盾構(gòu)機(jī)刀具刀盤(pán)配置對(duì)扭矩、刀頭磨損及掘進(jìn)速度的影響

1、李越 北 京 交 通 大 學(xué)14121052 Beijing jiaotong university盾構(gòu)機(jī)刀具刀盤(pán)配置對(duì)扭矩、刀頭磨損及掘進(jìn)速度的影響摘要:土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)具有切削、支撐、攪拌、土體改良等功能，因此在控制掘進(jìn)效率、保持開(kāi)挖面的穩(wěn)定等方面起著決定性的作用。盾構(gòu)選型時(shí)必須結(jié)合地層的特殊性和通用性來(lái)確定刀盤(pán)型式、刀具的布置形式以及他們之間的組合方式。刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的改造是為充分發(fā)揮不同地層條件下輻條式刀盤(pán)和面板式刀盤(pán)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)兩者間的轉(zhuǎn)換。將面板式刀盤(pán)的六塊面板的裝配形式改為栓接加焊接的形式。刀具布置形式優(yōu)化是根據(jù)刀具的作用和運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)刀具的位置、形狀進(jìn)行合理的優(yōu)化布置，增強(qiáng)刀

2、具的切削能力、降低土體對(duì)刀具磨損進(jìn)而達(dá)到保護(hù)刀盤(pán)本體，為盾構(gòu)長(zhǎng)距離掘進(jìn)提供保障。關(guān)鍵詞:輻條式刀盤(pán);面板式刀盤(pán);刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);刀具布置形式前言伴隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷加大，城市交通呈急劇增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，21世紀(jì)將是中國(guó)城市軌道交通的新紀(jì)元，經(jīng)濟(jì)發(fā)展將會(huì)伴隨更大的都市化，地鐵交通的建設(shè)將促使城市的發(fā)展，甚至成為一個(gè)急迫的任務(wù)。盾構(gòu)機(jī)在隧道施工中，通過(guò)刀盤(pán)刀具對(duì)前方土體進(jìn)行切削，刀具與土體的適應(yīng)程度至關(guān)重要。盾構(gòu)是集液、電、氣于一體的大型機(jī)械化專用施工設(shè)備，目前應(yīng)用最廣泛的是閉胸式盾構(gòu)，主要分為泥水式和土壓平衡式。土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜多變的地質(zhì)條件下，其刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)型

3、式、刀盤(pán)的支撐形式、刀具的選型、刀具的布置將直接影響到設(shè)備掘進(jìn)的效果。刀盤(pán)刀具于前方土體不適應(yīng)，將使盾構(gòu)掘進(jìn)非常緩慢甚至寸步難行，直接影響到盾構(gòu)機(jī)的工作效率、工程進(jìn)展及工程的經(jīng)濟(jì)效益。由于刀具是易損件，消耗量大，如果只是依靠進(jìn)口刀具不僅供貨期長(zhǎng)，而且成本高，所以使用國(guó)產(chǎn)刀具勢(shì)在必行。在掌握盾構(gòu)刀具切削機(jī)理和深刻認(rèn)識(shí)刀具磨損相關(guān)因素的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的施工地質(zhì)進(jìn)行刀盤(pán)刀具的選擇、刀具的布置等盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)備最關(guān)鍵、最核心的問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化就顯得尤為必要。1 刀盤(pán)的布置針對(duì)不同的地層情況以及設(shè)備等情況，盾構(gòu)的刀盤(pán)形式有很多，其主要功能為以下兒點(diǎn)：（1）切削功能:刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)布置在刀盤(pán)上

