關(guān)于盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜巖石地層刀盤設(shè)計(jì)和運(yùn)作的構(gòu)想

1、隧道病害與防治 任課老師： 閔凡路 班級： 12級土木7班 姓名： 莊雅雅 學(xué)號： 1204010204 關(guān)于盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜巖石地層刀盤設(shè)計(jì)和運(yùn)作的構(gòu)想莊雅雅(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院學(xué)院,江蘇 南京 210098）摘要：針對盾構(gòu)機(jī)在簡單地層和復(fù)合地層隧道掘進(jìn)中的工作原理，考慮刀具的種類和切削原理，解釋刀具配置的差異性、刀具配置的“矛盾”現(xiàn)象，結(jié)合感應(yīng)和輸出系統(tǒng)，構(gòu)想復(fù)合盾構(gòu)機(jī)的刀盤布置，運(yùn)作方式，更好地適合應(yīng)用工程的地質(zhì)條件，提高盾構(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。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；刀盤；感應(yīng)系統(tǒng)；局部可控；機(jī)械化中圖分類號：XXXX 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:XShield in

2、complex rock formation on the knife dish the idea of the design and operationZHUANG Ya-ya（College of civil and transportation, Hohai University, Nanjing 210098, China）Abstract: Shield in simple formation and composite formation for the operation principle of the tunneling, consider the types of cutt

3、ing tools and cutting principle, explain tool configuration, the difference of the cutting tool configuration contradiction phenomenon, combining induction and output system, the concept of composite shield machine cutter layout, operation way, better suited for application engineering geological co

4、nditions, improve the service life of the shield machine cutter, cutting effect, the condition of the unearthed, driving speed and efficiency of construction.Key words:Shield machine; The knife dish; Induction system; Local controllable; mechanization0引言盾構(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

5、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：雙刃滾刀、中心滾刀、齒刀、切刀、弧形刮刀和仿形刀。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、中心刀更換為對應(yīng)形式的齒刀。在實(shí)際的掘進(jìn)過程中，土層狀況很難準(zhǔn)確預(yù)料，而且地層變化復(fù)雜，非難以地層，刀盤事先布置不夠靈活，如果在掘進(jìn)過程中進(jìn)行刀片更換也極大地降低了掘進(jìn)速度。所以合適的刀盤布置和運(yùn)行以及自動的感應(yīng)更換系統(tǒng)是需要進(jìn)一步完善思想并運(yùn)用在實(shí)際工程中的。1. 現(xiàn)階段盾構(gòu)機(jī)刀盤的分類和布置，運(yùn)行機(jī)理，更換方式。1

6、.1刀盤的分類和布置1.11刀片的分類(1)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、粘土等松散體地層。(2)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

7、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。(3)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。將其布置在刀盤盤圈前端面，專用于切削砂卵石。(3)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

8、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。(3)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

9、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。(4)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。滾刀分為齒形（球齒、楔齒）滾刀和盤形滾刀。1.12刀片的布置（1） 軟弱土地層如南京、上海、杭州等地，其地

10、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)，因此切刀的布置也在正反方向布置，為了提高切刀的可靠性，在每個軌跡上至少布置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。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，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，

11、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） 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；

12、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

13、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。1.2刀盤的運(yùn)行機(jī)理刀盤是一個帶有多個進(jìn)料槽的切削盤體，位于盾構(gòu)機(jī)的最前部，用于切削土體，刀盤的開口率約為28，刀盤直徑628m，也是盾構(gòu)機(jī)上直徑最大的部分，一個帶四根支撐條幅的法蘭板用來連接刀盤和刀盤驅(qū)動部分，刀盤上可根據(jù)被切削土質(zhì)的軟硬而選擇安裝硬巖刀具或軟土刀具，刀盤的外側(cè)還裝有一把超挖刀，盾構(gòu)機(jī)在轉(zhuǎn)向掘進(jìn)時(shí)，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盤的徑向方向向外伸出，從而擴(kuò)大開挖直徑，這樣易于實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的轉(zhuǎn)向。超挖刀油缸桿的行程為50mm。刀盤上安裝的所有類型的刀具都由螺栓連接，都可以從刀盤后面的泥土倉中進(jìn)行更換。法蘭板的后部

14、安裝有一個回轉(zhuǎn)接頭，其作用是向刀盤的面板上輸入泡沫或膨潤土及向超挖刀液壓油缸輸送液壓油。刀盤驅(qū)動由螺栓牢固地連接在前盾承壓隔板上的法蘭上，它可以使刀盤在順時(shí)針和逆時(shí)針兩個方向上實(shí)現(xiàn)0-61rpm的無級變速。刀盤驅(qū)動主要由8組傳動副和主齒輪箱組成，每組傳動副由一個斜軸式變量軸向柱塞馬達(dá)和水冷式變速齒輪箱組成，其中一組傳動副的變速齒輪箱中帶有制動裝置，用于制動刀盤。安裝在前盾右側(cè)承壓隔板上的一臺定量螺旋式液壓泵驅(qū)動主齒輪箱中的齒輪油，用來潤滑主齒輪箱，該油路中一個水冷式的齒輪油冷卻器用來冷卻齒輪油。1.3刀盤的更換方式先通過承壓墻向土倉內(nèi)灌注水泥砂漿置換出倉內(nèi)碴土，形成刀盤面板的封閉與主軸承的保護(hù)

