盾構(gòu)刀具大解析

1、1北京鐵城建設(shè)監(jiān)理北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司2目目 錄錄北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 3一、盾構(gòu)刀具一、盾構(gòu)刀具v對于盾構(gòu)機(jī)來說對于盾構(gòu)機(jī)來說, ,掘削系統(tǒng)掘削系統(tǒng)即是掘削即是掘削刀盤及其驅(qū)動系統(tǒng)。掘削系統(tǒng)對于盾刀盤及其驅(qū)動系統(tǒng)。掘削系統(tǒng)對于盾構(gòu)機(jī)的施工效果有著決定性的影響構(gòu)機(jī)的施工效果有著決定性的影響, ,而且選擇的差異對盾構(gòu)機(jī)造價也有著而且選擇的差異對盾構(gòu)機(jī)造價也有著很大的影響很大的影響, ,刀盤選型可以影響到總刀盤選型可以影響到總造價的造價的4 48 8, ,尤其掘削設(shè)備的裝尤其掘削設(shè)備的裝備扭矩是盾構(gòu)機(jī)最基本的參數(shù)之一。備扭矩是盾構(gòu)機(jī)最基本的參數(shù)之一。v盾構(gòu)機(jī)掘削刀盤盾構(gòu)機(jī)掘削刀盤即

2、作轉(zhuǎn)動或搖動的盤即作轉(zhuǎn)動或搖動的盤狀掘削器，由掘削地層的刀具，穩(wěn)定狀掘削器，由掘削地層的刀具，穩(wěn)定掘削面的面板，出土槽口，轉(zhuǎn)動或搖掘削面的面板，出土槽口，轉(zhuǎn)動或搖動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，軸承機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，軸承機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。 某刀盤實物照片 北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 4北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 攪拌棒某刀盤主驅(qū)動主軸承刀盤驅(qū)動系統(tǒng)示意圖 刀盤攪拌結(jié)構(gòu)5北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 6盾構(gòu)機(jī)刀具可根據(jù)運(yùn)動方式、布置位置和方式及形狀等進(jìn)行分類。按切削原理劃分，盾構(gòu)機(jī)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。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 按運(yùn)動

3、方式分類按安裝方式分類7北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 按安裝位置分類 1-8號中心齒刀8北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 種類名稱用途 設(shè)置部位固定刀具掘削掘削面面板正面旋轉(zhuǎn)刀具掘削掘削面面板正面超前刀具超前掘削面板正面導(dǎo)向鉆頭破碎地層面板正面外沿保護(hù)刀具保護(hù)刀盤外沿面板正面外沿修邊刀具 減小推進(jìn)阻力面板外沿背面保護(hù)刀具保護(hù)背面面板面板背面加泥嘴保護(hù)刀具保護(hù)加泥嘴加泥嘴部位掘削障礙物刀具掘削障礙物面板正面外圍刀具按掘削目的、設(shè)置位置和用途的分類9北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 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北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 切削刀的實物照片

4、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北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 切削刀的實物照片k) 牛角刀 l) 羊角刀 m）三棱刮刀 12北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 注：等級注：等級A A、B B、C C、D D，從左至右，質(zhì)量依次提高；脫氧方法，從左至右，質(zhì)量依次提高；脫氧方法F F表示沸騰鋼，表示沸騰鋼，Z Z表示鎮(zhèn)靜鋼，表示鎮(zhèn)靜鋼，b b表示半鎮(zhèn)靜鋼，表示半鎮(zhèn)靜鋼，TZTZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼；表示特殊鎮(zhèn)靜鋼；Q235-AQ235-A，Q235-BQ235-B沸騰鋼含錳量上限為沸騰鋼含錳量上限為0.60%0.60%。3 刀具的

5、材料 海瑞克海瑞克周邊刀的刀體是德國產(chǎn)鋼號為周邊刀的刀體是德國產(chǎn)鋼號為St52-3St52-3的鋼的鋼材，其性能相當(dāng)于國產(chǎn)的低碳鋼材，其性能相當(dāng)于國產(chǎn)的低碳鋼Q235Q235，Q235Q235鋼的化學(xué)鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見下表。由表可知，該材料的韌性較成分和力學(xué)性能見下表。由表可知，該材料的韌性較好但硬度較低。好但硬度較低。Q235鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能等等級級化學(xué)成分化學(xué)成分脫氧方法脫氧方法抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b b/MPa/MPa伸長率伸長率z z(%)(%)硬度硬度(HB)(HB)C CMnMnSiSi( () )S S( () )P P( () )A A0.14-0.14-0.220.2

6、20.30-0.30-0.650.650.0350.0350.0500.0500.0450.045F,bF,b，Z Z375-400375-40021-2621-26180-180-220220B B0.12-0.12-0.200.200.30-0.30-0.650.650.0450.045C C0.180.180.30-0.30-0.650.650.0400.0400.0400.040Z ZD D0.170.170.0350.035TZTZ13北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 海瑞克海瑞克周邊刀的刃口主要承受高應(yīng)力周邊刀的刃口主要承受高應(yīng)力的磨粒磨損，周邊刀迎土面釬焊有的磨粒磨損，周邊刀迎土面釬

7、焊有球齒球齒，球齒材料為硬質(zhì)合金，主要用于承受砂球齒材料為硬質(zhì)合金，主要用于承受砂礫、卵石的磨粒磨損與沖擊。礫、卵石的磨粒磨損與沖擊。種種類類特性值特性值化學(xué)成份（化學(xué)成份（% %）用途用途硬度硬度(HRA)(HRA)抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度(MPa)(MPa)W WC C0 0C CE E1 1909012001200878790904 48 85 56 6E E2 2898914001400858589895 510105 56 6E E3 3888816001600838387877 712125 56 6盾構(gòu)刀具盾構(gòu)刀具E E4 4878717001700828286868 813135 56