4、各種形式的刀具切削土體，并將切削下來(lái)的土體刮到土倉(cāng)。（2）支撐功能:依靠輻條及輻條之問(wèn)的面板起到支撐掌了面土體的作用。（3）攪拌功能:通過(guò)刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)及攪拌棒的配合作用，使土體與膨潤(rùn)土、泡沫等充分混合，以改善土體的和易性、可塑性，增強(qiáng)土體的流動(dòng)性，便于出渣，提高掘進(jìn)工作效率。（4）控制出渣粒徑:通過(guò)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式及刀盤(pán)開(kāi)口率控制進(jìn)入土倉(cāng)內(nèi)土體的粒徑。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，刀盤(pán)形式上主要分為輻條式和面板式兩類(lèi)，還有一種是兩者組合的復(fù)合式刀盤(pán)，在該類(lèi)型中中泥水土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)是真正的面板式，而我們通常意義上的面板式刀盤(pán)指的是復(fù)合式刀盤(pán)，在本文中統(tǒng)稱為面板式刀盤(pán)。兒種結(jié)構(gòu)形式的刀盤(pán)見(jiàn)下圖。圖1.1輻條

5、式刀盤(pán) 圖1.2刀盤(pán)式刀盤(pán) 圖1.3復(fù)合式刀盤(pán)關(guān)于刀盤(pán)縱斷面形狀大致有以下幾種：1、垂直平面形；2、突芯平面形；3、穹頂形；4、傾斜形；5、收縮形。如圖1.4所示：圖1.4 刀盤(pán)縱斷面形式三種不同的刀盤(pán)適用于不同的地質(zhì)環(huán)境和工程概況，如下表1.1所示：表1.1 輻條式刀盤(pán)與面板式刀盤(pán)主要性能對(duì)比表通過(guò)表中的對(duì)比我們可以看出面板式刀盤(pán)更適合于軟土環(huán)境的地質(zhì)環(huán)境中，可以有效的抵御掌子面的坍塌。而輻條式刀盤(pán)適合于硬質(zhì)地層中的隧道中。結(jié)合兩種類(lèi)型刀盤(pán)實(shí)際使用情況，根據(jù)的刀盤(pán)的功能我們?cè)谠O(shè)計(jì)和改造刀盤(pán)時(shí)主要考慮以下三個(gè)問(wèn)題:（1）開(kāi)口率開(kāi)口率是盾構(gòu)刀盤(pán)上一個(gè)較重要的參數(shù)，直接影響到土體進(jìn)入土倉(cāng)的流動(dòng)性。

6、輻條式刀盤(pán)因缺少面板以及輻條的圓柱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)口率較大，切削下來(lái)的土很容易進(jìn)入到土倉(cāng)內(nèi);面板式刀盤(pán)因增加了面板以及輻條的箱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加之刀具配置較多，開(kāi)口率較小，切削下來(lái)的土體很難及時(shí)進(jìn)入到土倉(cāng)內(nèi)，加速了刀具的磨損。所以開(kāi)口率的大小一方面影響到出渣粒徑，另一方面直接關(guān)系到刀盤(pán)的磨損速度。（2）支撐作用輻條式刀盤(pán)和面板式刀盤(pán)起支撐作用的主體不同。輻條式刀盤(pán)土倉(cāng)內(nèi)外的壓差很小，從土倉(cāng)內(nèi)的土壓計(jì)上易確定土壓值，為掘進(jìn)過(guò)程中的控制提供了真實(shí)有效的依據(jù)，但其支撐作用主要是靠土倉(cāng)壁完成的;面板式刀盤(pán)承受著來(lái)白掌了面上的土壓力，起到很好的支撐作用。但土倉(cāng)內(nèi)的土壓力不僅與掌了面的土壓力有關(guān)，還與土倉(cāng)內(nèi)土體

7、的密實(shí)度有關(guān)，掌了面和土倉(cāng)內(nèi)土壓存在一定差值，且這個(gè)差值受到刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)位置、推進(jìn)速度等多方面的影響，不確定性較強(qiáng)，這樣我們還將土倉(cāng)內(nèi)的土壓值視為掌了面的土壓值來(lái)指導(dǎo)掘進(jìn)勢(shì)必導(dǎo)致一定得誤差。（3）切削作用影響刀盤(pán)切削功能的主要是刀具的形式及其布置形式。在軟土和砂卵石地層中，完成切削功能的主要刀具切削刀。目前無(wú)論是輻條式還是復(fù)合式均采用齒刀切削土體，只是齒刀的尺寸、形式、布置位置、裝配方式上有差別;刮刀的形式差別較小，且多為裝配的方式。2 刀具的布置和形式刀盤(pán)上配置有不同類(lèi)型刀具，使盾構(gòu)機(jī)能適應(yīng)軟土到硬巖各種地層的掘進(jìn)。滾壓類(lèi)刀具：?jiǎn)稳袧L刀、雙刃滾刀、三刃滾刀等。切削類(lèi)刀具：切刀、刮刀、齒刀、保徑刀