15、；再通過超前注漿孔向刀盤切口斜上方注入水泥漿加固拱頂，待漿液達(dá)到強(qiáng)度之后開倉檢查掌子面穩(wěn)定情況，人工清除倉內(nèi)砂漿與泥餅并檢查更換刀具。若砂漿置換開倉后發(fā)現(xiàn)刀盤面板封閉沒有達(dá)到理想效果，掌子面及切口上方仍存在坍塌的可能，則立即向土倉內(nèi)加氣建立壓力，人員帶壓進(jìn)倉清除倉內(nèi)砂漿與泥餅，并檢查更換刀具。2.刀具的布置和運(yùn)行構(gòu)想2.1普通盾構(gòu)機(jī)運(yùn)作缺陷在現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)中，刀盤是隨著整個側(cè)盤旋轉(zhuǎn)，每個刀具都進(jìn)行著360度大范圍旋轉(zhuǎn)施工，特別是在復(fù)雜地層中，不同類型的刀具本應(yīng)該在特定的土層中發(fā)揮作用，可是無法避免在復(fù)雜地層中運(yùn)行，在混合刀具中，磨損和破壞非常嚴(yán)重。2.2刀盤布置構(gòu)想將盾構(gòu)機(jī)橫截面分成類似圖中多圓造

16、型，每個圓都可以獨(dú)立轉(zhuǎn)動，在開始分析地層時(shí)配置與地層相吻合的刀片，可以控制刀片的位置和疏密程度，在運(yùn)行過程中，道具在小圓中轉(zhuǎn)動，充分利用刀片設(shè)計(jì)的性能，減少刀具的磨損，提高盾構(gòu)機(jī)的工作效率。3.感應(yīng)裝置和自動化機(jī)械施工相結(jié)合3.1盾構(gòu)機(jī)施工難點(diǎn)和要點(diǎn)雖然盾構(gòu)機(jī)在管片拼裝方面的自動化和機(jī)械化已經(jīng)有很大進(jìn)步和改善，在盾構(gòu)機(jī)工作過程中經(jīng)常遇見不良地質(zhì)導(dǎo)致刀具損壞需要及時(shí)更換。這說明盾構(gòu)機(jī)在預(yù)見不良地質(zhì)方面需要改進(jìn)，同時(shí)人工更換刀具也有很大風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行機(jī)械化方面的改進(jìn)。3.2感應(yīng)系統(tǒng)與刀具配置的結(jié)合首先對盾構(gòu)機(jī)工作面的多圓進(jìn)行改造，使其的封閉和開合性能能夠很好地控制，在盾構(gòu)機(jī)工作開始前，多圓輸出感應(yīng)

17、系統(tǒng)，對每個圓接觸的面進(jìn)行應(yīng)力測試，向電腦輸出應(yīng)力應(yīng)變曲線，電腦通過一定程序繪制出整個斷面的地層狀況，并分析出對應(yīng)合適刀具。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控地層狀況，更好地保護(hù)刀具，可以和管片拼裝的間斷性相協(xié)調(diào)，每一階段進(jìn)行一次測試。這樣就可以確保刀具始終處于適應(yīng)地層狀態(tài)。3.3輸入和更換刀具普通盾構(gòu)機(jī)刀具損壞更換比較困難，一部分是人身安全問題，一部分也是，刀具比較復(fù)雜，在運(yùn)行過程中很難預(yù)測或者知道哪個刀具發(fā)生損壞。通過每個小圓配置刀具和感應(yīng)系統(tǒng)可以較為容易發(fā)現(xiàn)刀具運(yùn)作的效率和狀態(tài)，對刀具損壞有很好的預(yù)測作用，同時(shí)，因?yàn)榈貙幼兓鼡Q刀具因?yàn)椴恍枰藶榕袛喾轿缓蛿?shù)量，可以利用機(jī)械化更換刀具，節(jié)省時(shí)間也避免人身事故。4. 盾構(gòu)機(jī)刀盤具體運(yùn)行流程概述通過刀盤截面的工作面的改變和感應(yīng)系統(tǒng)以及機(jī)械化更換刀具的實(shí)施，盾構(gòu)機(jī)在刀盤運(yùn)行方面流程基本如下：各小圓輸出感應(yīng)系統(tǒng)電腦分析地層并繪制整體地層圖像導(dǎo)入合適刀具機(jī)械化安裝刀具（從內(nèi)向外）定距離重復(fù)以上步驟，實(shí)時(shí)更換地層臨界處刀具。5.構(gòu)想的不足與完