8、 6盾構(gòu)刀具盾構(gòu)刀具E E5 5868620002000787885859 917175 56 6砂層刀具砂層刀具超超硬硬鋼鋼的的種種類類及及特特性性 14北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 海瑞克海瑞克齒刀由齒刀由、端部硬質(zhì)合金刀片端部硬質(zhì)合金刀片和和背部背部球齒球齒構(gòu)成。構(gòu)成。15北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 海瑞克海瑞克刮刀是用硬質(zhì)合金鋼做為刮刀是用硬質(zhì)合金鋼做為刀頭刀頭，高耐，高耐磨合金鋼作為磨合金鋼作為刀體刀體。16v其它進(jìn)口盾構(gòu)刀具在材料方面由兩至其它進(jìn)口盾構(gòu)刀具在材料方面由兩至三種構(gòu)成，即基體材料、硬質(zhì)合金材三種構(gòu)成，即基體材料、硬質(zhì)合金材料、刀具刃口堆焊材料等復(fù)合制成。料、刀具刃口堆

9、焊材料等復(fù)合制成。下表為一種用于盾構(gòu)機(jī)刀具刃口的鐵下表為一種用于盾構(gòu)機(jī)刀具刃口的鐵基堆焊材料的化學(xué)成分和性能。基堆焊材料的化學(xué)成分和性能。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 一種鐵基刀具刃口堆焊材料的化學(xué)成分和性能一種鐵基刀具刃口堆焊材料的化學(xué)成分和性能化學(xué)成分化學(xué)成分硬度硬度（HRCHRC）C CCrCrNiNiSiSiMnMnMoMoFeFe0.1-0.30.1-0.35-105-101-31-3110.5-20.5-20.540)(N40)砂礫卵石砂礫卵石(10N40)(10N40)洪積土洪積土( (砂質(zhì)土砂質(zhì)土) )(10N25)沖擊粘土沖擊粘土(0N10)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)18v(1) (1)

10、 切削刀切削刀v切削刀是盾構(gòu)機(jī)切削開挖面土體的主刀具，切削刀一切削刀是盾構(gòu)機(jī)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，般形狀如左下圖所示。一般情況下，(前角前角) )與與(后角后角) )值隨切削地層特性不同變化，取值范圍在值隨切削地層特性不同變化，取值范圍在5 52020度之間，粘土地層稍大，砂卵石地層稍小。度之間，粘土地層稍大，砂卵石地層稍小。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 切削刀一般形狀示意圖 三棱刮刀 19 切削刀為盾構(gòu)機(jī)開挖非巖質(zhì)地層的基本刀具，其形狀、切削刀為盾構(gòu)機(jī)開挖非巖質(zhì)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布局將對開挖效果有

11、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(jīng)滾刀破碎后的碴土將通過切見下圖。對于軟土地層或經(jīng)滾刀破碎后的碴土將通過切刀和刮刀進(jìn)行開挖。碴土隨切刀、刮刀正面進(jìn)入碴槽，刀和刮刀進(jìn)行開挖。碴土隨切刀、刮刀正面進(jìn)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。因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有裝載的功能。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 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(shè)計中主顧名思義，超前刀即為先行切削土體的刀具。超前刀在設(shè)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

12、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斷面小。采用超前刀采用超前刀，一般可顯著增加切削土體的流動性，大大降低切削刀，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，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。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超前刀刀具形狀及與切

13、削刀協(xié)同切削土體的示意圖見左見左下圖。下圖。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 (2) (2) 超前刀超前刀( (也稱先行刀也稱先行刀) )超前刀21北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 22 盤圈貝型刀實質(zhì)上是超前刀，盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層，盤圈貝型刀實質(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，若采用滾刀型刀具，因土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(jìn)擠壓下會產(chǎn)生較大變形，大大體屬松散體，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，有時甚至喪失切削破碎能力。采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，將其布置在用盤圈貝型刀

14、，將其布置在刀盤盤圈刀盤盤圈前端面，專用于切前端面，專用于切削砂卵石，可較好地解決盾構(gòu)機(jī)切削土體削砂卵石，可較好地解決盾構(gòu)機(jī)切削土體( (砂卵石砂卵石) )的難的難題。題。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 (3) (3) 盤圈貝型刀盤圈貝型刀盤圈貝型刀實物照片盤圈貝型刀實物照片盤圈貝型刀示意圖盤圈貝型刀示意圖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(yùn)動圓周逐漸減小，置的切削刀，從刀盤外周至中心，運(yùn)動圓周逐漸減小，中心點理論上可以視為零，相應(yīng)土體流動狀態(tài)也是越中心點理論上可以視為零，相應(yīng)土體流動狀態(tài)也是越來越差。而且中心支

15、撐部位來越差。而且中心支撐部位( (直徑約直徑約1.5 m)1.5 m)不能布置不能布置切削刀，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(shè)計一把尺寸較大的魚尾刀?？紤]在中心部位設(shè)計一把尺寸較大的魚尾刀。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 (4) (4) 魚尾刀魚尾刀魚尾刀示意圖 24北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 根據(jù)經(jīng)驗，魚尾刀的設(shè)計和布置可應(yīng)用根據(jù)經(jīng)驗，魚尾刀的設(shè)計和布置可應(yīng)用：其一讓盾構(gòu)機(jī)分兩其一讓盾構(gòu)機(jī)分兩步切削土體，利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面步切削土體，利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面( (直徑約直徑約1.5 1.5 m)m)土

16、體，而后擴(kuò)大到全斷面切削土體土體，而后擴(kuò)大到全斷面切削土體，即將魚尾刀設(shè)計與其他切削，即將魚尾刀設(shè)計與其他切削刀不在一個平面上，一般魚尾刀超前刀不在一個平面上，一般魚尾刀超前600 mm600 mm左右，保證魚尾刀最先切削土左右，保證魚尾刀最先切削土體；體；其二是將魚尾刀根部設(shè)計成錐形其二是將魚尾刀根部設(shè)計成錐形，使刀盤旋轉(zhuǎn)時隨魚尾刀切削下，使刀盤旋轉(zhuǎn)時隨魚尾刀切削下來的土體，來的土體，在切向、徑向運(yùn)動的基礎(chǔ)上，又增加一項翻轉(zhuǎn)運(yùn)動在切向、徑向運(yùn)動的基礎(chǔ)上，又增加一項翻轉(zhuǎn)運(yùn)動( (如同犁地一般如同犁地一般) )：這樣既可解決中心部分土體的切削問題和改善切削土體：這樣既可解決中心部分土體的切削問題

