【獨(dú)家】盾構(gòu)機(jī)刀具配置研究

1、 摘要：盾構(gòu)機(jī)刀具配置是盾構(gòu)機(jī)刀具設(shè)計(jì)中是非常重要的內(nèi)容。本論文著重介紹了刀具的種類和切削原理，同時(shí)針對不同的地層情況，提出刀具的具體配置方式。針對盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層隧道掘進(jìn)，解釋了刀具配置的差異性、刀具配置的“矛盾”現(xiàn)象。結(jié)合工程實(shí)例，在砂卵石地層中(尤其是含大直徑漂石)長距離隧道掘進(jìn)的工況下，提出了盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)廠家關(guān)于刀具配置新的設(shè)計(jì)理念和思路。最后提出了刀具配置設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素。關(guān)鍵詞：刀具種類;切削原理;配置方式;刀具設(shè)計(jì)abstract:tbm(tunnelboringmachine)cuttingtoolsconfigurationisoneofthemostimportantfac

2、torduringtbmcuttingtooldesign.thisarticlefocusondescribethetypeofcuttingtoolsandcuttingtheory,meanwhile,thedetailcuttingtoolsconfigurationhasbeenproposedduetodifferentgeologiccondition.analyzedthediscrepantcuttingtoolconfigurationand“thecontradictoryphenomenon”.accordingtothereferenceproject,anewcut

3、tingtoolsconfigurationdesignthought&theoryisproposedfromtbmmanufactureforlongdistancetunnelexcavationingravelgeologiccondition(especiallycontentbigboulder).attheendofthisarticle,thenecessaryconsiderationfactorisprovidedduringcuttingtoolsconfigurationdesign.keywords:typeofcuttingtools;cuttingtheory;c

4、uttingtoolsconfiguration;cuttingtoolsdesign0 引言盾構(gòu)機(jī)刀具的配置是盾構(gòu)機(jī)刀具設(shè)計(jì)中是非常重要的內(nèi)容，其配置是否適合應(yīng)用工程的地質(zhì)條件，直接影響盾構(gòu)機(jī)的刀盤的使用壽命、切削效果、出土狀況、掘進(jìn)速度和施工效率。1 刀具種類和切削原理1.1 切刀(齒刀，刮刀)切刀是軟土刀具，布置在刀盤開口槽的兩側(cè)，其切削原理是盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)的同時(shí)，切刀隨刀盤旋轉(zhuǎn)對開挖面土體產(chǎn)生軸向(沿隧道前進(jìn)方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉(zhuǎn)切線方向)切削力，在刀盤的轉(zhuǎn)動下，刀刃和刀頭部分插入到地層內(nèi)部，不斷將開挖面前方土體切削下來。切削刀一般適用于粒徑小于 400mm 的砂、卵石、粘土等松

5、散體地層。1.2 先行刀(超前刀)先行刀是先行切削土體的刀具，超前切刀布置。先行刀在設(shè)計(jì)中主要考慮與其它刀具組合協(xié)同工作。先行刀在切刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切刀創(chuàng)造良好的切削條件。先行刀的切削寬度一般比切刀窄，切削效率較高。采用先行刀，可顯著增加切削土體的流動性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，減少切刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層先行刀的使用效果十分明顯。1.3 貝型刀 貝型刀實(shí)質(zhì)上是超前刀，盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時(shí)，若采用滾刀型刀具，因土體屑松散體，在滾刀掘進(jìn)擠壓下會產(chǎn)生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時(shí)甚至喪失切削破碎能力。

6、將其布置在刀盤盤圈前端面，專用于切削砂卵石。1.4 中心刀(魚尾刀、雙刃或三刃滾刀、錐形刀、中心羊角刀)在軟土地層掘進(jìn)時(shí)，因刀盤中心部位不能布置切刀，為改善中心部位土體的切削和攪拌效果，可在中心部位設(shè)計(jì)一把尺寸較大的魚尾刀(羊角刀)，一般魚尾刀超前 600mm 左右。魚尾刀的設(shè)計(jì)和配置方式如下：其一讓盾構(gòu)分兩步切削土體，利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面土體，而后擴(kuò)大到全斷面切削土體，即將魚尾刀設(shè)計(jì)與其它切刀不在一個(gè)平面上，即魚尾刀超前切刀布置，保證魚尾刀最先切削土體;其二是將魚尾刀根部設(shè)計(jì)成錐形，使刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)隨魚尾刀切削下來的土體，在切向、徑向運(yùn)動的基礎(chǔ)上，又增加一項(xiàng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動，這樣既可解決中心

