盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)破巖刀具

1、盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀具綜述盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀具綜述晁煥清晁煥清 王漢章王漢章 鄒恒鄒恒洛陽九久技術(shù)開發(fā)有限公司洛陽九久技術(shù)開發(fā)有限公司主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.盾構(gòu)機(jī)刀具的類型和破巖機(jī)理2.盾構(gòu)機(jī)刀具的結(jié)構(gòu)3.盤型滾刀的材料和性能4.刮刀的結(jié)構(gòu)和性能5.盾構(gòu)機(jī)刀具的應(yīng)用及對(duì)地層的適應(yīng)性6.提高盾構(gòu)機(jī)刀具壽命的途徑1 盾構(gòu)機(jī)刀具的類型和破巖機(jī)理盾構(gòu)機(jī)刀具的類型和破巖機(jī)理1.1 盾構(gòu)機(jī)刀具常用類型盾構(gòu)機(jī)刀具常用類型目前使用的刀具一般分為兩大類:刮削刀具、滾動(dòng)刀具刮削刀具刮削刀具(刮刀、割刀刮刀、割刀)刮削刀具是指只隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)而沒有自轉(zhuǎn)的破巖刀具，刮削刀具的種類繁多，目前盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)上常用的刮削刀具類有邊刮刀、刮刀、切刀

2、、齒刀、先行刀、仿形刀、刮板等。滾動(dòng)刀具滾動(dòng)刀具(滾刀滾刀) 滾動(dòng)刀具是指不僅隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，還同時(shí)作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的破巖刀具。 根據(jù)刀刃的形狀滾刀可分為：齒形滾刀（鋼齒和球齒）、盤形滾刀（鋼刀圈滾刀和球齒刀圈滾刀）。見圖 根據(jù)安裝位置滾刀可分為：正滾刀、中心滾刀、邊滾刀、擴(kuò)孔滾刀。 目前盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)滾刀主要是盤形滾刀，盤形滾刀又有單刃、雙刃和多刃。1.2刀具破巖機(jī)理刀具破巖機(jī)理刮削類刀具的工作原理刮削類刀具的工作原理 在刀盤推力的作用下，刮刀嵌如巖渣或巖層中，刀盤帶動(dòng)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刮削巖層，在掌子面形成一環(huán)環(huán)犁溝，特點(diǎn)是效率高，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)阻力大。 在軟土地層或滾刀破碎后的渣土通過刮刀進(jìn)行開挖，渣土隨刮刀正面進(jìn)

3、入渣槽，因此刮刀既具有切削的功能也具有裝載的功能。盤形滾刀工作原理盤形滾刀工作原理 刀盤在縱向油缸施加的推力作用下，使其上的盤形滾刀壓入巖石；刀盤在旋轉(zhuǎn)裝置的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)滾刀繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，同時(shí)各滾刀還繞各自的刀軸自轉(zhuǎn)，使?jié)L刀在巖面上連續(xù)滾壓。刀盤施加給刀圈推力和滾動(dòng)力（轉(zhuǎn)矩），推力使刀圈壓入巖體，滾動(dòng)力使刀圈滾壓巖體。通過滾刀對(duì)巖體的擠壓和剪切使巖體發(fā)生破碎，在巖面上切出一系列的同心圓（見圖）。各類刀具的主要破巖機(jī)理刀具類型刮刀楔齒滾刀球齒滾刀盤形滾刀主要破巖機(jī)理刮 削剪 切龜 裂擠 壓研 磨運(yùn)動(dòng)形式滑動(dòng)滾動(dòng)+微滑滾動(dòng)+滑動(dòng)滾動(dòng)+滑動(dòng)刀齒形狀刨刀狀楔狀球面狀楔狀2盾構(gòu)機(jī)滾刀的結(jié)構(gòu)盾構(gòu)機(jī)滾刀的