17、和改善切削土體的流動性，又大大提高盾構(gòu)機(jī)整體掘進(jìn)水平。的流動性，又大大提高盾構(gòu)機(jī)整體掘進(jìn)水平。魚尾刀切削土體示意圖魚尾刀切削土體示意圖 25北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 (5) (5) 仿形刀仿形刀 盾構(gòu)機(jī)一般設(shè)計兩把仿形刀盾構(gòu)機(jī)一般設(shè)計兩把仿形刀( (一把備用一把備用) )，布置在輻條的，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(dá)到仿形切削的目的。仿形條兩端徑向伸出和縮回仿形刀，達(dá)到仿形切削的目的。仿形刀伸出最大值一般在刀伸出最大值一般在8080130mm130mm之間。盾構(gòu)機(jī)在曲線段推進(jìn)

18、、之間。盾構(gòu)機(jī)在曲線段推進(jìn)、轉(zhuǎn)彎或糾偏時，通過仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證轉(zhuǎn)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(gòu)機(jī)在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下，實現(xiàn)曲線推盾構(gòu)機(jī)在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下，實現(xiàn)曲線推進(jìn)和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏。進(jìn)和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏。26北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 根據(jù)廣州及深圳地鐵建設(shè)經(jīng)驗，隨著城市軌道路網(wǎng)根據(jù)廣州及深圳地鐵建設(shè)經(jīng)驗，隨著城市軌道路網(wǎng)的延伸及建設(shè)力度的加大，盾構(gòu)區(qū)間不僅需穿越常見的的延伸及建設(shè)力度的加大，盾構(gòu)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

19、要考慮在軟巖中開挖的需要，也要考慮在硬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(rèn)為刮刀適用于土層及部分軟巖，盤巖中的要求。一般認(rèn)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(qiáng)度很高的巖形滾刀適用于硬巖，其中單刃滾刀能用在強(qiáng)度很高的巖石中，國外曾有在抗壓強(qiáng)度超過石中，國外曾有在抗壓強(qiáng)度超過200 MPa200 MPa巖石中應(yīng)用的工巖石中應(yīng)用的工程記錄。程記錄。 (6) 6) 滾刀滾刀盤形滾刀圈 盤形滾刀27北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 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

20、旋轉(zhuǎn)，盤形滾刀一方面繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，同時繞自著刀盤的旋轉(zhuǎn)，盤形滾刀一方面繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，同時繞自身軸線自轉(zhuǎn)。滾刀在刀盤的推力、扭矩作用下，在掌子面上切身軸線自轉(zhuǎn)。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(dāng)推力超過巖石的強(qiáng)度時，盤形滾刀出一系列的同心圓溝槽。當(dāng)推力超過巖石的強(qiáng)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)和放射狀裂紋裂紋; ;進(jìn)一步加壓，當(dāng)滾刀間距進(jìn)一步加壓，當(dāng)滾刀間距S S滿足一定條件時，相鄰滾刀間滿足一定條件時，相鄰滾刀間巖石內(nèi)裂紋延伸并相互貫通，形成巖石碎片而崩落，盤形滾刀巖石內(nèi)

21、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。完成一次破巖過程。28北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 硬巖滾刀破巖主要分為以下幾個步驟：硬巖滾刀破巖主要分為以下幾個步驟： 1) 1) 擠壓階段擠壓階段：滾刀在高推力作用下，切入巖石表面：滾刀在高推力作用下，切入巖石表面( (切入深切入深度度1 110/15mm10/15mm，取決于巖體強(qiáng)度，取決于巖體強(qiáng)度) )，同時巖面產(chǎn)生局部變形及很，同時巖面產(chǎn)生局部變形及很高的接觸應(yīng)力。并在此應(yīng)力作用下，刀刃與巖石接觸部分的巖體高的接觸應(yīng)力。并在此應(yīng)力作用下，刀刃與巖石接觸部分的巖體產(chǎn)生產(chǎn)生粉碎區(qū)粉碎區(qū)，即應(yīng)力核心區(qū)。此核心區(qū)深度越深、范圍

22、越大對提，即應(yīng)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。高破巖效率越明顯。29北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 2) 2) 起裂階段起裂階段：沿粉碎區(qū)周邊應(yīng)力大于巖體的抗拉強(qiáng)度或抗剪：沿粉碎區(qū)周邊應(yīng)力大于巖體的抗拉強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度時，便產(chǎn)生張拉裂縫。該裂縫是滾刀能否破巖的先訣條件。強(qiáng)度時，便產(chǎn)生張拉裂縫。該裂縫是滾刀能否破巖的先訣條件。在應(yīng)力核心區(qū)下層是應(yīng)力過渡區(qū)，該區(qū)為應(yīng)力衰減區(qū)，對巖體裂在應(yīng)力核心區(qū)下層是應(yīng)力過渡區(qū)，該區(qū)為應(yīng)力衰減區(qū)，對巖體裂縫的產(chǎn)生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂縫，由于其縫的產(chǎn)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

23、能顯著地提高破巖效率，但能加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(yīng)力范圍。大下個循環(huán)中壓入階段應(yīng)力范圍。30北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 3)3)破碎階段破碎階段：當(dāng)相鄰滾刀的間距使起裂階段產(chǎn)生的裂縫相互：當(dāng)相鄰滾刀的間距使起裂階段產(chǎn)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。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北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 1) 1) 巖石硬度：巖石硬度： 在刀具擠壓階段，必須保證刀具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，形成必要深度的要高于巖石硬度，才能切

24、入巖石表面，形成必要深度的應(yīng)力核心區(qū)。應(yīng)力核心區(qū)。2) 2) 抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度：刀具切入巖石表面后，當(dāng)應(yīng)力大于巖石刀具切入巖石表面后，當(dāng)應(yīng)力大于巖石抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度( (單向應(yīng)力條件單向應(yīng)力條件) )或抗壓強(qiáng)度與地層主應(yīng)力組合或抗壓強(qiáng)度與地層主應(yīng)力組合值值( (三向應(yīng)力條件三向應(yīng)力條件) )時才能形成粉碎區(qū)，以保證裂縫產(chǎn)生時才能形成粉碎區(qū)，以保證裂縫產(chǎn)生位置具有一定深度。位置具有一定深度。3) 3) 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度：是裂縫形成的力學(xué)原因。是裂縫形成的力學(xué)原因。影響裂縫能否形成的直接因素有影響裂縫能否形成的直接因素有：32北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 根據(jù)以往工程實踐及試驗數(shù)據(jù)，影響破巖效率的

