在有限的地質條件下，選擇刀盤型式及刀具設計使用，再配合開口率、形狀設計等，是潛盾機選用的一大課題。

結語

刀盤對於一台潛盾機來說，可以說是其精隨所在，因為目前潛盾機的設計，漸漸趨向於模組化設計，相關潛盾前盾中盾尾盾之設計原理方式漸趨一致。通常可以依據需求條件選配即可。而由前面所描述的許多問題可知，刀盤刀具的選用與設計，變成潛盾機成敗關鍵因素之一。而台灣地質狀況的多變在全球來說，又是複雜程度最多的地區之一，對於地下工法中的潛盾工法來說，也是具有相當的挑戰性；加上台灣沖積平原的特殊地質條件，因沖積距離遠近之影響，沉積之卵礫石粒徑通常在同一地區分布通常較均勻，在此狀況之下，想要有效運用潛盾工法，刀盤的選用及刀具的配置，加上出渣方式的處理等方法去克服，無疑需要理解透徹及詳細分析評估。在此篇簡單的文章中提出個人一些簡單的刀盤及刀具的認知，與大家分享，並期望各位技師先進不令吝賜教，共同為台灣的地下工法技術，日益精進。

資料來源 : 中國鐵建重工集團盾構機培訓班訓練講義