4、結(jié)構(gòu)滾刀結(jié)構(gòu)如圖所示。它們主要由刀圈、刀體(套)、刀軸、軸承、金屬浮動(dòng)密封環(huán)、刀蓋(座)及聯(lián)接螺栓等件組成。21 滾刀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)滾刀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是保證滾刀工作時(shí)正常旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，通常是由軸承、密封、潤滑油脂組成。根據(jù)刀具的發(fā)展，大體經(jīng)歷了三個(gè)階段，即有三種結(jié)構(gòu)。22 刀具安裝結(jié)構(gòu)安裝結(jié)構(gòu)是為了把滾刀即方便又可靠的安裝在刀盤上。常用的安裝形式有如下幾種。23 刀具刀刃結(jié)構(gòu)形狀刀刃是用來破巖的，通常有齒形和盤形兩大類，每一類往往又有多種不同的刀刃形狀。如下圖.3.盤型滾刀的材料和性能 3.1刀圈的材料刀圈的材料 根據(jù)刀圈的工作條件，刀圈材料應(yīng)滿足以下性能：1)高的屈服強(qiáng)度，避免刀刃端在高應(yīng)力下壓潰變形

5、； 2) 足夠高的硬度，增加耐磨性，減少刀圈磨損； 3) 良好的沖擊韌性，提高材料裂紋擴(kuò)展功，防止刀圈斷裂；4)良好的抗回火性能，提高材料的熱穩(wěn)定性，保證刀圈在熱裝和滾壓巖體過程中不降低硬度。5)良好的熱加工和冷加工的工藝性能，材料成本低，制造方便，提高產(chǎn)品合格率。 目前的滾刀刀圈有兩大類：整體耐磨鋼材料和鑲有硬質(zhì)合金球齒的刀具材料。 整體耐磨鋼刀圈材料主要以合金工具鋼為主，也有合金結(jié)構(gòu)鋼，硬度在HRC52-59, 它的特點(diǎn)是可以承受較大的沖擊，并具有較高的耐磨性能，刀具制造費(fèi)用較低，適用地層范圍廣，從軟巖、中硬巖到硬巖都可選用。常用刀圈材料成分 類 別CSiMnPSCrMoVNiCu9Cr2

6、Mo0.85-0.950.2-0.40.2-0.40.030.031.4-2.00.2-0.46Cr4Mo2W2V0.5-0.70.2-0.40.2-0.40.010.023.5-4.52.0-3.01.0-1.54Cr5MoSiV10.32-0.420.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2Robbins刀圈實(shí)測(cè)0.390.530.650.0180.0090.840.241.620.25Wirth刀圈實(shí)測(cè)0.500.760.320.0320.0195.151.170.720.250.13各國工具鋼材料標(biāo)準(zhǔn)比較標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)CMnSiCrMoVGB4Cr5MoSiV1

7、0.32-0.420.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2DINX40CrMoV510.37-0.420.3-0.50.9-1.24.8-5.51.2-1.50.9-1.1JISSKD610.32-0.420.50.8-1.24.5-5.51.0-1.50.8-1.2NFX40CrMoV50.36-0.440.2-0.50.8-1.24.8-5.51.2-1.50.85-1.15ASTMH130.32-0.450.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2各國合金結(jié)構(gòu)鋼材料標(biāo)準(zhǔn)比較標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)CMnSiCrMoNiGB40CrNiMoA

8、0.37-0.440.5-0.80.17-0.370.6-0.90.15-0.25DIN36CrNiMo40.32-0.400.5-0.80.40.9-1.20.15-0.30.9-1.2JISSNCM4390.36-0.430.6-0.90.15-0.350.6-1.00.15-0.301.6-2.0NF40NCD30.37-0.440.6-0.90.4 0.9-1.20.15-0.31.3-1.7ASTM43400.38-0.430.6-0.80.15-0.350.7-0.90.2-0.31.65-2.0國外刀圈性能 表2類 別b(Mpa)5%aK(J/Cm2)HRCX50CrMoV51(

