《盾構機刀具》PPT課件.ppt

1,2009年3月,盾構刀具及開挖面分析,石家莊鐵道學院,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,智小慧 副教授,2,目 錄,一、盾構刀具 二、盾構開挖面的變形與破壞分析,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,3,一、盾構刀具,對于盾構機來說,掘削系統(tǒng)即是掘削刀盤及其驅動系統(tǒng)。掘削系統(tǒng)對于盾構機的施工效果有著決定性的影響,而且選擇的差異對盾構機造價也有著很大的影響,刀盤選型可以影響到總造價的48,尤其掘削設備的裝備扭矩是盾構機最基本的參數(shù)之一。 盾構機掘削刀盤即作轉動或搖動的盤狀掘削器，由掘削地層的刀具，穩(wěn)定掘削面的面板，出土槽口，轉動或搖動的驅動機構，軸承機構等構成。,1 綜述,石家莊鐵道學院,某刀盤實物照片,Shijiazhuang railway institute,4,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,某 刀 盤 主 驅 動,主 軸 承,刀 盤 驅 動 系 統(tǒng) 示 意 圖,刀 盤 攪 拌 結 構,5,關于盾構機的刀盤、驅動機構等將在后邊介紹，因此這里主要介紹盾構機掘削地層的刀具。 刀具布置和刀具形狀在盾構機設計中是非常重要的內容。刀具布置方式及刀具形狀是否適合應用工程的地質條件,直接影響到盾構機的切削效果、出土狀況和掘進速度。,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,6,盾構機刀具可根據(jù)運動方式、布置位置和方式及形狀等進行分類。按切削原理劃分，盾構機的刀具一般分為切削刀和滾刀兩種，其余形式的刀具為輔助刀具。切削刀又分為齒刀、刮刀和先行刀等。,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,2 盾構刀具的分類,按運動方式分類,按安裝方式分類,7,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,按安裝位置分類,1-8號中心齒刀,8,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,刀具按掘削目的、設置位置和用途的分類,9,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,滾刀的示意圖和實物照片,b) 盤形滾刀圈 c) 盤形滾刀,a) 盤形 滾刀 示意 圖,10,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,切削刀的實物照片,a) 周邊刮刀 b) 周邊刮刀(背面) c) 周邊刀安裝位置,d) 齒刀 方柄齒刀 f) 齒刀 g) 中心齒刀,11,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,切削刀的實物照片,h) 先行刀 i) 先行刀 j) 先行刀,k) 牛角刀 l) 羊角刀 m）三棱刮刀,12,Shijiazhuang railway institute,注：等級A、B、C、D，從左至右，質量依次提高；脫氧方法F表示沸騰鋼，Z表示鎮(zhèn)靜鋼，b表示半鎮(zhèn)靜鋼， TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼；Q235-A，Q235-B沸騰鋼含錳量上限為0.60%。,石家莊鐵道學院,3 刀具的材料,海瑞克周邊刀的刀體是德國產鋼號為St52-3的鋼材，其性能相當于國產的低碳鋼Q235，Q235鋼的化學成分和力學性能見下表。由表可知，該材料的韌性較好但硬度較低。,Q235鋼的化學成分和力學性能,13,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,海瑞克周邊刀的刃口主要承受高應力的磨粒磨損，周邊刀迎土面釬焊有球齒，球齒材料為硬質合金，主要用于承受砂礫、卵石的磨粒磨損與沖擊。,超 硬 鋼 的 種 類 及 特 性,14,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,海瑞克齒刀由刀體、端部硬質合金刀片和背部球齒構成。,15,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,海瑞克刮刀是用硬質合金鋼做為刀頭，高耐磨合金鋼作為刀體。,16,其它進口盾構刀具在材料方面由兩至三種構成，即基體材料、硬質合金材料、刀具刃口堆焊材料等復合制成。下表為一種用于盾構機刀具刃口的鐵基堆焊材料的化學成分和性能。,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,一種鐵基刀具刃口堆焊材料的化學成分和性能,鑲鑄,堆焊,17,對于不同地層的開挖，盾構的刀具通常采用不同型式：開挖地層為硬巖時，采用盤形滾刀；地層為較軟巖石時，采用齒刀；地層為軟土或破碎軟巖時，可采用切刀(或刮刀)。,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,4 刀具的選擇,卵石層(N40),砂礫卵石 (10N40),洪積土 (砂質土) (10N25),沖擊粘土 (0N10),標準貫入錘擊數(shù),18,5 刀具的作用及切削機理,(1) 切削刀 切削刀是盾構機切削開挖面土體的主刀具，切削刀一般形狀如左下圖所示。