25、因素有： 1) 脆性脆性/塑性塑性:是對抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的綜合評價，適用于抗壓強(qiáng)度較大(小)，而抗拉強(qiáng)度較小(大)巖石。有關(guān)文獻(xiàn)資料顯示在同樣條件下，脆性巖體在擠壓階段所需時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于塑性巖體(約八分之一)。 2) 耐磨性耐磨性:本指標(biāo)直接關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率，是承包商進(jìn)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(jìn)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(dá)0.2hr/m。影響破巖效率的因素影響破巖效率的因素：33北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 (7)

26、(7) 齒刀齒刀 在巖石較軟的情況下掘進(jìn)時，由于盤形滾刀與巖在巖石較軟的情況下掘進(jìn)時，由于盤形滾刀與巖石掌子面之間不能產(chǎn)生一定的附著力，將導(dǎo)致滾刀石掌子面之間不能產(chǎn)生一定的附著力，將導(dǎo)致滾刀不能滾動而產(chǎn)生不能滾動而產(chǎn)生弦磨弦磨，滾刀不能滾動將失去有效的，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(yīng)將部分盤形滾破巖功能。因此，在較軟的巖層中應(yīng)將部分盤形滾刀更換成齒刀，利用齒刀進(jìn)行破巖。由于齒刀上裝刀更換成齒刀，利用齒刀進(jìn)行破巖。由于齒刀上裝有有2 2個切削刃，因此刀盤正反轉(zhuǎn)時齒刀都能進(jìn)行破個切削刃，因此刀盤正反轉(zhuǎn)時齒刀都能進(jìn)行破巖。巖。齒齒刀刀破破巖巖機(jī)機(jī)理理圖圖34刀具布置有兩種方

27、式刀具布置有兩種方式：第一種為第一種為刀具整體連續(xù)排列刀具整體連續(xù)排列方式，因其切削阻力較大，方式，因其切削阻力較大，盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)土體流動性差，現(xiàn)已很少使用，僅偶爾在切削盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)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(zhì)地層中采用；阻力小的淤泥質(zhì)地層中采用；第二種為第二種為刀具牙型交錯連續(xù)排列刀具牙型交錯連續(xù)排列方式，因其切削阻力小、方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封艙內(nèi)土體流動性好和易攪拌而被廣泛使用。切削效率高、密封艙內(nèi)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。目前世界上基本均采用牙型交錯連續(xù)排列方式。刀具選擇與布置刀具選擇與布置：

28、盾構(gòu)開挖性能主要通過刀具的選擇和布置來保證。盾構(gòu)開挖性能主要通過刀具的選擇和布置來保證。根據(jù)不同根據(jù)不同地質(zhì)情況選用不同類型的刀具及刀具組合，實現(xiàn)刀具配置的靈地質(zhì)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(gòu)機(jī)上常用的主要刀具有便性，提高刀盤的開挖效率。目前盾構(gòu)機(jī)上常用的主要刀具有切刀、刮刀、齒刀、雙刃滾刀、單刃滾刀、擴(kuò)孔刀等。切刀、刮刀、齒刀、雙刃滾刀、單刃滾刀、擴(kuò)孔刀等。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 6 6 刀具布置與配置刀具布置與配置35北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 刀具的示意圖和實物照片滾刀滾刀海海瑞瑞克克盾盾構(gòu)構(gòu)刀刀盤盤齒刀齒刀刮刀刮刀367 某

29、盾構(gòu)施工的刀具配置某盾構(gòu)施工的刀具配置 北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 這里介紹廣州地區(qū)某大型地下工程盾構(gòu)法開挖過程中的這里介紹廣州地區(qū)某大型地下工程盾構(gòu)法開挖過程中的刀具配置。選用盾構(gòu)機(jī)為德國海瑞克公司生產(chǎn)的土壓平衡刀具配置。選用盾構(gòu)機(jī)為德國海瑞克公司生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，刀盤為面板式，刀盤的開口面積占刀盤總面積式盾構(gòu)機(jī)，刀盤為面板式，刀盤的開口面積占刀盤總面積的的28%左右。刀盤采用液壓驅(qū)動，并配備了泡沫注入系統(tǒng)、左右。刀盤采用液壓驅(qū)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。能。37北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限

30、責(zé)任公司 軟土地層刀具配置軟土地層刀具配置 配置了配置了3 3種軟土刀具種軟土刀具: :切刀切刀6464把、弧形把、弧形刮刀刮刀3232把、把、齒刀齒刀1414把把( (齒刀與盤型滾刀可以互換安裝，但刀盤周邊的齒刀與盤型滾刀可以互換安裝，但刀盤周邊的5 5把把滾刀滾刀不不能更換為齒刀能更換為齒刀) )。 在粘土地層刀具壽命較長，在砂性地層壽命相對較短。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(jié)構(gòu)相對簡單。安裝采用螺栓固定以便于更換，軟土地層刀盤結(jié)構(gòu)相

31、對簡單。切刀切刀 滾刀滾刀 齒刀齒刀 刮刀刮刀38北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 由于刀盤需要正反旋轉(zhuǎn)，因此切刀也布置在正由于刀盤需要正反旋轉(zhuǎn)，因此切刀也布置在正反方向。同時，為了提高切刀的可靠性，在每個反方向。同時，為了提高切刀的可靠性，在每個軌跡上布置了軌跡上布置了2 2把切刀。由于周邊工作量相對較大，把切刀。由于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，因此在刀盤磨損后對盾構(gòu)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。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，切刀的破巖能力為刀具的使

32、用壽命，切刀的破巖能力為20MPa20MPa，可以，可以順利通過加固地層的開挖。順利通過加固地層的開挖。切刀伸出刀盤面板的切刀伸出刀盤面板的高度高度可保證碴土的有效流動，防止刀盤面板與土可保證碴土的有效流動，防止刀盤面板與土艙間產(chǎn)生泥餅。艙間產(chǎn)生泥餅。 39北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 上軟下硬復(fù)合地層刀具配置上軟下硬復(fù)合地層刀具配置 在區(qū)間含硬巖的復(fù)合地層，刀盤除配置切刀、刮刀、在區(qū)間含硬巖的復(fù)合地層，刀盤除配置切刀、刮刀、齒刀這些切削型刀具外，還配置了齒刀這些切削型刀具外，還配置了雙刃盤形滾刀雙刃盤形滾刀，用于破，用于破碎硬巖，因而刀盤結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。雙刃盤形滾刀單個刀刃碎硬巖，因而刀盤結(jié)構(gòu)