9、Wirth刀圈實(shí)測(cè))20505.5101454574340Robbins刀圈實(shí)測(cè)405253 通過對(duì)國外刀圈解剖分析和我們的研究，各刀圈制造公司對(duì)標(biāo)準(zhǔn)材料都會(huì)作適當(dāng)調(diào)整，并采用特殊的冶煉工藝、鍛造工藝和熱處理工藝,保證刀圈的綜合性能。 球齒刀圈是在鋼基體上鑲嵌硬質(zhì)合金刀頭，硬質(zhì)合金刀頭呈球狀或楔狀，硬質(zhì)合金硬度為HRA85-88。一般認(rèn)為，抗壓強(qiáng)度超過175Mpa的堅(jiān)硬巖采用球齒刀圈，它很好地解決了刀圈硬度（主要由合金球頭滿足硬度）和韌性（刀圈基體不要求太高硬度，韌性增加）的矛盾，其壽命是鋼刀圈的3-5倍。但制造成本較高。3.2刀具密封裝置：刀具密封裝置： 密封是保證滾刀內(nèi)腔的潤滑劑不漏出并防

10、止外來物進(jìn)入，對(duì)保證軸承正常工作和延長工作壽命是十分重要的。采用金屬浮動(dòng)密封環(huán)密封。 金屬浮動(dòng)密封環(huán)密封屬于機(jī)械端面密封的一種，這種密封在均勻載荷、潤滑優(yōu)良的條件下試驗(yàn)壽命高達(dá)5000h。由于滾刀作業(yè)受力的復(fù)雜多變、使用環(huán)境惡劣，有一定的外部介質(zhì)壓力等，使用壽命會(huì)降低很多，但還是能滿足滾刀使用要求的。 這種密封由兩個(gè)嚙合的金屬密封環(huán)和兩個(gè)富有彈性的復(fù)合橡膠密封圈組成。具有浮動(dòng)能力，可補(bǔ)償裝配端間隙或防止偏斜。金屬密封環(huán)是密封裝置中的主要零件，其結(jié)構(gòu)及質(zhì)量的好壞起決定性作用。金屬密封環(huán)采用高硬度的耐磨高鉻鉬的鑄鐵材料，硬度HRC60-65，工作表面粗糙度Ra0.1um，表面平面度0.0015mm

11、。這種金屬密封環(huán)其特點(diǎn)如下： 采用4度導(dǎo)油斜面及大曲率半徑球面環(huán)與平面環(huán)結(jié)構(gòu)，有利于形成油膜,以保證軸承潤滑油不泄漏及阻止泥土進(jìn)入軸承腔； 采用高光潔度及硬度工作面，減少了摩擦阻力，使工作面貼合良好，提高密封性能；（3） 浮動(dòng)密封環(huán)采用的復(fù)合橡膠0型密封圈,具有可壓縮性大及回彈性好等特點(diǎn)。始終對(duì)金屬環(huán)施加壓力，讓金屬環(huán)工作面始終接觸，保證軸承潤滑油不泄漏及阻止泥土進(jìn)入軸承腔，起到密封效果。 滾刀橡膠密封件性能指標(biāo) 項(xiàng)目浮封環(huán)用0型密封圈其它位置O形密封圈硬度(邵爾A型)605705扯斷強(qiáng)度MPa 最小911扯斷伸長率 最小300220壓縮水久變形最大(空氣10022h)40353.3刀具軸承刀

12、具軸承滾柱滾珠軸承滾柱滾珠軸承 早期使用范圍最廣的刀具軸承是滾柱滾珠軸承，它用滾柱承受很高的徑向載荷和沖擊載荷，用滾珠承受推力，把滾刀和軸承固定在一起。滾刀體和軸起滾道的作用，兩者均用優(yōu)質(zhì)合金鋼做成，經(jīng)硬化和研磨處理。由于這種刀具拆卸維修不方便，在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)滾刀上已普遍被圓錐滾子軸承代替。圓錐滾子軸承圓錐滾子軸承 這類軸承采用錐形滾柱和滾道，具有以下的優(yōu)點(diǎn)：1) 能同時(shí)承受徑向載荷和軸向推力；2) 就相同的軸承尺寸而言，承載能力更大，相對(duì)壽命更長；3) 調(diào)節(jié)性能：不管是軸向游隙還是預(yù)加負(fù)荷，均能按設(shè)計(jì)要求達(dá)到最佳性能；4) 其錐型結(jié)構(gòu)而固有的自動(dòng)移油特點(diǎn)，能從滾道接觸區(qū)域除去任何微粒沾染物，大