7、部分土體的切削問題和改善切削土體的流動性和攪拌效果，又大大提高盾構(gòu)整體掘進(jìn)效果。在純硬巖地層掘進(jìn)時(shí)，到盤中心位置布置雙刃或三刃滾刀。1.5 仿形刀(或超挖刀)盾構(gòu)機(jī)一般設(shè)計(jì)兩把仿形刀(一把備用)，布置在刀盤的邊緣上。施工時(shí)可以根據(jù)超挖多少和超挖范圍的要求，從邊緣徑向伸出和縮回仿形刀。仿形刀伸出最大值一般在 70150mm 之間。盾構(gòu)機(jī)在曲線段推進(jìn)、轉(zhuǎn)彎或糾偏時(shí)，通過仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構(gòu)機(jī)在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下，實(shí)現(xiàn)曲線推進(jìn)和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏。滾刀超挖刀柱形超挖刀1.6 滾刀和刮碴板在純硬巖地層掘進(jìn)時(shí)，采用滾刀破巖。滾刀破巖的原理是依靠刀具滾動產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的

8、作用達(dá)到破碎巖石的目的。滾刀的類型、數(shù)量、布置方式、位置、超前量根據(jù)巖層的強(qiáng)度和整體性、掘進(jìn)距離、含砂量等特點(diǎn)確定。穿越松散地層但有大粒徑的礫石 (粒徑大于 400mm)、并且含量達(dá)到一定比例時(shí)，也可采用滾刀型刀具。在隧道地質(zhì)條件復(fù)雜多變、巖石(強(qiáng)度不算太高)與一般土體(或粘土或砂土)交錯頻繁出現(xiàn)的情況，也有可能采用滾刀型刀具，即在復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)中采用。1.6.1 滾刀分為齒形(球齒、楔齒)滾刀和盤形滾刀1.6.2 滾刀刀圈的材質(zhì)是滾刀能否勝任掘進(jìn)硬巖的關(guān)鍵。盤形滾刀根據(jù)刀圈不同一般有以下4 種類型(1)耐磨層表面刀圈：適用于掘進(jìn)硬度 40mpa 的緊密地層，硬度 80100mpa 的斷裂礫巖、

9、砂巖、砂粘土等地層。(2)標(biāo)準(zhǔn)鋼刀圈：適用于掘進(jìn)硬度 50150mpa 的礫巖、大理石、砂巖、灰?guī)r地層。(3)重型鋼刀圈：適用于掘進(jìn)硬度 120250mpa 的硬巖，硬度 80150mpa 的高磨損巖層，如花崗巖、閃長巖、斑巖、蛇紋石及玄武巖等地層。 (4)鑲齒硬質(zhì)合金刀圈適用于掘進(jìn)硬度高達(dá) 150250mpa 的花崗巖、玄武巖、斑巖及石英巖等地層。1.6.3 刮碴板的作用是將滾刀破碎的巖碴，及時(shí)排出，防止?jié)L刀對巖碴的二次破碎，保護(hù)滾刀。前刮碴板主要鏟裝刀盤前方的落碴，鏟裝量大，磨損較快，后刮碴板主要鏟裝下護(hù)盾推進(jìn)中從隧道底部堆積起來的碴石，鏟裝量小，磨損較小。2 刀具配置方式刀具的布置方式需

10、要充分考慮工程地質(zhì)情況，進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，不同的工程地質(zhì)特點(diǎn)，采用不同的刀具配置方案，以獲得良好的切削效果和掘進(jìn)速度。根據(jù)地質(zhì)條件特點(diǎn)，可以大致分為四種地層：軟弱土地層;砂層、砂卵石地層;風(fēng)化巖及軟硬不均地層;單純的純硬巖地層。2.1 軟弱土地層如南京、上海、杭州等地，其地質(zhì)條件主要以淤泥、粘土和粉質(zhì)粘土為主，在軟弱土地層一般只需配置切削型刀具，如：切刀、周邊刮刀、中心刀、先行刀和超挖刀。以南京地鐵盾構(gòu)為例，刀盤采用面板式結(jié)構(gòu)，裝有1 把魚尾形中心刀，120 把切刀，16 把周邊刮刀及1 把仿形刀。切刀安裝在開口槽的兩側(cè)，覆蓋了整個(gè)進(jìn)碴口的長度。刮刀安裝在刀盤邊緣。由于刀盤需要正反旋轉(zhuǎn)，因此切刀