一般情況下，(前角)與(后角)值隨切削地層特性不同變化，取值范圍在520度之間，粘土地層稍大，砂卵石地層稍小。,Shijiazhuang railway institute,切削刀一般形狀示意圖,三棱刮刀,19,切削刀為盾構機開挖非巖質地層的基本刀具，其形狀、布局將對開挖效果有重要影響。切削刀切削土體的示意見下圖。對于軟土地層或經滾刀破碎后的碴土將通過切刀和刮刀進行開挖。碴土隨切刀、刮刀正面進入碴槽，因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有裝載的功能。,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,切削刀切削土體示意圖,20,顧名思義，超前刀即為先行切削土體的刀具。超前刀在設計中主要考慮與切削刀組合協(xié)同工作。刀具切削土體時，超前刀在切削刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切削刀創(chuàng)造良好的切削條件。據(jù)其作用與目的，超前刀斷面一般比切削刀斷面小。采用超前刀，一般可顯著增加切削土體的流動性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，減少切削刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層使用效果十分明顯。 超前刀刀具形狀及與切削刀協(xié)同切削土體的示意圖見左下圖。,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,(2) 超前刀(也稱先行刀),超 前 刀,21,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,22,盤圈貝型刀實質上是超前刀，盾構機穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時，若采用滾刀型刀具，因土體屬松散體，在滾刀掘進擠壓下會產生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時甚至喪失切削破碎能力。采用盤圈貝型刀，將其布置在刀盤盤圈前端面，專用于切削砂卵石，可較好地解決盾構機切削土體(砂卵石)的難題。,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,(3) 盤圈貝型刀,盤圈貝型刀實物照片,盤圈貝型刀示意圖,23,采用大刀盤全斷面切削土體，布置在刀盤不同位置的切削刀，從刀盤外周至中心，運動圓周逐漸減小，中心點理論上可以視為零，相應土體流動狀態(tài)也是越來越差。而且中心支撐部位(直徑約1.5 m)不能布置切削刀，為改善中心部位土體的切削和攪拌效果，可考慮在中心部位設計一把尺寸較大的魚尾刀。,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,(4) 魚尾刀,魚尾刀示意圖,24,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,根據(jù)經驗，魚尾刀的設計和布置可應用兩個技巧：其一讓盾構機分兩步切削土體，利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面(直徑約1.5 m)土體，而后擴大到全斷面切削土體，即將魚尾刀設計與其他切削刀不在一個平面上，一般魚尾刀超前600 mm左右，保證魚尾刀最先切削土體；其二是將魚尾刀根部設計成錐形，使刀盤旋轉時隨魚尾刀切削下來的土體，在切向、徑向運動的基礎上，又增加一項翻轉運動(如同犁地一般)：這樣既可解決中心部分土體的切削問題和改善切削土體的流動性，又大大提高盾構機整體掘進水平。,魚尾刀切削土體示意圖,25,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,(5) 仿形刀,盾構機一般設計兩把仿形刀(一把備用)，布置在輻條的兩端。施工時，可以根據(jù)超挖多少和超挖范圍的要求，從輻條兩端徑向伸出和縮回仿形刀，達到仿形切削的目的。仿形刀伸出最大值一般在80130mm之間。盾構機在曲線段推進、轉彎或糾偏時，通過仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構機在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下，實現(xiàn)曲線推進和順利轉彎及糾偏。,26,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,根據(jù)廣州及深圳地鐵建設經驗，隨著城市軌道路網(wǎng)的延伸及建設力度的加大，盾構區(qū)間不僅需穿越常見的軟弱地層，同時還需在部分硬巖地段中通過。因此在刀具選擇上既要考慮在軟巖中開挖的需要，也要考慮在硬巖中的要求。一般認為刮刀適用于土層及部分軟巖，盤形滾刀適用于硬巖，其中單刃滾刀能用在強度很高的巖石中，國外曾有在抗壓強度超過200 MPa巖石中應用的工程記錄。