盾構(gòu)機(jī)刀具配置

1、盾構(gòu)機(jī)刀具配置摘 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(duì)不同的地層情況，提出刀具的具體配置方式。針對(duì)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(zhǎng)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(Tunnel Boring Machine) Cutting Tools Configuration is one of

2、the most important factor during TBM cutting tool design. This article focus on describe the type of cutting tools and cutting theory, Meanwhile, the detail cutting tools configuration has been proposed due to different geologic condition. Analyzed the discrepant cutting tool configuration and “the

3、Contradictory Phenomenon”. According to the reference project, a new cutting tools configuration design thought & theory is proposed from TBM manufacture for long distance tunnel excavation in gravel geologic condition(especially content big boulder). At the end of this article, the necessary consid

4、eration factor is provided during cutting tools configuration design. Key words: Type of Cutting Tools; Cutting Theory; Cutting Tools Configuration; Cutting Tools Design0 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

5、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。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

6、體地層，尤其是砂卵石地層先行刀的使用效果十分明顯。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

7、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(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。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，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(dòng)產(chǎn)生

8、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，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80100MP

9、a的斷裂礫巖、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(zhǎng)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(duì)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(lái)的碴石，鏟裝量小，磨損較小。2 刀具配置方式 刀具的布

10、置方式需要充分考慮工程地質(zhì)情況，進(jìn)行針對(duì)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(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

11、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。考慮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。2.2 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

12、，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(duì)復(fù)雜。對(duì)于巖層首先通過(guò)滾刀進(jìn)行破巖，且滾刀的超前量應(yīng)大于

13、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(wú)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90mm和70

14、mm。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(duì)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(guò)大和過(guò)小都不利于破巖，間距過(guò)大，滾刀間會(huì)出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象，間距過(guò)小，滾刀間會(huì)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(guó)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(guò)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，切刀被磨平或被崩斷。在復(fù)合地層中，有些

15、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(duì)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(zhǎng)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(hào)線06標(biāo)段，盾構(gòu)單線隧道長(zhǎng)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(cè)大于400mm粒徑卵石含量為15%40%，隧道附近基坑內(nèi)有150020

16、00mm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120187 Mpa，石英和長(zhǎng)石含量為70%95%。 盾構(gòu)廠家針對(duì)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3130 mm大直徑軸承，配備了1200kw的驅(qū)動(dòng)動(dòng)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(guò)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(guò)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(dòng)力矩和滾