13、大降低了受工作環(huán)境污染物的影響；5)與其他類型的磙子軸承相比，因純滾動(dòng)效果較佳，摩擦系數(shù)減少，速度提高；6) 由于其內(nèi)外滾道可分離，安裝和拆卸十分簡便； 由于圓錐滾子軸承具有上述一系列的優(yōu)點(diǎn)，能很好滿足滾刀的工況要求。 目前國外滾刀生產(chǎn)廠家大多選用美國鐵姆肯 (TIMKEN)和日本NTN等公司的軸承。 17雙盤正滾刀軸承: 型號(hào)HH224334/224335HH224310：額定動(dòng)負(fù)荷C=630kN，額定靜負(fù)荷C0 = 906kN； 17雙盤中心滾刀邊滾刀軸承: 型號(hào)H924045-H924010）：額定動(dòng)負(fù)荷C=453kN，額定靜負(fù)荷C0=610kN。 由于進(jìn)口軸承價(jià)格高、交貨期長，九久公司

14、和軸研所、軸承廠合作已制造出滾刀用軸承，使用性能正逐漸被用戶接受。 目前生產(chǎn)刀具軸承的材料是低碳鉻鎳鋼如20CrNi3Mo，常常通過特殊的冶煉工藝保證鋼材的純凈度，通過深層滲碳熱處理工藝，保證表面HRC58-60，芯部HRC43-45。刀具軸承的壽命受潤滑條件、裝配預(yù)緊量、載荷特性、內(nèi)在質(zhì)量等影響，但主要和工作載荷大小、轉(zhuǎn)速有關(guān)，負(fù)荷加倍，壽命將降低大約90%，負(fù)荷減半，壽命將增加10倍；轉(zhuǎn)速加倍，壽命將降低一半，速度減半，壽命將增加一倍。刀盤設(shè)計(jì)和刀具選用時(shí)一定要考慮軸承的這一特性。4. 刮刀的結(jié)構(gòu)和材料刮刀的結(jié)構(gòu)和材料 刮刀是由刀座、刀體和刀刃三部分組成的，刀座是與刀盤連接的部分，與刀盤的

15、連接有焊接如先行刀、螺栓連接如邊刮刀、插銷接如正面刮刀，替換滾刀部位的齒刀或切刀與滾刀的安裝方式相同。 刀座有的是與刀體成一體的，有的是與刀體焊接的。與刀體焊接的刀座材料一般是低碳低合金鋼。 刀體對(duì)硬質(zhì)合金刀刃起支撐和保護(hù)作用，要有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，通常選用中碳中合金鋼或空淬鋼，使硬度達(dá)到HRC40以上，也常常采用表面硬化技術(shù)或局部堆焊耐磨層。 刮刀刃是刮刀刮削巖土和保護(hù)刀體不被磨損的關(guān)鍵部位，通常是用硬質(zhì)合金做成的，硬質(zhì)合金的型號(hào)為YG11C。其大小和形狀根據(jù)部位、作用、地層設(shè)計(jì)。 刀刃與刀體的的連接是關(guān)鍵，具體工藝有釬焊、鑲嵌和鑲嵌焊，連接強(qiáng)度要求大于250MPa。釬焊時(shí)，焊料和焊接方法

16、、工藝是很關(guān)鍵的，焊料有銅基和銀基兩大類，焊接方法有高頻焊和真空焊等。 幾種刀具的推薦使用范圍分類抗壓強(qiáng)度 MPa 典 型 巖 石刀 具 型 式軟土,軟巖 45頁巖 粘土 泥巖 刮刀;齒刀; 楔齒滾刀 中軟巖 45-85石灰?guī)r 砂巖 大理石 火山巖 凝灰?guī)r 盤形滾刀; 楔齒滾刀 中硬巖 85180白云石 片麻巖花崗巖 片巖 長石 盤形滾刀; 球齒滾刀硬巖 180閃綠巖 硅巖 角閃巖 硬質(zhì)粘土巖 玄武巖 燧石 礫巖 盤形滾刀 球齒盤形滾刀5.盾構(gòu)機(jī)刀具的應(yīng)用及對(duì)地層的適應(yīng)性盾構(gòu)機(jī)刀具的應(yīng)用及對(duì)地層的適應(yīng)性5 .1 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀具在國內(nèi)的應(yīng)用盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀具在國內(nèi)的應(yīng)用 目前我國在地鐵、引水工程、鐵