,(6) 滾刀,盤形滾刀圈 盤形滾刀,27,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,安裝在刀盤上的盤形滾刀在千斤頂?shù)淖饔孟戮o壓在巖面上，隨著刀盤的旋轉，盤形滾刀一方面繞刀盤中心軸公轉，同時繞自身軸線自轉。滾刀在刀盤的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圓溝槽。當推力超過巖石的強度時，盤形滾刀刀尖下的巖石直接破碎，刀尖貫入巖石，形成壓碎區(qū)和放射狀裂紋;進一步加壓，當滾刀間距S滿足一定條件時，相鄰滾刀間巖石內裂紋延伸并相互貫通，形成巖石碎片而崩落，盤形滾刀完成一次破巖過程。,28,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,硬巖滾刀破巖主要分為以下幾個步驟：,1) 擠壓階段：滾刀在高推力作用下，切入巖石表面(切入深度110/15mm，取決于巖體強度)，同時巖面產生局部變形及很高的接觸應力。并在此應力作用下，刀刃與巖石接觸部分的巖體產生粉碎區(qū)，即應力核心區(qū)。此核心區(qū)深度越深、范圍越大對提高破巖效率越明顯。,29,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,2) 起裂階段：沿粉碎區(qū)周邊應力大于巖體的抗拉強度或抗剪強度時，便產生張拉裂縫。該裂縫是滾刀能否破巖的先訣條件。在應力核心區(qū)下層是應力過渡區(qū)，該區(qū)為應力衰減區(qū)，對巖體裂縫的產生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂縫，由于其方向與破巖方向一致，因此也不能顯著地提高破巖效率，但能加大下個循環(huán)中壓入階段應力范圍。,30,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,3)破碎階段：當相鄰滾刀的間距使起裂階段產生的裂縫相互連通時，表面部分巖體便被裂縫分割，形成碎片并脫離開挖面。,31,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,1) 巖石硬度： 在刀具擠壓階段，必須保證刀具硬度要高于巖石硬度，才能切入巖石表面，形成必要深度的應力核心區(qū)。 2) 抗壓強度：刀具切入巖石表面后，當應力大于巖石抗壓強度(單向應力條件)或抗壓強度與地層主應力組合值(三向應力條件)時才能形成粉碎區(qū)，以保證裂縫產生位置具有一定深度。 3) 抗拉強度：是裂縫形成的力學原因。,影響裂縫能否形成的直接因素有：,32,Shijiazhuang railway institute,根據(jù)以往工程實踐及試驗數(shù)據(jù)，影響破巖效率的因素有： 1) 脆性/塑性:是對抗壓強度、抗拉強度的綜合評價，適用于抗壓強度較大(小)，而抗拉強度較小(大)巖石。有關文獻資料顯示在同樣條件下，脆性巖體在擠壓階段所需時間遠遠小于塑性巖體(約八分之一)。 2) 耐磨性:本指標直接關系到盾構機掘進效率，是承包商進行刀具壽命及備品估算、工期籌劃的主要依據(jù)。根據(jù)國外資料統(tǒng)計在耐磨性小的巖石中，更換刀具時間占總停工時間的3%，而在高耐磨性巖石中有20%之多；以每掘進1米時間計算，耐磨性小的巖石為0.020.05 hr/m，而高耐磨性巖石則可高達0.2hr/m。,石家莊鐵道學院,影響破巖效率的因素：,33,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,(7) 齒刀,在巖石較軟的情況下掘進時，由于盤形滾刀與巖石掌子面之間不能產生一定的附著力，將導致滾刀不能滾動而產生弦磨，滾刀不能滾動將失去有效的破巖功能。因此，在較軟的巖層中應將部分盤形滾刀更換成齒刀，利用齒刀進行破巖。由于齒刀上裝有2個切削刃，因此刀盤正反轉時齒刀都能進行破巖。,齒 刀 破 巖 機 理圖,34,刀具布置有兩種方式： 第一種為刀具整體連續(xù)排列方式，因其切削阻力較大，盾構機密封艙內土體流動性差，現(xiàn)已很少使用，僅偶爾在切削阻力小的淤泥質地層中采用； 第二種為刀具牙型交錯連續(xù)排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封艙內土體流動性好和易攪拌而被廣泛使用。目前世界上基本均采用牙型交錯連續(xù)排列方式。 刀具選擇與布置： 盾構開挖性能主要通過刀具的選擇和布置來保證。根據(jù)不同地質情況選用不同類型的刀具及刀具組合，實現(xiàn)刀具配置的靈便性，提高刀盤的開挖效率。目前盾構機上常用的主要刀具有切刀、刮刀、齒刀、雙刃滾刀、單刃滾刀、擴孔刀等。,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,6 刀具布置與配置,35,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,刀具的示意圖和實物照片,滾刀,小 松 盾 構 刀 盤,海 瑞 克 盾 構 刀 盤,齒刀,刮刀,36,7 某盾構施工的刀具配置,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,這里介紹廣州地區(qū)某大型地下工程盾構法開挖過程中的刀具配置。選用盾構機為德國海瑞克公司生產的土壓平衡式盾構機，刀盤為面板式，刀盤的開口面積占刀盤總面積的28%左右。刀盤采用液壓驅動，并配備了泡沫注入系統(tǒng)、膨潤土注入系統(tǒng)和壓縮空氣系統(tǒng)，具備良好的渣土改良功能。