33、相對復(fù)雜。雙刃盤形滾刀單個刀刃的允許承載能力為的允許承載能力為250250KNKN，破巖能力相對于單刃滾刀而言較，破巖能力相對于單刃滾刀而言較低，適應(yīng)破碎抗壓強(qiáng)度小于低，適應(yīng)破碎抗壓強(qiáng)度小于8080MpaMpa的巖石。刀盤上配備了足的巖石。刀盤上配備了足夠數(shù)量的滾刀夠數(shù)量的滾刀(19(19把把) )，以取得合適的滾刀間距，以取得合適的滾刀間距( (每把雙刃中每把雙刃中心滾刀的刀間距為心滾刀的刀間距為10Omm)10Omm)，達(dá)到了較好的破巖效果。，達(dá)到了較好的破巖效果。 對于復(fù)合地層中的硬巖，首先通過盤形滾刀進(jìn)行破巖。對于復(fù)合地層中的硬巖，首先通過盤形滾刀進(jìn)行破巖。雙滾刀一般允許磨損量為雙滾刀

34、一般允許磨損量為25mm25mm，邊滾刀為，邊滾刀為15mm15mm，因此滾刀，因此滾刀的伸出高度一般比切刀要大，海瑞克盾構(gòu)設(shè)計時滾刀的伸的伸出高度一般比切刀要大，海瑞克盾構(gòu)設(shè)計時滾刀的伸出高度為出高度為35mm35mm，保證滾刀在磨損情況下仍能避免切刀進(jìn)行，保證滾刀在磨損情況下仍能避免切刀進(jìn)行破巖，保證切刀使用壽命。破巖，保證切刀使用壽命。40北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 a.a.當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度較低，盤形滾刀破巖效果不理想當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)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(jìn)行破巖，齒刀軌跡完全時，則利用滾刀刀座安裝齒刀進(jìn)行破巖，齒刀軌跡完全與滾刀相同，齒刀刀刃是對稱的，因此

35、刀盤正反轉(zhuǎn)時都與滾刀相同，齒刀刀刃是對稱的，因此刀盤正反轉(zhuǎn)時都可以很好地破碎軟巖?？梢院芎玫仄扑檐泿r。 b.b.刀盤直徑應(yīng)考慮刀具磨損后開挖直徑仍能大于刀盤直徑應(yīng)考慮刀具磨損后開挖直徑仍能大于盾構(gòu)切口環(huán)的直徑，以保證盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整。邊滾刀的盾構(gòu)切口環(huán)的直徑，以保證盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整。邊滾刀的允許磨損量為允許磨損量為15mm15mm，因此開挖洞徑的允許變化量為，因此開挖洞徑的允許變化量為3Omm3Omm。當(dāng)邊刀不采用滾刀時，盾構(gòu)開挖洞徑的允許變化量為當(dāng)邊刀不采用滾刀時，盾構(gòu)開挖洞徑的允許變化量為20mm20mm。 c.c.在曲線半徑小的隧道掘進(jìn)時，為了利于盾構(gòu)的在曲線半徑小的隧道掘進(jìn)時，為了利于盾構(gòu)

36、的調(diào)向，需要有較大的開挖直徑，因此根據(jù)地質(zhì)情況的差調(diào)向，需要有較大的開挖直徑，因此根據(jù)地質(zhì)情況的差異，可在刀盤上選擇配置擴(kuò)孔刀或滾刀型、齒刀型的仿異，可在刀盤上選擇配置擴(kuò)孔刀或滾刀型、齒刀型的仿形刀。形刀。 刀具配置的其它注意事項刀具配置的其它注意事項41北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 刀具布置的防泥餅措施刀具布置的防泥餅措施 盾構(gòu)機(jī)通過粘性土層時容易在刀盤中心區(qū)和土艙盾構(gòu)機(jī)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。中心區(qū)形成泥餅。刀盤中心區(qū)的泥餅刀盤中心區(qū)的泥餅會造成刀盤能夠轉(zhuǎn)會造成刀盤能夠轉(zhuǎn)動，但是盾構(gòu)機(jī)卻不能掘進(jìn)的現(xiàn)象。動，但是盾構(gòu)機(jī)卻不能掘進(jìn)的現(xiàn)象。土艙中心區(qū)的泥餅土艙中心區(qū)的

37、泥餅，則會造成刀盤轉(zhuǎn)動負(fù)荷加大，甚至停止轉(zhuǎn)動，同時導(dǎo)致則會造成刀盤轉(zhuǎn)動負(fù)荷加大，甚至停止轉(zhuǎn)動，同時導(dǎo)致艙體內(nèi)溫度急劇升高，影響主軸承密封的壽命，甚至毀艙體內(nèi)溫度急劇升高，影響主軸承密封的壽命，甚至毀壞軸承密封。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，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(qiáng)的防泥餅措施，即刀具布置采取了針對性較強(qiáng)的防泥餅措施，即確保刀具確保刀具凸出刀盤的較大間距凸出刀盤的較大間距。所有。所有正面滾刀都高出刀盤面正面滾刀都高出刀盤面175mm175mm，為開挖面破除下來的碴土留出了足夠的出碴空間；，為開挖面破除下來的碴土留出了足夠的出碴空

38、間；齒刀高出刀盤面齒刀高出刀盤面16Omm16Omm，刮刀高出刀盤面刮刀高出刀盤面140mm140mm。42北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 這樣盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進(jìn)時，能使刀盤前這樣盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進(jìn)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，由于滾刀高出刮刀前方碴土的流動。同時，由于滾刀高出刮刀35mm35mm，齒刀高出刮刀齒刀高出刮刀20mm20mm，因此，在硬巖地段掘進(jìn)時刮刀，因此，在硬巖地段掘進(jìn)時刮刀受到滾刀和齒刀的保護(hù)，正面滾刀的最大磨損量為受到滾刀和齒刀的保護(hù)，正面滾刀的最大磨損量為可達(dá)可達(dá)50mm50

