盾構(gòu)機(jī)刀具種類及配置方式調(diào)研報(bào)告

1、盾構(gòu)機(jī)刀具種類及配置方式調(diào)研報(bào)告盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法，它是將盾構(gòu)機(jī)械在地中推進(jìn)，通過(guò)盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌。同時(shí)在開挖面前方用切削裝置進(jìn)行土體開挖，通過(guò)出土機(jī)械運(yùn)出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進(jìn)，并拼裝預(yù)制混凝土管片，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機(jī)械化施工方法。機(jī)械化盾構(gòu)機(jī)的掘削機(jī)構(gòu) ,具有開挖地層、穩(wěn)定開挖面、攪拌渣土等功能 ,并承受大扭矩、大推力和沖擊載荷的作用 ,其工作狀況非常惡劣。 盾構(gòu)機(jī)刀具配置是盾構(gòu)機(jī)刀具設(shè)計(jì)管理中的重要內(nèi)容，其的詳細(xì)配置關(guān)系到其是否符合使用的地址條件和要求，而且針對(duì)不同的盾構(gòu)機(jī)的地質(zhì)，其使用壽命、切削的效果、出土的狀況和掘進(jìn)的速

2、度和效果、施工的進(jìn)度和要求都會(huì)受到直接的影響。通過(guò)去成都海瑞克、中鐵裝備、中船重工三個(gè)盾構(gòu)機(jī)制造廠商以及刀具生產(chǎn)廠商、成都地鐵各在建盾構(gòu)區(qū)間的調(diào)研及考察，現(xiàn)著重介紹盾構(gòu)機(jī)刀具的主要種類和其工作原理，同時(shí)針對(duì)不同的地質(zhì)情況，提出刀具配置的差異與不同，并且針對(duì)盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中進(jìn)行隧道掘進(jìn)時(shí)，刀具配置使用等問(wèn)題進(jìn)行闡述和研究。推薦精選一、刀具種類和切削原理1、刀具的種類 盾構(gòu)機(jī)刀具是根據(jù)工程地段硬巖、軟巖的不同強(qiáng)度和地質(zhì)特點(diǎn)，根據(jù)刀具在軟、硬巖中不同的破巖機(jī)理來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇的。刀盤上可以安裝不同類型的刀具以適應(yīng)不同地層的開挖，主要刀具類型為：切刀、刮刀、先行刀（超前刀）、貝型刀、中心刀（魚尾刀、

3、雙刃或三刃滾刀、錐形刀、中心羊角刀）、單刃滾刀和刮碴板。其中滾刀和齒刀的刀座形式相同，根據(jù)不同的地質(zhì)類型兩種刀具可以互換。在硬巖中掘進(jìn)時(shí)刀盤需安裝雙刃滾刀、中心刀，在軟巖中掘進(jìn)時(shí)可以根據(jù)需要把雙刃滾刀、中心刀更換為對(duì)應(yīng)形式的齒刀。 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(duì)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(dòng)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(lái)。切削刀一般適用于粒徑小于400mm的砂、卵石、粘土等松散體地層。 推薦精選 

4、 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(dòng)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(huì)產(chǎn)生較大

5、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。將其布置在刀盤盤圈前端面，專用于切削砂卵石。推薦精選   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600 mm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

6、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(lái)的土體，在切向、徑向運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，又增加一項(xiàng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣既可解決中心部分土體的切削問(wèn)題和改善切削土體的流動(dòng)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。推薦精選   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(guò)仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間

7、，保證盾構(gòu)機(jī)在超挖少、對(duì)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 柱型超挖刀推薦精選   1. 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(dòng)產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達(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(cuò)頻繁出現(xiàn)的情況，

8、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。 單刃滾刀2、切削的主要原理 盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理就是一個(gè)圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進(jìn)邊對(duì)土壤進(jìn)行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護(hù)盾，它對(duì)挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時(shí)支撐的作用，承受周圍土層的壓力，有時(shí)還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘推薦精選、排土、襯砌等作業(yè)在護(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行。其主要分為以下三個(gè)階段： 2.1、盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn) 液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，同時(shí)開啟盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸，將盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)，隨著推進(jìn)油缸的向前推進(jìn)，刀盤持續(xù)旋轉(zhuǎn)，被切削下來(lái)的碴土充滿泥土倉(cāng)，此時(shí)開動(dòng)螺旋輸送機(jī)將切削下來(lái)的渣土排送到皮帶輸送機(jī)上，后由皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸至渣土車