17、路隧道和過江隧道等工程中大量應(yīng)用盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，其刀具應(yīng)用很普遍。主要以進(jìn)口為主，各施工單位先后購進(jìn)了威爾特、海瑞克、羅賓斯、三菱、小松、旁萬利、黑金剛等世界先進(jìn)廠家的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀具，已成為盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀具應(yīng)用大國。主要以17滾刀為主，也有19規(guī)格的。國內(nèi)也先后有多個(gè)廠家參與刀具研制，如一重、戚所、南齒、洛陽九久、江鉆等。國內(nèi)主要工程應(yīng)用國外刀具情況工程名稱廠家刀具種類鐵路隧道維爾特17盤形滾刀 刮板地鐵旁萬利17雙刃中心滾刀17雙刃正滾刀17單刃正滾刀各類刮刀三菱小松維爾特羅賓斯海瑞克 黑金剛引水工程維爾特17盤形滾刀 刮板羅賓斯19盤形滾刀 刮板海瑞克 17盤形滾刀 洛陽九久公司盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀具應(yīng)

18、用一覽表 序號(hào)使用單位工程名稱掘進(jìn)機(jī)型號(hào)刀具種類1中鐵隧道集團(tuán)秦嶺隧道維爾特TB880E17刀圈2中鐵十八局桃花鋪隧道TB880E17刀圈、刮板3中鐵隧道局磨溝嶺隧道TB880E17刀圈、整滾刀、中心滾刀、刀座、刮板4中鐵隧道局廣州地鐵二號(hào)線海瑞克EPB6280正滾刀、中心滾刀、切割刀5上海隧道股份廣州地鐵二號(hào)線三菱重工ST6140先行刮刀 刮刀6上海隧道股份深圳地鐵一號(hào)線羅湖段三菱重工ST614017滾刀、刀圈7上?；A(chǔ)公司深圳水庫污水截排工程SZ4.65整盤17滾刀、刮刀、刀座8中鐵隧道局深圳地鐵二號(hào)線福皇段海瑞克EPB628017中心滾刀9中鐵隧道局上海地鐵 整盤滾刀、刮刀14中鐵一局廣

19、州地鐵三號(hào)線大客段海瑞克EPB6280中心滾刀、刀圈15廣州水電二局廣州地鐵三號(hào)線三菱重工中心滾刀、正滾刀、密封件16廣州盾建股份公司廣州地鐵海瑞克、三菱整刀、刀圈、刮刀、散件17中鐵隧道股份沈陽大伙房維爾特整刀、刀圈、散件18中鐵隧道股份北京地鐵海瑞克、自制刀盤成套刀具19中鐵一局北京地鐵海瑞克滾刀、刮刀20中鐵一局廣州地鐵四號(hào)線草陶項(xiàng)目海瑞克刀圈、滾刀 5.2 滾刀的組合設(shè)計(jì)滾刀的組合設(shè)計(jì)(刀盤的設(shè)計(jì)刀盤的設(shè)計(jì)) 刀盤是盾構(gòu)的主要工作部件，不同工程的地質(zhì)條件應(yīng)采用不同的刀盤結(jié)構(gòu)形式及刀具布置方式及刀具形狀。刀盤及刀具的好壞直接影響盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的切削效果和掘進(jìn)速度，關(guān)系到盾構(gòu)施工的成敗，影響盾