39、mm，切刀的最大磨損量則為，切刀的最大磨損量則為20mm20mm。43北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 8 盾構(gòu)刀具磨損機(jī)制概述盾構(gòu)刀具磨損機(jī)制概述 序序號號磨損磨損類型類型磨損外觀磨損外觀磨損機(jī)理磨損機(jī)理1 1粘著粘著磨損磨損麻點麻點材料的相互作用是主要因素。粘著磨損的過程實際上是材料的相互作用是主要因素。粘著磨損的過程實際上是摩擦副雙方間原子鍵的形成（顯微熔接）和分離過摩擦副雙方間原子鍵的形成（顯微熔接）和分離過程程2 2磨料磨料磨損磨損擦傷、溝擦傷、溝紋、紋、條痕條痕硬顆粒或硬突起引起摩擦表面破壞，分離出屑或形成擦硬顆粒或硬突起引起摩擦表面破壞，分離出屑或形成擦傷的過程傷的過程3 3疲勞疲勞

40、磨損磨損裂紋、點裂紋、點蝕蝕摩擦副材料微體積受循環(huán)接觸應(yīng)力，產(chǎn)生重復(fù)變形，導(dǎo)摩擦副材料微體積受循環(huán)接觸應(yīng)力，產(chǎn)生重復(fù)變形，導(dǎo)致裂紋和分離出微片或顆粒的過程致裂紋和分離出微片或顆粒的過程4 4摩擦摩擦化學(xué)化學(xué)磨損磨損反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)物（膜、（膜、微粒）微粒）在摩擦作用促進(jìn)下，摩擦副的一方或雙方與中間物質(zhì)或在摩擦作用促進(jìn)下，摩擦副的一方或雙方與中間物質(zhì)或環(huán)境介質(zhì)中的某些成分發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的過環(huán)境介質(zhì)中的某些成分發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的過程程5 5微動微動磨損磨損磨屑的研磨屑的研磨磨由上述四種機(jī)理疊加而成。如果兩接觸固體彼此以振幅由上述四種機(jī)理疊加而成。如果兩接觸固體彼此以振幅小于小于100m10

41、0m的擺動運(yùn)動方式作相對運(yùn)動的過程，則的擺動運(yùn)動方式作相對運(yùn)動的過程，則會出現(xiàn)細(xì)小磨屑的研磨作用會出現(xiàn)細(xì)小磨屑的研磨作用磨損的機(jī)理大致可分為如下表所示五種類型， 44 1)1)顯微切削顯微切削：硬顆?；蛴餐蛊鹋c材料產(chǎn)生相對運(yùn)動，硬顆?；蛴餐蛊鹋c材料產(chǎn)生相對運(yùn)動，引起的材料損傷。引起的材料損傷。當(dāng)磨粒的形狀與運(yùn)動方向合適，有利于切削當(dāng)磨粒的形狀與運(yùn)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。小

42、。磨料磨損的基本損傷形式磨料磨損的基本損傷形式452)疲勞(微觀犁皺或微觀壓入 ): 表面微觀部分受循環(huán)變應(yīng)力產(chǎn)生重復(fù)變形 導(dǎo)致裂紋形成，最終使表面產(chǎn)生破損。壓入463)粘著：兩接觸表面局部的粘著使材料由一表 面轉(zhuǎn)移到另一表面所引起的磨損。P北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 474)4)龜裂龜裂：材料表面受到垂直應(yīng)力的反復(fù)作用，產(chǎn)材料表面受到垂直應(yīng)力的反復(fù)作用，產(chǎn)生顯微裂紋生顯微裂紋裂紋裂紋壓入北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 489 刀具磨損的分析刀具磨損的分析9.1 9.1 概述概述 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的刀盤根據(jù)地質(zhì)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

43、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(gòu)機(jī)的一個非常重要的組成部分，對刀具地合理選擇、使用 、維護(hù)和更換，直接決定盾構(gòu)掘進(jìn)工程的質(zhì)量、進(jìn)度和工程成本。所以對盾構(gòu)機(jī)刀具磨損情況地分析尤為必要。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 499.2 海瑞克盾構(gòu)切削刀具失效分析海瑞克盾構(gòu)切削刀具失效分析 北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 北京地鐵某線砂卵石地層中石英含量高達(dá)北京地鐵某線砂卵石地層中石英含量高達(dá)45%45%以上，石以上，石英砂是英砂是“很好很好”的磨料，使刀具磨損速度加快。該線應(yīng)用的磨料，使刀具磨損速度加快。該線應(yīng)用的德國海瑞克盾構(gòu)機(jī)的刀盤轉(zhuǎn)速可以達(dá)到的德國海瑞克盾構(gòu)機(jī)的刀盤轉(zhuǎn)速可以

44、達(dá)到3rpm(3rpm(轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù)/ /分鐘分鐘) )，直徑直徑6m6m刀盤外圍刀具的線速度可以達(dá)到刀盤外圍刀具的線速度可以達(dá)到1m/s1m/s。北京地區(qū)地。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。很大的沖擊荷載。北京地鐵某線盾構(gòu)試驗段砂卵石地層渣土 50北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 如北京地鐵某線盾構(gòu)試驗段雍和宮站至張自忠站左線如北京地鐵某線盾構(gòu)試驗段雍和宮站至張自忠站左線1510m1510m隧隧道掘進(jìn)為道掘進(jìn)為砂卵石及粘土混合地層砂卵石及粘土混合地層, ,掘進(jìn)過程中更換了掘進(jìn)過程中更換了5 5批刀具；批刀具

45、；而在北京地鐵某線而在北京地鐵某線1616合同段宋家莊站至劉家窯站右線隧道合同段宋家莊站至劉家窯站右線隧道1320m1320m的的粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土為主地層掘進(jìn)則沒有更換過刀具，這充分表明了砂為主地層掘進(jìn)則沒有更換過刀具，這充分表明了砂礫、亂石對盾構(gòu)刀具的巨大破壞作用。盾構(gòu)試驗段盾構(gòu)機(jī)刀具礫、亂石對盾構(gòu)刀具的巨大破壞作用。盾構(gòu)試驗段盾構(gòu)機(jī)刀具磨損和折斷嚴(yán)重，開倉后刀具的形貌見下圖。磨損和折斷嚴(yán)重，開倉后刀具的形貌見下圖。 硬質(zhì)合金刀片折斷的齒刀 使用意大利龐萬利公司周邊刀掘進(jìn)70米后磨損情況周邊刀磨損后的形貌 51北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 硬質(zhì)合金刀片折斷的齒刀周邊刀磨損后的形貌 使用意大利