,37,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,軟土地層刀具配置,配置了3種軟土刀具:切刀64把、弧形刮刀32把、齒刀14把(齒刀與盤型滾刀可以互換安裝，但刀盤周邊的5把滾刀不能更換為齒刀)。 在粘土地層刀具壽命較長，在砂性地層壽命相對較短。 考慮到刀盤的受力均勻性，刀具布置具有對稱性，刀具安裝采用螺栓固定以便于更換，軟土地層刀盤結構相對簡單。,切刀,滾刀,齒刀 刮刀,38,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,由于刀盤需要正反旋轉，因此切刀也布置在正反方向。同時，為了提高切刀的可靠性，在每個軌跡上布置了2把切刀。由于周邊工作量相對較大，磨損后對盾構切口環(huán)尺寸影響較大，因此在刀盤周邊布置了較多的切刀和刮刀。 在切刀、刮刀刃口鑲嵌有合金耐磨材料以延長刀具的使用壽命，切刀的破巖能力為20MPa，可以順利通過加固地層的開挖。切刀伸出刀盤面板的高度可保證碴土的有效流動，防止刀盤面板與土艙間產生泥餅。,39,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,上軟下硬復合地層刀具配置,在區(qū)間含硬巖的復合地層，刀盤除配置切刀、刮刀、齒刀這些切削型刀具外，還配置了雙刃盤形滾刀，用于破碎硬巖，因而刀盤結構相對復雜。雙刃盤形滾刀單個刀刃的允許承載能力為250KN，破巖能力相對于單刃滾刀而言較低，適應破碎抗壓強度小于80Mpa的巖石。刀盤上配備了足夠數(shù)量的滾刀(19把)，以取得合適的滾刀間距(每把雙刃中心滾刀的刀間距為10Omm)，達到了較好的破巖效果。 對于復合地層中的硬巖，首先通過盤形滾刀進行破巖。雙滾刀一般允許磨損量為25mm，邊滾刀為15mm，因此滾刀的伸出高度一般比切刀要大，海瑞克盾構設計時滾刀的伸出高度為35mm，保證滾刀在磨損情況下仍能避免切刀進行破巖，保證切刀使用壽命。,40,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,a.當巖石抗壓強度較低，盤形滾刀破巖效果不理想時，則利用滾刀刀座安裝齒刀進行破巖，齒刀軌跡完全與滾刀相同，齒刀刀刃是對稱的，因此刀盤正反轉時都可以很好地破碎軟巖。 b.刀盤直徑應考慮刀具磨損后開挖直徑仍能大于盾構切口環(huán)的直徑，以保證盾構姿態(tài)的調整。邊滾刀的允許磨損量為15mm，因此開挖洞徑的允許變化量為3Omm。當邊刀不采用滾刀時，盾構開挖洞徑的允許變化量為20mm。 c.在曲線半徑小的隧道掘進時，為了利于盾構的調向，需要有較大的開挖直徑，因此根據(jù)地質情況的差異，可在刀盤上選擇配置擴孔刀或滾刀型、齒刀型的仿形刀。,刀具配置的其它注意事項,41,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,刀具布置的防泥餅措施,盾構機通過粘性土層時容易在刀盤中心區(qū)和土艙中心區(qū)形成泥餅。刀盤中心區(qū)的泥餅會造成刀盤能夠轉動，但是盾構機卻不能掘進的現(xiàn)象。土艙中心區(qū)的泥餅，則會造成刀盤轉動負荷加大，甚至停止轉動，同時導致艙體內溫度急劇升高，影響主軸承密封的壽命，甚至毀壞軸承密封。 為了提高碴土的流動性，防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，刀具布置采取了針對性較強的防泥餅措施，即確保刀具凸出刀盤的較大間距。所有正面滾刀都高出刀盤面175mm，為開挖面破除下來的碴土留出了足夠的出碴空間；齒刀高出刀盤面16Omm，刮刀高出刀盤面140mm。,42,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,這樣盾構在復合地層中掘進時，能使刀盤前方切削下來的碴土有較大的流動空間，有利于刀盤前方碴土的流動。同時，由于滾刀高出刮刀35mm，齒刀高出刮刀20mm，因此，在硬巖地段掘進時刮刀受到滾刀和齒刀的保護，正面滾刀的最大磨損量為可達50mm，切刀的最大磨損量則為20mm。,43,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,8 盾構刀具磨損機制概述,磨損的機理大致可分為如下表所示五種類型，,44,1)顯微切削：硬顆?；蛴餐蛊鹋c材料產生相對運動，引起的材料損傷。當磨粒的形狀與運動方向合適，有利于切削時，磨粒在切向力的作用下，在料表面刮起一層薄片，形成一次切削，脫離材料表面。這種切削溝的寬度和深很小，切屑也非常小。,磨料磨損的基本損傷形式,石家莊鐵道學院,45,2)疲勞(微觀犁皺或微觀壓入 ): 表面微觀部分受循環(huán)變應力產生重復變形 導致裂紋形成，最終使表面產生破損。,壓入,石家莊鐵道學院,46,3)粘著：兩接觸表面局部的粘著使材料由一表 面轉移到另一表面所引起的磨損。,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,47,4)龜裂：材料表面受到垂直應力的反復作用，產生顯微裂紋,裂紋,壓入,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,48,9 刀具磨損的分析,9.1 概述 土壓平衡盾構機的刀盤根據(jù)地質條件的不同一般分軟土和硬巖兩種刀盤布置形式,軟土區(qū)刀盤的布置形式是以齒刀為主輔以邊緣滾刀和刮刀，硬巖刀盤的布置形式是以滾刀為主輔以刮刀。