20、構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度和效益。刀盤刀具布置原則刀盤刀具布置原則1) 刀具覆蓋整個(gè)斷面；2）使刀盤受力均衡、振動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；3) 盡量使各刀具磨損均勻、盡量使?jié)L刀純滾動(dòng)，即刀具母線過刀盤中心；4) 有利于保證 掘進(jìn)直徑；5) 方便排除巖土；6) 便于裝拆和檢查修理。盾構(gòu)機(jī)刀具的選用原則盾構(gòu)機(jī)刀具的選用原則：1) 適應(yīng)地層，能快速掘進(jìn);2) 刀具費(fèi)用少;3) 安全性;4) 破碎每一單位體積巖石動(dòng)力消耗少.5.3盾構(gòu)機(jī)刀盤常見結(jié)構(gòu)與應(yīng)用盾構(gòu)機(jī)刀盤常見結(jié)構(gòu)與應(yīng)用 根據(jù)地層的不同,刀盤的結(jié)構(gòu)及其刀具的組合布置、對(duì)刀具性能的要求也不同。刀盤大體分為三類：刮刀類刀盤、滾刀類刀盤和復(fù)合類刀盤。刮刀類刀盤刮刀類刀盤

21、適用于軟土及沙卵石地層，一般中心布魚尾中心刀，正面布切削刀，邊沿布邊刮刀，根據(jù)地層的實(shí)際情況決定是否布先行刀。刮刀刀盤邊刮刀通常是連續(xù)布置的,其體積也大,布刀重疊系數(shù)大,一般是4-8,正面刮刀重疊系數(shù)隨著半徑的減少也變小,一般是1-3,切削刀根據(jù)地層需要有連續(xù)的,但大多數(shù)是不連續(xù)的。且都是成對(duì)布置，以滿足刀盤正反轉(zhuǎn)的需要。使用中刮刀的損壞有：刮刀磨損、刮刀刀刃崩裂或斷裂、 刮刀掉齒。滾刀類刀盤滾刀類刀盤適用于全斷面巖層，特別是中硬以上地層，目前主要是17盤型滾刀。刀盤各區(qū)的刀具特點(diǎn)刀盤各區(qū)的刀具特點(diǎn) 根據(jù)刀盤上三個(gè)性質(zhì)不同的區(qū)域(中心區(qū)，正面區(qū)及邊緣區(qū))的特性，布刀時(shí)一定要充分考慮。中心區(qū)中心

22、區(qū) 該區(qū)是刀盤的中心，特點(diǎn)是空間小，滾刀的轉(zhuǎn)彎半徑小，所以滾刀以滑動(dòng)為主，在小刀盤上常安裝單支點(diǎn)中心刀。大刀盤常用同規(guī)格的盤形滾刀。中心刀與正滾刀的主要差別：成組安裝：有兩個(gè)一組、三個(gè)一組和六個(gè)一組。密封形式: 單密封環(huán)與軸承或刀體配對(duì)。軸承型號(hào)：軸承常選用大角度的，且預(yù)緊力也大。正面區(qū)正面區(qū) 該區(qū)處于中心區(qū)和邊沿區(qū)之間，工作時(shí)刀具正對(duì)著掌子面，有一定的轉(zhuǎn)彎半徑，是以所謂的純滾動(dòng)工作，又有足夠的布置空間，所以該區(qū)布刀容易，刀具壽命也長。 在硬巖中鉆進(jìn)時(shí)， “純滾動(dòng)”無論是刀具軸承壽命還是刀圈壽命都有提高。邊緣區(qū)邊緣區(qū) 該區(qū)位于刀盤的邊沿，其刀具不但承擔(dān)的破巖量大，且刀具受力復(fù)雜，還要保證開挖直

23、徑，所以，常常布刀量要多，有些公司還對(duì)刀圈形狀和刀體進(jìn)行特殊處理，作成專用邊刀。刀具數(shù)量和刀間距刀具數(shù)量和刀間距 在給定地質(zhì)條件下，刀間距是和刀具的推力有關(guān)的，刀具推力越大，相對(duì)刀具的切深就越大，在硬巖情況下，刀間距大約是切深的10-20倍。試驗(yàn)表明，當(dāng)減少刀間距時(shí)，獲得一定掘進(jìn)速度所需的推力將下降。這意味著在巖石非常硬的情況下，維持每把刀推力不變，通過減少刀間距，可以增加掘進(jìn)速度；但是，相應(yīng)要求增加機(jī)器總推力，并產(chǎn)生更小的碎石屑。而碎石屑愈小，切削巖石要求的比能耗愈大，開挖過程的經(jīng)濟(jì)性就愈差。 在給定地質(zhì)條件和刀具推力的情況下，刀具數(shù)與開挖直徑成正比，刀盤直徑越大，刀具數(shù)越多。適當(dāng)增加刀具數(shù)