46、龐萬利公司周邊刀掘進(jìn)70米后磨損情況 從圖中可以看到，盾構(gòu)刀具的刃口部位鑲嵌的硬質(zhì)合金刀從圖中可以看到，盾構(gòu)刀具的刃口部位鑲嵌的硬質(zhì)合金刀片存在同程度的折斷破壞，即所謂片存在同程度的折斷破壞，即所謂“崩刃崩刃”；對于硬質(zhì)合金；對于硬質(zhì)合金刀片，由于硬度很高，相應(yīng)的韌性較差，沖擊斷裂是其主要刀片，由于硬度很高，相應(yīng)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。犁溝式磨粒磨損和碾壓磨損。 在在右圖右圖所示位置切制所示位置切制1#1#、2#2#樣，實驗室條件下通過掃描樣，實驗室條件下通過掃

47、描電鏡對其磨損形貌分別進(jìn)行分析。電鏡對其磨損形貌分別進(jìn)行分析。 52北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 周邊刀刃口坡口處（內(nèi)側(cè)）磨損形貌 從掃描電鏡照片可以看出：從掃描電鏡照片可以看出：刃口位的斜坡（內(nèi)側(cè)）刃口位的斜坡（內(nèi)側(cè)）為典型的犁溝式磨損。為典型的犁溝式磨損。 53北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 從掃描電鏡照片可以看出：從掃描電鏡照片可以看出：外側(cè)硬質(zhì)合金球齒外側(cè)硬質(zhì)合金球齒失效形為脆性塌陷失效形為脆性塌陷+犁溝式磨損犁溝式磨損。 球齒表面磨損形貌 54北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 從掃描電鏡照片可以看出：從掃描電鏡照片可以看出：外側(cè)的球齒鑲嵌部分外側(cè)的球齒鑲嵌部分的磨損形式為犁溝式的磨損形式為

48、犁溝式+碾壓磨損碾壓磨損 。 周邊刀刀體迎土面磨損情況周邊刀刀體迎土面磨損情況55北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 北京地區(qū)盾構(gòu)切削刀具的上述磨損情況歸納為下表所示特征：北京地區(qū)盾構(gòu)切削刀具的上述磨損情況歸納為下表所示特征：刀具刀具部位部位內(nèi)側(cè)本體內(nèi)側(cè)本體外側(cè)本體外側(cè)本體外側(cè)球齒外側(cè)球齒刃口刃口磨損磨損性質(zhì)性質(zhì)犁溝式犁溝式磨粒磨損磨粒磨損犁溝式磨粒磨犁溝式磨粒磨損損+ +碾壓磨損碾壓磨損犁溝式磨犁溝式磨粒磨損粒磨損+ +塌陷塌陷沖擊破壞沖擊破壞+ +磨粒磨粒磨損磨損強(qiáng)度強(qiáng)度等級等級較弱較弱很強(qiáng)很強(qiáng)很強(qiáng)很強(qiáng)很強(qiáng)很強(qiáng) 通過對進(jìn)口盾構(gòu)切削刀具在砂卵石地層的磨損特點分析，通過對進(jìn)口盾構(gòu)切削刀具在砂卵石地層

49、的磨損特點分析，得出的結(jié)論是：切削刀具在砂卵石地層施工中，主要的失效得出的結(jié)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。形式為：沖擊破壞、犁溝式磨粒磨損和碾壓磨損。569.3 9.3 雙刃滾刀刀具的磨損及原因雙刃滾刀刀具的磨損及原因：（1 1） 正常磨損正常磨損 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(jìn)行測量。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 579.3 9.3 雙刃滾刀刀具的磨損及原因雙刃滾刀刀具的磨損及原因（2 2） 刀圈偏磨刀圈偏磨 如果滾刀在掘進(jìn)工作面不轉(zhuǎn)動，由于刀圈和掘進(jìn)工作面的相對運(yùn)動就會形成刀圈的偏磨。由于中心區(qū)滾

50、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。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 58（3 3） 刀圈斷裂刀圈斷裂 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(jīng)常有此現(xiàn)象。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 9.3 9.3 雙刃滾刀刀具的磨損及原因雙刃滾刀刀具的磨損及原因59（4 4） 表面缺陷表面缺陷 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。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 9.3 9.3 雙刃滾刀刀具的磨損及原因雙刃滾刀刀具的磨損及原因60（5 5） 刀圈擋圈磨損或脫落刀圈擋圈磨

51、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(yán)重，就應(yīng)該更換刀具。（6 6） 滾刀漏油滾刀漏油 由于密封件的損壞，就可能使密封油泄漏，從而導(dǎo)致油封座和輪轂的損壞。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 9.3 9.3 雙刃滾刀刀具的磨損及原因雙刃滾刀刀具的磨損及原因61（7) 7) 輪轂?zāi)p輪轂?zāi)p 刀盤和渣土不間斷的摩擦，使得滾刀輪轂也發(fā)生嚴(yán)重磨損 (8) (8) 油封座損壞油封座損壞 由于漏油使得油封座損壞 (9) (9) 輪轂或油封座損壞輪轂或油封座損壞 刀圈如果在金屬物（掉了的刀圈或螺帽）上滾動，輪轂或油封

52、座有可能被卡住，就會妨礙刀圈繞著滾刀中心軸自由轉(zhuǎn)動。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 9.3 9.3 雙刃滾刀刀具的磨損及原因雙刃滾刀刀具的磨損及原因62(10) (10) 滾刀的多邊形磨損滾刀的多邊形磨損 在掘進(jìn)時滾刀時轉(zhuǎn)時不轉(zhuǎn)，或者在某個點轉(zhuǎn)動時間長在其它點轉(zhuǎn)動時間短，就會產(chǎn)生這樣的磨損。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 9.4 9.4 雙刃滾刀刀具的磨損及原因雙刃滾刀刀具的磨損及原因639.4 9.4 齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損 及原因及原因(1) (1) 齒刀磨損齒刀磨損 正常磨損正常磨損：齒刀切削土層和砂礫層所形成的磨損。 異常磨損異常磨損：由于換刀