9、的土箱中，再通過(guò)豎井運(yùn)至地面。 2.2、掘進(jìn)中控制排土量與排土速度 當(dāng)泥土倉(cāng)和螺旋輸送機(jī)中的碴土積累到一定數(shù)量時(shí)，開挖面被切下的渣土經(jīng)刀槽進(jìn)入泥土倉(cāng)的阻力增大，當(dāng)泥土倉(cāng)的土壓與開挖面的土壓力和地下水的水壓力相平衡時(shí)，開挖面就能保持穩(wěn)定，開挖面對(duì)應(yīng)的地面部分也不致坍坍或隆起，這時(shí)只要保持從螺旋輸送機(jī)和泥土倉(cāng)中輸送出去的渣土量與切削下來(lái)的流人泥土倉(cāng)中的渣土量相平衡時(shí)，開挖工作就能順利進(jìn)行。 2.3、管片拼裝 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一環(huán)的距離后，拼裝機(jī)操作手操作拼裝機(jī)拼裝單層襯砌管片，使隧道次成型。二、刀具配置方式 刀具的配置方式需要綜合當(dāng)前工程地質(zhì)地層的實(shí)際情況，通過(guò)了解地層的巖石.土層情況之后，根據(jù)不同的工

10、程地質(zhì)特點(diǎn)，選取不同的刀具配置方案，最終達(dá)到最好的切削效果和掘進(jìn)速度。依據(jù)當(dāng)前的地層的土質(zhì)情況，我們大致可以將土層分為以下四種土層：軟弱土地層推薦精選、砂層及砂卵石地層、風(fēng)化巖及軟硬不均地層、單純的純硬巖地層。1、軟弱土地層的刀具 這些土質(zhì)層主要是以淤泥.粘土和粉質(zhì)粘土為主，他們其中的巖石非常少，主要是以小顆粒泥土為主，因此在選擇使用切削刀具時(shí)，一般采用切刀、周邊刮刀、中心刀、先行刀和超挖刀。這些刀具的切刀安裝在開口槽的兩側(cè),覆蓋了整個(gè)進(jìn)碴口的長(zhǎng)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(duì)較大,磨

11、損后對(duì)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(duì)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(zhǎng)刀具的使用壽命,切刀的破巖能力為20MPa,可以順利地通過(guò)進(jìn)出洞端頭的加固地層。2、砂層及砂卵石地層的刀具 一些地區(qū)的地質(zhì)土層主要是以砂,卵石地層為主，而其中會(huì)含有顆粒加到的巖石或者漂石，這需要配置滾刀以防不備。在此砂層及砂卵石地層施工時(shí)，需要設(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

12、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推薦精選；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。3、風(fēng)化巖及軟硬不均地層的刀具 在我國(guó)的西南部巖石區(qū)域較多，屬于上軟下硬，地質(zhì)情況極為復(fù)雜，而且部分的巖石抗壓能力能夠達(dá)到150-200Mpa左右，因此進(jìn)行此類巖石挖掘時(shí)，還需要增加上切削型刀具外包括寬幅切刀，而其施工時(shí)徐奧提供先行到，在到滾刀。由于巖石層較為復(fù)雜，因此整個(gè)破巖的過(guò)程應(yīng)當(dāng)為首先通過(guò)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)。4、單純的純硬巖地層的刀具 單純硬巖地層應(yīng)當(dāng)直接誒選用滾刀，而無(wú)需任何齒刀直接使用，甚至可以在刀盤面板周邊開口處配備刮碴刮刀板，以便能夠增強(qiáng)滾刀的使用效率。三、刀具配置的差異性在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘土?xí)r，需要注意的到刀具配置的差異會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度和效果，因此選擇合適的刀具對(duì)于工程進(jìn)度非常有幫助。在復(fù)合型地層施工時(shí)，刀具配置之間的差異主要變相在滾刀和先行刀之間的參數(shù)配置推薦精選、數(shù)量、厚度、高度以及相互組合的差異上。其主要的表現(xiàn)為刀具高能夠有效的方式泥餅的形成，高度差異過(guò)大有利于將巖石徹底破碎。而且滾刀刀間距過(guò)大和過(guò)小都會(huì)對(duì)破巖產(chǎn)生巨大的差異。刀具間距過(guò)大，滾刀將會(huì)出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象，從而無(wú)法有效的破巖，而滾刀間距過(guò)小，小塊的碎石就會(huì)增多，導(dǎo)致巖石破碎難度增大。因此在復(fù)合地層中間進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，需要使用周邊滾刀間距小于90mm，正面滾刀間距大約為100mm-120mm的盾構(gòu)機(jī)，從而能夠防止?jié)L刀間距不足或過(guò)小產(chǎn)生的問(wèn)題。當(dāng)然為了能夠保證實(shí)際施工效果，使用盾構(gòu)機(jī)的刀具間距最好經(jīng)過(guò)考察的工地地層的巖石情況具體而定。四、結(jié)束語(yǔ)通過(guò)此次的考察調(diào)研，我充分認(rèn)識(shí)到刀具對(duì)整個(gè)盾構(gòu)施工作業(yè)的重要性