刀具是盾構機的一個非常重要的組成部分，對刀具地合理選擇、使用 、維護和更換，直接決定盾構掘進工程的質量、進度和工程成本。所以對盾構機刀具磨損情況地分析尤為必要。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,49,9.2 海瑞克盾構切削刀具失效分析,Shijiazhuang railway institute,北京地鐵某線砂卵石地層中石英含量高達45%以上，石英砂是“很好”的磨料，使刀具磨損速度加快。該線應用的德國海瑞克盾構機的刀盤轉速可以達到3rpm(轉數(shù)/分鐘)，直徑6m刀盤外圍刀具的線速度可以達到1m/s。北京地區(qū)地層中含有大量不同粒徑的卵石，使得刀具的刃口部位承受很大的沖擊荷載。,北京地鐵 某線盾構 試驗段 砂卵石 地層渣土,50,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,如北京地鐵某線盾構試驗段雍和宮站至張自忠站左線1510m隧道掘進為砂卵石及粘土混合地層,掘進過程中更換了5批刀具；而在北京地鐵某線16合同段宋家莊站至劉家窯站右線隧道1320m的粉質粘土為主地層掘進則沒有更換過刀具，這充分表明了砂礫、亂石對盾構刀具的巨大破壞作用。盾構試驗段盾構機刀具磨損和折斷嚴重，開倉后刀具的形貌見下圖。,硬質合金刀片折斷 的齒刀,使用意大利龐萬利公司周邊刀掘進70米后磨損情況,周邊刀磨損后 的形貌,51,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,硬質合金刀片折斷 的齒刀,周邊刀磨損后 的形貌,使用意大利龐萬利公司周邊刀掘進70米后磨損情況,從圖中可以看到，盾構刀具的刃口部位鑲嵌的硬質合金刀片存在同程度的折斷破壞，即所謂“崩刃”；對于硬質合金刀片，由于硬度很高，相應的韌性較差，沖擊斷裂是其主要的失效形式；除了刃口部位承受沖擊之外，刀具迎土面還有犁溝式磨粒磨損和碾壓磨損。,在右圖所示位置切制1#、2#樣，實驗室條件下通過掃描電鏡對其磨損形貌分別進行分析。,52,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,周邊刀刃口坡口處（內側）磨損形貌,從掃描電鏡照片可以看出： 刃口位的斜坡（內側）為典型的犁溝式磨損。,53,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,從掃描電鏡照片可以看出： 外側硬質合金球齒失效形為脆性塌陷+犁溝式磨損。,球齒表面磨損形貌,54,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,從掃描電鏡照片可以看出： 外側的球齒鑲嵌部分的磨損形式為犁溝式+碾壓磨損 。,周邊刀刀體迎土面磨損情況,55,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,北京地區(qū)盾構切削刀具的上述磨損情況歸納為下表所示特征：,通過對進口盾構切削刀具在砂卵石地層的磨損特點分析，得出的結論是：切削刀具在砂卵石地層施工中，主要的失效形式為：沖擊破壞、犁溝式磨粒磨損和碾壓磨損。,56,9.3 雙刃滾刀刀具的磨損及原因： （1） 正常磨損 刀具的正常磨損是指刀圈的磨損量超過了規(guī)定值，磨損量可用專用的量具進行測量。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,57,9.3 雙刃滾刀刀具的磨損及原因,（2） 刀圈偏磨 如果滾刀在掘進工作面不轉動，由于刀圈和掘進工作面的相對運動就會形成刀圈的偏磨。由于中心區(qū)滾刀線速度較小，承受載荷較大，中心區(qū)滾刀容易出現(xiàn)此現(xiàn)象。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,58,（3） 刀圈斷裂 推力過大或刀圈在比較硬的巖石上滾動就有可能使刀圈斷裂，若一個刀圈有兩處斷裂，斷裂的部分刀圈就有可能掉到土艙。邊緣滾刀和正面區(qū)滾刀經常有此現(xiàn)象。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,9.3 雙刃滾刀刀具的磨損及原因,59,（4） 表面缺陷 如果有金屬或其它堅硬物損壞了刀圈的局部表面，刀圈局部表面就會形成表面缺陷。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,9.3 雙刃滾刀刀具的磨損及原因,60,（5） 刀圈擋圈磨損或脫落 擋圈是由兩個半圓的鋼環(huán)安裝在滾刀軸的卡槽里焊接成一個完整的圓環(huán)，其作用是防止刀圈從滾刀軸上脫落，一旦刀圈擋圈脫落或焊接處磨損嚴重，就應該更換刀具。 （6） 滾刀漏油 由于密封件的損壞，就可能使密封油泄漏，從而導致油封座和輪轂的損壞。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,9.3 雙刃滾刀刀具的磨損及原因,61,（7) 輪轂磨損 刀盤和渣土不間斷的摩擦，使得滾刀輪轂也發(fā)生嚴重磨損 (8) 油封座損壞 由于漏油使得油封座損壞 (9) 輪轂或油封座損壞 刀圈如果在金屬物（掉了的刀圈或螺帽）上滾動，輪轂或油封座有可能被卡住，就會妨礙刀圈繞著滾刀中心軸自由轉動。