8、、超挖刀、中心魚(yú)尾刀、貝殼刀等。對(duì)于不同地層的開(kāi)挖，盾構(gòu)的刀具通常采用不同型式：開(kāi)挖地層為硬巖時(shí)，采用盤(pán)形滾刀；地層為較軟巖石時(shí)，采用齒刀；地層為軟土或破碎軟巖時(shí)，可采用切刀(或刮刀)，如圖2.1所示：圖2.1 不同刀盤(pán)刀具的形式2.1滾刀刀具的特點(diǎn)以滾刀為例，在硬巖掘進(jìn)時(shí)，采用滾刀破巖，滾刀破巖的特點(diǎn)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。根據(jù)形狀不同，可分為盤(pán)形滾刀，球齒滾刀，楔齒滾刀等。盤(pán)形滾刀是刀圈為盤(pán)形的滾刀，根據(jù)刀刃多少又分為單刃滾刀、雙刃滾刀和三刃滾刀。目前普遍使用的是單刃滾刀，盤(pán)形滾刀主要由 圖2.2 滾刀結(jié)構(gòu)圖刀圈、刀體、刀軸、軸承、密封等組成。如圖2.

9、2所示。刀圈斷面形狀有楔刃形和平刃形，刀刃角一般有60°、75°、90 °、120 °或平刃等，掘進(jìn)硬巖時(shí)一般用較大刀刃角，掘進(jìn)較軟巖石時(shí)用較小刀刃角。對(duì)于特別軟的巖層，刀刃角小容易嵌入巖層，增大刀刃角甚至做成平刃可以改善掘進(jìn)效果。因平刃盤(pán)形滾刀與巖石表面接觸面積磨損前后變化小，近年來(lái)平刃刀具使用逐漸增多。圖2.3 滾刀側(cè)面圖2.2滾刀的布置方式：a、單螺旋布置b、雙螺旋布置圖2.4 滾刀在刀盤(pán)上布置形式2.3滾刀破巖機(jī)理當(dāng)滾刀受載，刀刃切入圍巖時(shí)，巖石表面首先產(chǎn)生局部變形并出現(xiàn)微觀裂紋，此過(guò)程為巖石的初期破碎，當(dāng)載荷繼續(xù)增加，滾刀切入巖石深度也相應(yīng)的加

10、深，在滾刀刃端的巖石粉碎破碎，并且又重新被碾壓，圍觀裂紋在刀刃 圖2.5 滾刀破巖示意圖兩側(cè)較快發(fā)展，一些裂紋開(kāi)始延伸到巖石表面，最后形成幾道主要裂紋并迅速發(fā)展，便形成體積較大的巖石碎塊，繼而崩落。滾刀的間距設(shè)置會(huì)影響不同巖體的破碎情況，應(yīng)該根據(jù)巖石強(qiáng)度調(diào)節(jié)。2.4滾刀受力分析對(duì)于在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，由滾動(dòng)受力示意圖可以看出，阻止?jié)L刀轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩主要由三部分組成，土倉(cāng)內(nèi)渣土的摩擦阻力力矩，刀箱內(nèi)渣土的阻力力矩和滾刀的啟動(dòng)力矩(大小為3050N·m)。如圖2.6所示：通常盾構(gòu)刀盤(pán)外圈刀具的磨損量由下式計(jì)算 ：式中，磨損量(mm)； K磨耗系數(shù)(mm/km)； 圖2.6 刀具受力圖 D盾構(gòu)