53、不及時在硬巖區(qū)的磨損。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 649.4 9.4 齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損及原因齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損及原因(2) (2) 正面區(qū)刮刀磨損正面區(qū)刮刀磨損 正常磨損正常磨損：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(jìn)工作面的載荷，刮刀和掘進(jìn)工作面的相對摩擦，就導(dǎo)致刮刀嚴(yán)重偏磨。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 659.4 齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損 及原因及原因(3) (3) 邊緣區(qū)刮刀邊緣區(qū)刮刀 正常磨損正常磨損： 刮削土層、砂

54、礫層和邊緣滾刀擠壓后的巖層時所形成的磨損。 異常磨損異常磨損：由于邊緣滾刀刀圈掉落或者邊緣滾刀磨損量嚴(yán)重超限，邊緣滾刀開挖掘進(jìn)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(jìn)工作面上運(yùn)動，導(dǎo)致刀具磨損。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 669.5 9.5 預(yù)防刀具異常磨損的措施預(yù)防刀具異常磨損的措施( (滾刀滾刀) )(1) (1) 擇擇合理的掘進(jìn)參數(shù)擇擇合理的掘進(jìn)參數(shù) 掘進(jìn)參數(shù)包括掘進(jìn)推力、刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩、推進(jìn)速度、切削量等，影響刀具磨損的最直接參數(shù)是掘進(jìn)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(nèi)掘進(jìn)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

55、荷會使?jié)L刀軸承受擠壓產(chǎn)生變形，繼而影響滾刀的自轉(zhuǎn)最終造成滾刀刀圈的偏磨或斷裂。一般在巖石中風(fēng)化帶巖石微風(fēng)化帶地層最大的推力不要超過1000ton。 刀盤轉(zhuǎn)速也是影響刀具磨損的另一個主要因素，過大的刀盤轉(zhuǎn)速在硬巖地層會造成盾構(gòu)機(jī)振動顛簸，加劇刀具的磨損。一般在硬巖地層刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為 1.5rpm為合適值。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 67(2) (2) 根據(jù)不同的地層選擇不同的刀具根據(jù)不同的地層選擇不同的刀具 根據(jù)地質(zhì)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(fēng)化帶地層向巖石強(qiáng)風(fēng)化帶轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，

56、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。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 9.5 9.5 預(yù)防刀具異常磨損的措施預(yù)防刀具異常磨損的措施(滾刀滾刀)68(3) (3) 定期對刀具進(jìn)行檢查定期對刀具進(jìn)行檢查 在硬巖區(qū)地層中，如果出現(xiàn)推力過大推進(jìn)速度小扭矩也偏小，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)糾正很難的現(xiàn)象時，就要考慮刀具是否磨損嚴(yán)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(jī)被卡住、驅(qū)動電機(jī)熄火的現(xiàn)象時，應(yīng)立即停機(jī)進(jìn)行檢查。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 9.5 預(yù)防刀具異常磨損的措施預(yù)防刀具異常磨損的措施(滾刀滾刀) 一般要在不超過二十環(huán)時對刀具進(jìn)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

57、、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(yīng)立即采取補(bǔ)救措施。 軟土區(qū)在掘進(jìn)100環(huán)時要對刀具進(jìn)行一次檢查。69 (4) (4) 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)應(yīng)保持正常姿態(tài)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)應(yīng)保持正常姿態(tài) 在硬巖地層如果不斷的調(diào)整盾構(gòu)機(jī)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(dǎo)致滾刀變形。 在硬巖地層絕不可只片面追求進(jìn)度，應(yīng)該在保證刀盤和刀具不被嚴(yán)重磨損的前提下安排生產(chǎn)進(jìn)度，必要時應(yīng)該進(jìn)行限產(chǎn)。為了一時的進(jìn)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(jìn)行扭矩試驗，根據(jù)不同的地質(zhì)條件和巖石強(qiáng)度進(jìn)行扭矩調(diào)整。 在硬巖地層注意觀察螺旋輸送機(jī)出渣情況，如果出渣不是均勻的碎片石，而是

58、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(jī)檢查。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 9.5 9.5 預(yù)防刀具異常磨損的措施預(yù)防刀具異常磨損的措施(滾刀滾刀)709.6 9.6 刀具磨損量檢查及更換原則刀具磨損量檢查及更換原則(滾刀滾刀) (1) (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(yīng)進(jìn)行更換，如果有條件最好整盤刀具全部更換；(2) (2) 檢查中如發(fā)現(xiàn)個別刀具有異常磨損或損壞，應(yīng)優(yōu)先將原來換下的沒有超過規(guī)定磨損量且已經(jīng)進(jìn)行過維護(hù)的舊刀具換上，而不要換上新刀具。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 719.6 9

59、.6 刀具磨損量檢查及更換原則刀具磨損量檢查及更換原則(滾刀滾刀) (3) (3) 一定要確保整個刀盤所換刀具的磨損量盡可能達(dá)到最大值，使得刀具能夠掘進(jìn)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(jìn)100環(huán)左右。(4) (4) 刀具要勤檢查，少更換；更要避免長時間停機(jī)換刀。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 729.7 9.7 刀具的維護(hù)和修復(fù)刀具的維護(hù)和修復(fù)(1) (1) 邊緣滾刀（正面滾刀）的維護(hù)和修復(fù)邊緣滾刀（正面滾刀）的維護(hù)和修復(fù) 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(hù)和修復(fù)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

60、夠就應(yīng)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(yīng)換新或修復(fù)。 如刀圈磨損量超過25mm，就應(yīng)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(jìn)行維護(hù)。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 739.7 9.7 刀具的維護(hù)和修復(fù)刀具的維護(hù)和修復(fù)(2) (2) 中心區(qū)滾刀的維護(hù)和修復(fù)中心區(qū)滾刀的維護(hù)和修復(fù) 中心區(qū)滾刀修復(fù)的方法和邊緣滾刀基本相同，由于其結(jié)構(gòu)和邊緣區(qū)滾刀結(jié)構(gòu)不同，其工藝程序比較復(fù)雜。北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司 74(3) (3) 正面區(qū)刮刀和邊緣刮刀的維護(hù)和修復(fù)正面區(qū)刮刀和邊緣刮刀的維護(hù)和修復(fù) 正面區(qū)刮刀磨損量不大可采