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,9.3 雙刃滾刀刀具的磨損及原因,62,(10) 滾刀的多邊形磨損 在掘進時滾刀時轉時不轉，或者在某個點轉動時間長在其它點轉動時間短，就會產生這樣的磨損。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,9.4 雙刃滾刀刀具的磨損及原因,63,9.4 齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損 及原因 (1) 齒刀磨損 正常磨損：齒刀切削土層和砂礫層所形成的磨損。 異常磨損：由于換刀不及時在硬巖區(qū)的磨損。,Shijiazhuang railway institute,64,9.4 齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損及原因 (2) 正面區(qū)刮刀磨損 正常磨損：刮刀刮削土層、砂礫層和被滾刀擠碎的巖層時所形成的磨損。 異常磨損：由于滾刀刀圈掉落，在刀盤同一圓周上的刮刀就直接承受掘進工作面的載荷，刮刀和掘進工作面的相對摩擦，就導致刮刀嚴重偏磨。,Shijiazhuang railway institute,65,9.4 齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損 及原因,(3) 邊緣區(qū)刮刀 正常磨損： 刮削土層、砂礫層和邊緣滾刀擠壓后的巖層時所形成的磨損。 異常磨損：由于邊緣滾刀刀圈掉落或者邊緣滾刀磨損量嚴重超限，邊緣滾刀開挖掘進工作面的徑向尺寸小于邊緣刮刀的徑向尺寸，邊緣刮刀被迫直接擠壓在掘進工作面上運動，導致刀具磨損。,Shijiazhuang railway institute,66,9.5 預防刀具異常磨損的措施(滾刀) (1) 擇擇合理的掘進參數(shù) 掘進參數(shù)包括掘進推力、刀盤轉速、扭矩、推進速度、切削量等，影響刀具磨損的最直接參數(shù)是掘進推力，推力的大小直接決定了刀具所承受的載荷。推力過大，雖然短期內掘進速度很快，但長時間刀盤刀具所承受的載荷也比較大，過大的載荷會使?jié)L刀軸承受擠壓產生變形，繼而影響滾刀的自轉最終造成滾刀刀圈的偏磨或斷裂。一般在巖石中風化帶巖石微風化帶地層最大的推力不要超過1000ton。 刀盤轉速也是影響刀具磨損的另一個主要因素，過大的刀盤轉速在硬巖地層會造成盾構機振動顛簸，加劇刀具的磨損。一般在硬巖地層刀盤轉速設置為 1.5rpm為合適值。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,67,(2) 根據(jù)不同的地層選擇不同的刀具 根據(jù)地質資料和對出土情況的判斷來確定刀具的更換，特別是兩種地層的交界處。從巖石微風化帶地層向巖石強風化帶轉換,如不能及時將齒刀更換為滾刀，就會很快加劇齒刀地磨損；從硬巖地層向軟土地層轉換，如不及時將滾刀換回齒刀，也有可能出現(xiàn)滾刀偏磨的現(xiàn)象。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,9.5 預防刀具異常磨損的措施(滾刀),68,(3) 定期對刀具進行檢查 在硬巖區(qū)地層中，如果出現(xiàn)推力過大推進速度小扭矩也偏小，盾構機姿態(tài)糾正很難的現(xiàn)象時，就要考慮刀具是否磨損嚴重，安排開艙檢查刀具。 如果連續(xù)出現(xiàn)刀盤或螺旋輸送機被卡住、驅動電機熄火的現(xiàn)象時，應立即停機進行檢查。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,9.5 預防刀具異常磨損的措施(滾刀),一般要在不超過二十環(huán)時對刀具進行一次檢查，檢查看是否有刀圈磨損超限、刀圈斷裂、刀圈變形、固定刀圈的螺帽是否松動或掉落、刀座是否有裂紋等，如果一旦發(fā)現(xiàn)應立即采取補救措施。 軟土區(qū)在掘進100環(huán)時要對刀具進行一次檢查。,69,(4) 盾構機姿態(tài)應保持正常姿態(tài) 在硬巖地層如果不斷的調整盾構機姿態(tài)就會使?jié)L刀受力不均勻，在某個方向上過大的推力有可能導致滾刀變形。 在硬巖地層絕不可只片面追求進度，應該在保證刀盤和刀具不被嚴重磨損的前提下安排生產進度，必要時應該進行限產。為了一時的進度而忽視刀具的例行檢查是得不償失的。 更換刀圈后的刀具要進行扭矩試驗，根據(jù)不同的地質條件和巖石強度進行扭矩調整。 在硬巖地層注意觀察螺旋輸送機出渣情況，如果出渣不是均勻的碎片石，而是伴有大塊的石頭出現(xiàn)，就可能有滾刀刀圈掉落，要立即停機檢查。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,9.5 預防刀具異常磨損的措施(滾刀),70,9.6 刀具磨損量檢查及更換原則(滾刀) (1) 在硬巖區(qū)，邊緣滾刀磨損量推薦值為1015mm，正面區(qū)為15mm20mm，中心區(qū)為25mm。刀具正常磨損量超過規(guī)定值就應進行更換，如果有條件最好整盤刀具全部更換； (2) 檢查中如發(fā)現(xiàn)個別刀具有異常磨損或損壞，應優(yōu)先將原來換下的沒有超過規(guī)定磨損量且已經進行過維護的舊刀具換上，而不要換上新刀具。