24、，有利于避免瞬間巖石物理特性差異而造成單個(gè)刀具及其相鄰刀具的加速損壞。刀盤上刀具數(shù)量的設(shè)計(jì)基本上取決于以下幾個(gè)因素：1) 鉆孔直徑；2) 巖石性質(zhì)；3) 刀盤總推力；4) 盤形滾刀尺寸；5）刀盤轉(zhuǎn)速 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤通常每圈布置一把滾刀，在邊沿區(qū)由于施于巖面上的壓力減少，刀間距要減少，且每圈的刀具數(shù)量要增加，如邊刀在8米以上的大刀盤上以均分布置3把以上為好。 刀盤直徑越大，所選盤形滾刀的直徑也應(yīng)越大。在理論上刀盤的回轉(zhuǎn)速度是以邊刀轉(zhuǎn)數(shù)每分鐘120轉(zhuǎn)為計(jì)算基礎(chǔ)的。回轉(zhuǎn)速度RS用以下近似公式表示： RS = 120d / D，式中：D-鉆孔直徑， d-為滾刀直徑。 因?yàn)榛剞D(zhuǎn)速度與掘進(jìn)機(jī)的切割速度是成

25、正比的，當(dāng)然是希望速度高。在保持刀盤一定轉(zhuǎn)速時(shí)，滾刀直徑加大是很有利的。滾刀直徑加大后滾刀軸承可相應(yīng)加大，使其提高了承載能力，有利于切割硬巖。同時(shí)單刀承載能力提高之后，刀齒切入巖層深度相應(yīng)增大，單刀破巖量亦增加，刀具使用壽命延長（l倍以上），減少了換刀時(shí)間，從而提高了掘進(jìn)速度。采用大直徑滾刀，可以實(shí)現(xiàn)以較少的刀具數(shù)量、較低的鉆進(jìn)扭矩、較高的鉆進(jìn)效率進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)。刀具直徑越大，承載能力越大，而刀具本身轉(zhuǎn)速下降了，對(duì)軸承、密封、刀圈的壽命都有提高。所以，目前的發(fā)展趨勢(shì)是大直徑滾刀。但盤刀直徑加大，重量會(huì)增加，裝機(jī)更換會(huì)困難，所以17盤型滾刀得到普遍應(yīng)用。 在均質(zhì)硬巖地層，滾刀的失效形式主要是刀圈磨

26、損，也有軸承、密封早期失效、刀圈斷裂現(xiàn)象。刀圈的耐磨性是問題的關(guān)鍵，在地層條件和掘進(jìn)參數(shù)一定的條件下，刀圈的耐磨性和刀圈的材料、制造工藝和金相組織有關(guān)，在材料確定的條件下，直觀反映刀圈耐磨性的指標(biāo)就是硬度了。刀圈硬度與刀圈耐磨性對(duì)應(yīng)關(guān)系序號(hào)試驗(yàn)刀圈硬度HRC試驗(yàn)刀圈30磨損均值/刀圈數(shù)威爾特刀圈30磨損均值/刀圈數(shù)30磨損值比較1-154-57865/2914/1-5.251-254-571075/5108/2-0.461-354-5793/2922/10.871-454-57185/51843/20.381-554-572092/22302/2-9.121-654-571333/31411/

27、1-5.51-751-5411.75/110.61/110.71-851-5428.38/224.22/217.18 例如：例如：在西寧線桃花鋪隧道施工中，采用了威爾特公司的TB880E隧道掘進(jìn)機(jī)，地層均勻，為石英片巖夾大理巖，節(jié)理較發(fā)育，刀圈硬度與刀圈耐磨性的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表。上表中30磨損值比較是指試驗(yàn)刀圈與威爾特刀圈耐磨性的比較值，負(fù)數(shù)表示試驗(yàn)刀圈耐磨性比威爾特刀圈耐磨性提高的百分?jǐn)?shù)，如-5.25表示耐磨性提高5.25%,正數(shù)表示耐磨性降低的百分?jǐn)?shù),如10.7表示耐磨性降低了10.7%。 從表中數(shù)據(jù)可以看出，硬度對(duì)耐磨性的影響是很明顯的，硬度平均降低5%，相對(duì)耐磨性要降低17%。因此，在這類