11、刀盤(pán)外徑(m)； N刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度(r/min)； L掘進(jìn)距離(m)； V掘進(jìn)速度(cm/min)。3 刀盤(pán)和刀具的配置設(shè)計(jì)3.1不同開(kāi)口率條件下刀盤(pán)扭矩值以北京地鐵四號(hào)線14標(biāo)及4標(biāo)刀盤(pán)參數(shù)、掘進(jìn)參數(shù)及工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對(duì)不同開(kāi)口率條件下刀具切削扭矩進(jìn)行計(jì)算分析。表3.1 刀盤(pán)刀具基本參數(shù)表3.2開(kāi)口率35%條件下刀盤(pán)扭矩分項(xiàng)計(jì)算表3.3開(kāi)口率50%條件下刀盤(pán)扭矩分項(xiàng)計(jì)算表3.4 開(kāi)口率75%條件下刀盤(pán)扭矩分項(xiàng)計(jì)算圖3.1刀盤(pán)扭矩分項(xiàng)各占比例從以上計(jì)算可以看出，各種開(kāi)口率條件下刀具切削扭矩占刀盤(pán)總扭矩小于5%，即刀具配置對(duì)刀盤(pán)扭矩的影響非常小，減低刀盤(pán)扭矩應(yīng)該從刀盤(pán)開(kāi)口率、刀盤(pán)寬度、渣土摩

12、擦系數(shù)等因素入手，刀具的設(shè)計(jì)、配置及優(yōu)化對(duì)刀盤(pán)扭矩?zé)o影響。3.2刀具配置對(duì)刀具磨損的影響砂卵石地層盾構(gòu)刀盤(pán)主要有三類(lèi)刀具配置方式：(1)正面刮刀+周邊刮刀組合，在北京地鐵五號(hào)線17標(biāo)及沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線9標(biāo)等工程中被采用；(2)正面刮刀+周邊刮刀+滾刀組合，廣泛應(yīng)用于成都地鐵，北京地鐵四號(hào)線20標(biāo)等工程也有應(yīng)用；(3)正面刮刀+盤(pán)圈貝型刀+先行刀或正面刮刀+盤(pán)圈貝型刀+先行刀+中心魚(yú)尾刀組合在北京地鐵廣泛應(yīng)用。在成都地鐵中，通過(guò)對(duì)刀盤(pán)刀具新設(shè)計(jì)取得的效果如下表3.5：表3.5 刀具改造前后區(qū)別在坐標(biāo)軸中對(duì)比可得改造前后的變化如下圖3.2所示：圖3.2刀具配置改造前后刀具磨損系數(shù)對(duì)比和刀具配置前后一

13、次掘進(jìn)距離對(duì)比從以上統(tǒng)計(jì)分析可以看出，不同的刀具配置對(duì)刀具磨損及一次掘進(jìn)距離影響非常大。4總結(jié)4.1減少刀具磨損的措施(1)改善刀盤(pán)與刀體的耐磨性(2)施工工藝措施 ：選擇合適的添加劑改良材料 ；適當(dāng)調(diào)整掘進(jìn)速度及轉(zhuǎn)速等；合理的交替使用刀盤(pán)正、反轉(zhuǎn) ；自立性好的地段采用適當(dāng)?shù)臏p壓施工措施；采用長(zhǎng)、短刀(主、副刀)具并用法切削土體；選擇恰當(dāng)?shù)亩軜?gòu)刀具幾何參數(shù)，恰當(dāng)?shù)牡毒卟贾梅绞?4.2改善掘進(jìn)速度的措施刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)及刀具的配置直接關(guān)系到掘進(jìn)的效果和效率，因此針對(duì)不同的地層情況進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)和調(diào)整，通過(guò)合理的優(yōu)化，將有效延長(zhǎng)刀盤(pán)、刀具的使用壽命，可以降低施工的成本，且為盾構(gòu)長(zhǎng)距離施工的提供了可靠的保障。參考文獻(xiàn)1王成. 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中影響刀盤(pán)磨損因素研究D.東北大學(xué),2009.2裴瑞英. 盾構(gòu)機(jī)刀具磨損與布局問(wèn)題分析研究D.天津大學(xué),2009.3周喜溫. 土壓平衡式復(fù)合盾構(gòu)刀盤(pán)的刀具優(yōu)化配置研究D.中南大學(xué),2010.4蒲毅,劉建琴,郭偉,裴瑞英. 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)刀具布置方法研究J. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),201