,Shijiazhuang railway institute,71,9.6 刀具磨損量檢查及更換原則(滾刀) (3) 一定要確保整個刀盤所換刀具的磨損量盡可能達到最大值，使得刀具能夠掘進盡可能多的環(huán)數(shù)。硬巖地層正面區(qū)雙刃滾刀正常磨損情況下可掘進100環(huán)左右。 (4) 刀具要勤檢查，少更換；更要避免長時間停機換刀。,Shijiazhuang railway institute,72,9.7 刀具的維護和修復 (1) 邊緣滾刀（正面滾刀）的維護和修復 根據(jù)更換的邊緣滾刀（正面滾刀）的磨損情況和使用記錄，來確定滾刀的維護和修復方案。如果刀圈磨損量沒有超過25mm，可先檢查滾刀密封油是否足夠，如密封油不夠就應添加；用鋸條將滾刀端蓋和軸承縫之間的碎石泥土清理干凈并檢查油封及油封座是否完好，如有損壞應換新或修復。 如刀圈磨損量超過25mm，就應割掉刀圈，重新?lián)Q上新刀圈；同時也要檢查密封油、油封和油封座，并根據(jù)檢查情況進行維護。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,73,9.7 刀具的維護和修復 (2) 中心區(qū)滾刀的維護和修復 中心區(qū)滾刀修復的方法和邊緣滾刀基本相同，由于其結構和邊緣區(qū)滾刀結構不同，其工藝程序比較復雜。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,74,(3) 正面區(qū)刮刀和邊緣刮刀的維護和修復 正面區(qū)刮刀磨損量不大可采用在其舊刀的基礎上堆焊耐磨焊絲和“嫁接”舊的刮刀等方法進行修復；如磨損量過大可換新刀，國內有替代品。 邊緣刮刀磨損量不大可采用在其舊刀基礎上堆焊耐磨焊絲的方法；磨損量過大換新刀。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,9.7 刀具的維護和修復,75,(4) 齒刀的維護和修復 一般正常使用齒刀磨損量不大。由于齒刀構造比較復雜，如果一旦磨損采用在磨損的刀座上堆焊耐磨焊絲的方法，效果也比較好；如果磨損量比較大，就只能換新。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,9.7 刀具的維護和修復,76,10 盾構刀具的管理,10.1刀具管理的重要意義 盾構機刀具管理是要把盾構機刀具的養(yǎng)、用、管、修提高到管理的高度上，有統(tǒng)籌、有計劃、有反饋、有分析和總結，建立一個良性的、閉式循環(huán)的管理系統(tǒng)。加強盾構機刀具管理在以下幾方面有著十分重要的意義：,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,77,1） 有計劃性的實施刀具的檢查和更換，能及時了解、掌握和分析刀具的使用狀況，對有效地利用刀具以及對刀盤進行有效的保護有重要意義； 2） 建立準確、詳盡的刀具臺帳和完善刀具維護、修理工藝，能最大限度地減少在刀具方面的投入，對降低刀具的使用成本有重要意義； 3） 掌握并熟練運用刀具檢查、更換的方法，加強對刀盤的監(jiān)控，能避免刀具非正常原因的大面積損壞，對保證施工順暢，降低施工風險有重要意義。,10.1刀具管理的重要意義,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,78,盾構機刀具管理分為大小兩個閉式循環(huán)管理系統(tǒng)。 大循環(huán)指從刀具選用具體操作比較、分析反饋刀具選用的過程； 小循環(huán)指從測試使用檢查、更換修理試驗（測試）的過程。,10.2刀具管理的主要內容,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,79,其中，大循環(huán)是小循環(huán)的基礎，小循環(huán)是大循環(huán)的具體體現(xiàn)?？刂坪么笱h(huán)，就等于把好了第一關，為小循環(huán)順利的運行建立了良好的基礎；控制好小循環(huán)，做好具體工作，又能給大循環(huán)提供更多、更好、更及時的反饋，使大循環(huán)能做及時、有效的調整，使一切按著計劃來運行，避免了多余的投入，保證了成本的最小化。,10.2刀具管理的主要內容,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,80,10.3 刀具管理流程,與任何一項工作一樣，盾構機刀具管理有特定的流程，見圖A。 盾構機刀具管理的每一個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，要將刀具管好、用好，需認真做好每一個環(huán)節(jié)的具體工作。,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,81,總之，只要我們嚴格按照盾構機操作規(guī)程進行操作，科學客觀地加強對盾構機刀具使用、檢查和維護的管理力度，減少刀具不必要的異常磨損和損壞，潛心研究大力推廣盾構機刀具國產化的應用，刀具磨損和損壞給盾構掘進造成的成本增加就會大大降低，盾構工程就會有更大的利潤空間可挖掘。,10.3 刀具管理流程,Shijiazhuang railway institute,石家莊鐵道學院,82,11 關于刀具國產化的幾點建議 由于刀具是易損件，消耗量大，如果只是依靠進口刀具不僅供貨期長，而且成本高，所以使用國產刀具勢在必行。國內最近幾年也有些公司著手開發(fā)盾構機刀具。