11、的布置也在正反方向布置，為了提高切刀的可靠性，在每個(gè)軌跡上至少布置 2 把。在周邊工作量相對較大，磨損后對盾構(gòu)切口環(huán)尺寸影響較大，在正反方向各布置了 8 把刮刀?？紤]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，便于更換。在切刀或刮刀的刃口和刃口背面鑲嵌有合金和耐磨材料，以延長刀具的使用壽命，切刀的破巖能力為 20mpa，可以順利地通過進(jìn)出洞端頭的加固地層。2.2 砂層、砂卵石地層如北京、成都其地質(zhì)條件主要以砂，卵石地層為主，如遇到粒徑較大的礫石或漂石，應(yīng)配置滾刀進(jìn)行破碎。在砂層、砂卵石地層施工時(shí)，需設(shè)置(寬幅)切刀、周邊刮刀、先行刀(重型撕裂刀)、中心刀、仿形刀等刀具。切刀是

12、主刀具，用于開挖面大部分?jǐn)嗝娴拈_挖;周邊刮刀也稱保徑刀，用于切削外周的土體，保證開挖斷面的直徑;先行刀在開挖面沿徑向分層切削，預(yù)先疏松土體，降低切刀的沖擊荷載，減少切削力矩，同時(shí)重型撕裂刀用于破碎強(qiáng)度較低和粒徑較小的卵石和礫石;中心刀用于開挖面中心斷面的開挖，起到定心和疏松部分土體的作用;仿形刀用于曲線開挖和糾偏。滾刀用于破碎粒徑較大的礫石或漂石。2.3 風(fēng)化巖及軟硬不均地層如廣州、深圳，上軟下硬、地質(zhì)不均的復(fù)合地層，且局部巖石的單軸抗壓強(qiáng)度較高(150-200mpa)，除配置切削型刀具外包括寬幅切刀、先行刀，還需配置滾刀，因而刀盤結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。對于巖層首先通過滾刀進(jìn)行破巖，且滾刀的超前量應(yīng)大

13、于切刀的超前量，在滾刀磨損后仍能避免切刀進(jìn)行破巖，確保切刀的使用壽命。在曲線半徑小的隧道掘進(jìn)時(shí)，為了保證盾構(gòu)的調(diào)向和避免盾殼被卡死，需要有較大的開挖直徑，因此刀盤上需配置滾刀型的仿形刀(或超挖刀)。2.4 單純的純硬巖地層如秦嶺 1 線隧道，隧道斷面范圍內(nèi)以混合片麻巖和混合花崗巖兩種巖石為主，刀具全部選用滾刀，無任何齒刀。有時(shí)，在刀盤面板周邊開口處配備刮碴刮刀板。3 刀具配置的差異性在復(fù)合地層施工中，刀具配置的差異性主要表現(xiàn)在滾刀和先行刀的配置數(shù)量和刀具的高度、組合高度差等方面。例如，海瑞克公司刀盤滾刀和固定先行刀高出面板 175mm 和 140mm，三菱公 司刀盤滾刀和固定先行刀高出面板 9

14、0mm 和 70mm。兩種刀具的高差為 35mm 和 20mm，前者的設(shè)計(jì)較好，具體表現(xiàn)為刀具高對防止泥餅的形成有利，高度差大有利于破巖。滾刀的刀間距過大和過小都不利于破巖，間距過大，滾刀間會出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象，間距過小，滾刀間會出現(xiàn)小碎塊現(xiàn)象，降低破巖功效。在復(fù)合地層中周邊滾刀的間距一般小于 90mm，正面滾刀的間距為 100120mm(參照國內(nèi)外施工實(shí)例，巖石強(qiáng)度高時(shí)，滾刀的間距應(yīng)控制在 7090mm 的范圍內(nèi)比較合理)。4 復(fù)合地層中刀具配置的“矛盾”現(xiàn)象硬巖地層只需滾刀，但有時(shí)必須安裝切刀(或刮碴板)，切刀在破硬巖過程中幾乎沒有作用，由于貫入度和高度差的原因，產(chǎn)生瞬間沖擊荷載，切刀被磨平