28、地層，往往根據(jù)巖層的抗壓強(qiáng)度選取刀圈。中軟巖 4585MPa如石灰?guī)r 砂巖 大理石 火山巖 凝灰?guī)r 用輕型刀圈中硬巖 85180MPa 如白云石 片麻巖花崗巖 片巖 長石 用重型刀圈硬巖 180MPa如閃綠巖 硅巖 角閃巖 硬質(zhì)粘土巖 玄武巖 燧石 礫 巖用球齒刀圈。 當(dāng)然也有例外，因巖層的抗壓強(qiáng)度與可鉆性并不完全一致，破巖主要是靠剪切來完成的（巖石的剪切強(qiáng)度往往只有抗壓強(qiáng)度的1/10-20），有些膠結(jié)砂巖，石英含量很高，耐磨性很大，抗壓強(qiáng)度并不太高，但用球齒刀圈更好。復(fù)合型刀盤復(fù)合型刀盤適用于軟硬不勻的地層,特點(diǎn)是即可安裝滾刀,也可安裝切削刀,在城市地鐵和市政工程盾構(gòu)施工中常見。 海瑞克復(fù)合

29、型盾構(gòu)在廣州、深圳、北京等城市地鐵大量應(yīng)用，日本小松、三菱也有應(yīng)用。海瑞克刀盤主要有兩種布刀形式：裝有中心雙刃滾刀6把，雙刃正滾刀13把，切刀64把，邊刮刀32把，五環(huán)超挖刀1把，適應(yīng)于80Mpa以內(nèi)的復(fù)合地層；刀盤裝有中心雙刃滾刀4把，單刃正滾刀31把，切刀64把，邊刮刀16把，五環(huán)超挖刀1把，適應(yīng)于160Mpa以內(nèi)的復(fù)合地層。在較軟的巖石地層滾刀可以更換為齒刀，增加刀盤對(duì)不同地層的適應(yīng)性。這類地層的特點(diǎn)是軟硬不勻，往往是上軟下硬，地層軟時(shí)滾刀易偏磨，外圈滾刀由于受力不均，常常出現(xiàn)刀圈斷裂的情況，特別是遇到大的孤石時(shí)，在廣州、深圳地鐵的進(jìn)口刀盤和刀具應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)刀圈斷裂和滾刀偏磨現(xiàn)象。

30、例如：例如：在上?；A(chǔ)公司施工深圳水庫流域污水截排工程中，工程地質(zhì)錯(cuò)綜復(fù)雜，整個(gè)管道須穿越340m庫尾淺覆土段、270m灘涂段（硬巖段）和300m沙灣河口段（卵石、沙層、巖層），巖層的單軸抗壓強(qiáng)度在40-140Mpa之間。地層描述見圖。盾構(gòu)機(jī)為改制的4.65m復(fù)合土壓平衡式，刀盤刀具為自行設(shè)計(jì)，其刀具刀盤結(jié)構(gòu)見圖。施工中，中心滾刀和低刀位正滾刀主要以正常磨損為主，外圈邊滾刀主要是刀圈崩裂。 為解決刀圈斷裂問題，我們?cè)鴩L試采取其他措施如把刀刃做厚、適當(dāng)降低刀圈硬度以提高其抗沖擊性能等，但效果都不明顯。因地層上下差別大，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)邊刀經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)碰撞巖石崩裂，剛更換的新滾刀也常發(fā)生崩裂，雖然改變掘進(jìn)參數(shù)會(huì)有所改善，但不能從根本上解決問題，針對(duì)這種情況，我們采用整體球齒盤形滾刀，刀圈和刀體做成一體，采用韌性較好的材料，如45CrNiMo一類的材料，降低本體的硬度，控制在HRC48-50，從根本上解決刀圈和刀體的開裂問題，要保證有足夠的耐磨