不足的是我們現(xiàn)在只能是簡單的更換滾刀刀圈，由于資料的缺乏、試驗設備的落后和對刀具研究的不深入，對于更換刀圈后重新組裝的滾刀刀具，其扭矩調整還不能夠進行調試（國外公司可以做到根據(jù)不同地質條件的強度來調整每把滾刀的扭矩）；滾刀密封件質量不高；中心滾刀支架、齒刀和邊緣刮刀國內尚無人問津開發(fā)等直接影響著盾構機刀具國產化的推廣應用，這些都需要我們進一步的探討研究。,Shijiazhuang railway institute,83,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,12 其它刀具磨損照片2,84,13 減少盾構機推進阻力的措施,Shijiazhuang railway institute,根據(jù)不同地質條件，以及N(標準貫入錘擊數(shù))值的大小，切削刀最大切削軌跡外徑、刀盤盤圈外徑和盾構機外徑三者的尺寸之間有細微的差別，若處理不當，將增大推進阻力，給盾構機整機推進性能帶來較大影響，其原因在此不贅述。針對北京地區(qū)地層特點，為減少盾構機推進阻力，除盾構機設有加泥加泡沫系統(tǒng)外，還應在刀具的布置上采用以下兩項措施： (1)設計主切削刀最大切削軌跡外徑略大于盾構機外徑，既減少盾構機刀盤盤圈和盾構機外周的摩擦阻力，又不會影響盾構機控制土體沉降的能力和效果。,85,Shijiazhuang railway institute,(2) 調整刀具切削土體深度，合理設置刀盤盤圈刀具(貝型刀)，減少切削阻力。根據(jù)刀盤盤圈刀具切人土體深度的計算公式，可計算出刀具切入土體的深度。,86,Shijiazhuang railway institute,由上表可知，刀具布置可顯著影響刀具切削土體的深度。為減少推進阻力、切削噪音和切削振動，應選擇合適的刀具切削深度。根據(jù)經驗，盾構機高速推進時，切削深度以1015mm為好；一般速度推進時，切削深度則以48mm為好。故在刀盤盤圈上布置57把刀具較為理想。,刀具 切入 土體 深度,87,Shijiazhuang railway institute,14 小節(jié),本節(jié)主要介紹了以下內容： 1.刀具的分類； 2.刀具的材料; 3.刀具的選擇； 4.刀具的作用及切削機理; 5.刀具布置與配置及實例； 6.盾構刀具磨損機制概述及實例分析； 7.減少盾構機推進阻力的措施等。,88,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,二、盾構開挖面分析,本節(jié)簡要介紹國內普遍采用的土壓式盾構施工中支護壓力控制引起的開挖面變形與破壞問題。,89,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,盾構施工過程中由于對土體的開挖和撓動破壞了土體的原始應力狀態(tài)，使土體單元產生了應力增量，引起周圍地層的位移。盾構隧道的施工變形是一個不斷累加的過程，以隧道軸線地表點的經時變位曲線為例，地表點的地層移動經歷五個階段 。,1 盾構掘進對周圍地層的擾動,90,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,a. 先期沉降，盾構尚未到達該點時的變位，表現(xiàn)為地表下沉。對于砂質土，其可能是由于地下水下降引起，對于極軟粘性土，則沉降可能是由于開挖面過量取土引起的；,盾構 通過 時地 基變 形的 分類,91,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,b. 開挖面前方地基變位，盾構機前方刀盤即將到達之前發(fā)生的變位，表現(xiàn)為地表隆起或下沉。其主要是由于盾構機對開挖面土層施加的支護壓力過大或過小，致使開挖面失去平衡狀態(tài)，從而發(fā)生地基變位；,盾構 通過 時地 基變 形的 分類,92,石家莊鐵道學院,c. 盾構機通過時地基變位，指從盾構開挖面到達該地表點的正下方開始，直至盾尾即將脫離該點為止的發(fā)生的地基變位，表現(xiàn)為地表隆起或下沉。產生這部分地基變位的原因，主要是盾殼對土體的摩擦力，破壞了土體的結構強度，另外超挖及盾構機姿態(tài)的非水平也加劇了地基變位；,盾構 通過 時地 基變 形的 分類,93,石家莊鐵道學院,d. 盾構機尾部脫離時變位，指盾尾空隙形成至注漿結束為止的那段時間內的下沉或隆起。管片從盾尾脫離之前，盾殼對土體有一約束力，方向指向土體，一旦盾尾脫離，盾構機殼土體之間產生空隙，如果在盾尾脫離后未能及時注漿或填充率不足，則空洞斷面就會向內縮小，引起應力釋放力，產生地表沉降，相反，如果注漿壓力過大，則會導致地表隆起；,盾構 通過 時地 基變 形的 分類,94,石家莊鐵道學院,Shijiazhuang railway institute,e. 后期沉降，指從注漿結束開始，直到下沉停止的那部分下沉，引起這部分沉降的原因，主要是蠕變變形與固結變形，在軟粘土地基表現(xiàn)尤為明顯。,盾構 通過 時地 基變 形的 分類,95,2 盾構掘進開挖面支護壓力控制原理,Shijiazhuang railway institute,盾構掘進過程中，通過各方面信息的反饋，控制盾構機完成從隧道的開挖至襯砌安裝一系列過程，作為施工主體盾構機的控制是工程成敗的關鍵，盾構機控制主要涉及以下幾個方面:開挖控制、軸線控制、注漿控制及襯砌安裝（管片拼裝）控制。,96,石家莊鐵道學院,Shijiazhu