15、或被崩斷。在復(fù)合地層中，有些砂、卵石地層或同一斷面中有硬巖和軟巖，所以刀盤必須配備切刀和先行刀以對應(yīng)非硬巖的需要。同理，在軟巖和軟土地情況下，本不需安裝滾刀，但在由于可能存在部分硬巖，又必須安裝滾刀，導(dǎo)致滾刀嚴(yán)重?fù)p壞，失去破巖功能。5 砂卵石地層中(尤其含大直徑漂石)長距離隧道掘進(jìn)的工況下，刀具配置新的設(shè)計(jì)理念和思路北京地鐵 9 號線 06 標(biāo)段，盾構(gòu)單線隧道長度約為 1238m，地層主要為卵石層、圓礫層、強(qiáng)風(fēng)化中風(fēng)化礫巖層、強(qiáng)風(fēng)化粘土巖，局部為粉質(zhì)粘土層和細(xì)砂層。開挖面圍巖不穩(wěn)定，粘土巖和強(qiáng)風(fēng)化礫巖的單軸抗壓強(qiáng)度為 0.32.0mpa，為極軟巖。詳勘報(bào)告中推測大于400mm 粒徑卵石含量為

16、15%40%，隧道附近基坑內(nèi)有 15002000mm 漂石，不排除有粒徑更大的漂石存在，且隨機(jī)分布。隨機(jī)取樣卵石和礫石的單軸抗壓強(qiáng)度為 120187mpa，石英和長石含量為 70%95%。盾構(gòu)廠家針對本標(biāo)段的地層在刀具配置方面提出了新的設(shè)計(jì)理念和思路。為了使刀具能夠充分發(fā)揮作用，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)使用了 3130mm 大直徑軸承，配備了 1200kw 的驅(qū)動動力，使刀盤的托困扭矩為 774t.m，轉(zhuǎn)速可達(dá) 03.2rpm，同時(shí)在刀盤面板和周邊焊接碳化鉻超硬耐磨板和耐磨網(wǎng)。刀具布置方面(初步預(yù)案)，開口槽密排寬幅切刀 100 把(帶耐磨合金頭)、面板上配備大橫斷面高耐磨雙層碳化鎢重型撕裂刀(先行刀)31

17、 把、刀盤外周和邊緣位置配備雙刃(17”)滾刀 10 把，中心錐形刀 1 把。滾刀和重型撕裂刀采用刀盤后裝式，可通過刀盤內(nèi)的轉(zhuǎn)接箱方便地進(jìn)行拆卸、互換。刀具的破巖原理，利用刀盤高速轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的沖擊慣性能量，通過滾刀和大橫斷面重型撕裂刀進(jìn)行卵石、礫石和漂石的刀盤前“錘擊”破碎。但由于是在軟巖地層中掘進(jìn)，卵石、礫石和漂石在基巖內(nèi)不能被固定，不能提供給滾刀足夠的轉(zhuǎn)動力矩和滾刀切巖的支撐力，導(dǎo)致滾刀破巖失效。6 刀具配置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素6.1 實(shí)際施工時(shí)會遇到各種復(fù)雜地層，地質(zhì)資料提供的只是部分的鉆探資料，不能完全準(zhǔn)確反映實(shí)際地質(zhì)情況，因此在進(jìn)行刀具配置設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮對地質(zhì)進(jìn)行充分的分析和研究，刀具配

18、置要有一定的富余和能力儲備;6.2 不同的工程地質(zhì)需配置不同的刀具，軟土地層只需配置切削型刀具;砂卵石地層除配置切刀外，還需配置先行刀;風(fēng)化巖及軟硬不均地層除配置切削型刀具外，還需配置先行刀、滾刀;在復(fù)合地層中，要保證不同種類刀具相互可換性; 6.3 刀具配置要覆蓋整個(gè)開挖斷面，為保證刀盤受力均衡，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，刀具要對稱性布置;切刀要正反方向布置，同時(shí)要確保每個(gè)軌跡有 2 把切刀;對切刀排列方式進(jìn)行選擇，整體連續(xù)排列或牙型交錯排列;通過周邊刀保證開挖直徑;保證滾刀純滾動，要考慮周邊滾刀的安裝角度，同時(shí)增加周邊滾刀的數(shù)量;6.4 刀具安裝通過螺栓固定或設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接箱，便于安裝、拆裝、更換和修理方便;6.5 通過合理選擇耐磨材料和合金鑲嵌技術(shù);對刀盤和開口槽進(jìn)行耐磨處理;對加泥、加泡沫系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，減少刀具掘進(jìn)磨損和沖擊，提高刀具的耐久性，延長刀