第6講-盾構(gòu)機(jī)刀具磨損及刀盤設(shè)計(jì)

1、第六講大型施工機(jī)械盾構(gòu)機(jī)部分一、特殊條件下掘進(jìn)二、刀盤及刀具磨損主講：郭京波 教授1、 盾構(gòu)機(jī)過人工湖的掘進(jìn)（1）定期、定量、均勻的壓注盾尾油脂，確保尾封密封嚴(yán)密，鋼絲刷密封油脂飽滿。（2）砂層掘進(jìn)采用土壓平衡模式掘進(jìn)，均速掘進(jìn)，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1-1.5轉(zhuǎn)/分鐘，減小對(duì)地層的擾動(dòng)。（3）通過密封倉(cāng)壁上注入機(jī)構(gòu)向倉(cāng)前土體內(nèi)注入濃度高的膨潤(rùn)土泥漿和泡沫，以改善土體性狀，減小刀具磨損量，阻止地下水滲透。（4）推進(jìn)中，要確保注漿壓力及注漿量，同時(shí)提高同步注漿的質(zhì)量，要求漿液有較短的初凝時(shí)間，防止地面的后續(xù)沉降，但注漿壓力不要過大，以免引起地面的隆起。（5）密切注視出土情況，若出現(xiàn)黑色淤泥、涌水量增大或

2、出土量大時(shí)，應(yīng)增加推力和土倉(cāng)壓力，加注濃度高的膨潤(rùn)土，提高推進(jìn)速度，快速通過。一、特殊條件下掘進(jìn)每10環(huán)注一次雙液漿，使隧道縱向形成間隔的止水隔離帶，防止管片外側(cè)橫向貫通。連續(xù)掘進(jìn)，爭(zhēng)取不換刀，一次通過人工湖。與地面監(jiān)測(cè)人員密切聯(lián)系，并保持通信暢通，以快速應(yīng)對(duì)地面的突發(fā)情況。掘進(jìn)過程 做好出碴量的記錄，保證出碴量與掘進(jìn)速度的一致，避免出碴量遠(yuǎn)大于掘進(jìn)量而引起“冒頂”事故。出現(xiàn)噴涌時(shí)，關(guān)閉螺旋輸送機(jī)出料門，并使盾構(gòu)機(jī)適當(dāng)向前推進(jìn)，加注高濃度膨潤(rùn)土，待攪拌均勻后在緩慢邊掘進(jìn)邊出土，始終保持土倉(cāng)壓力穩(wěn)定。（11）為了防止隧道管片上浮，除了加強(qiáng)注漿管理外，在推進(jìn)時(shí)盡量使盾構(gòu)機(jī)沿著隧道設(shè)計(jì)軸線下掘進(jìn)，垂

3、直控制在30mm。在未進(jìn)入曲線前，提前開啟鉸接裝置，預(yù)先推出弧形態(tài)勢(shì)。 精確計(jì)算每一推進(jìn)循環(huán)的偏離量與偏轉(zhuǎn)角的大小，根據(jù)盾尾間隙及推進(jìn)油缸行程差、鉸接油缸行程差、掘進(jìn)線形，選擇合適類型的管片；將每一循環(huán)推進(jìn)后的測(cè)量結(jié)果記入圖中與設(shè)計(jì)曲線相對(duì)照，確定是否修正下次推進(jìn)的偏轉(zhuǎn)量與方位角；將盾構(gòu)機(jī)沿曲線的割線方向掘進(jìn)，預(yù)偏量為30-50mm，以減小管片因受側(cè)向分力而引起的向圓弧外側(cè)的偏移量。2、盾構(gòu)機(jī)在小半徑曲線中掘進(jìn)適當(dāng)降低推進(jìn)速度，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)啟動(dòng)時(shí)，推進(jìn)速度要以較小的加速度遞增（勻速遞增）。推進(jìn)時(shí)，要適當(dāng)調(diào)整左右兩組油缸的壓力差，使曲線內(nèi)側(cè)油缸壓力略小于外側(cè)油缸壓力，但糾偏幅度不要過大。時(shí)刻注意

4、鉸接油缸處和盾尾有無(wú)泄露，發(fā)現(xiàn)泄露及時(shí)采取措施，加大盾尾密封油脂的注入量；在以上措施實(shí)施后還不能達(dá)到預(yù)期效果，應(yīng)啟用超挖刀進(jìn)行超挖糾偏。3、盾構(gòu)機(jī)出洞時(shí)的掘進(jìn)距離出洞20環(huán)時(shí)，用扁鋼加工的連片加固管片，使管片整體受力，防止管片在出洞時(shí)松動(dòng)下沉或偏移。距離出洞10環(huán)時(shí)，應(yīng)停止掘進(jìn)，在橋架處進(jìn)行二次注漿堵水，待漿液初凝后再往前推進(jìn)。刀盤距離出洞5環(huán)時(shí)，應(yīng)減小推力，降低推進(jìn)速度，派專人在洞門前方監(jiān)視洞門情況，并與監(jiān)視人員保持密切聯(lián)系。刀盤穿越加固區(qū)，刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.75-0.8r/min，推進(jìn)速度控制在15mm/min以下，出碴門的打開程度可根據(jù)實(shí)際情況而定，當(dāng)發(fā)生噴碴時(shí)可開啟150-120mm，

5、不發(fā)生噴碴時(shí)可開啟300 -350mm。刀盤快到素混凝土樁時(shí)，應(yīng)再降低推進(jìn)速度、推力和刀盤轉(zhuǎn)速。刀盤進(jìn)入素混凝土樁后，密切注視控制面板上的參數(shù)變化，推進(jìn)速度控制在8 10mm/min。在刀盤前方加注適量泡沫及膨潤(rùn)土來降低刀盤溫度，加快出土速度，盡量將土倉(cāng)內(nèi)土出空。刀盤通過橡膠簾布時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，各組推進(jìn)油缸行程要保持一致，并派專人監(jiān)視扇形壓板和橡膠簾布，如果發(fā)現(xiàn)扇形壓板松動(dòng)、固定壓板的鋼絲繩太緊或橡膠簾布被刀盤卡住時(shí)，應(yīng)立即停止推進(jìn)，待處理好后再推進(jìn)。刀盤上接受托架前，應(yīng)將姿態(tài)趨向調(diào)整為正，以便刀盤順利上拖架。盾尾在出橡膠簾布前，應(yīng)進(jìn)行二次注漿，待洞門注漿飽滿后再向前推進(jìn)。1 概述設(shè)計(jì)的必要

6、性 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的刀盤根據(jù)地質(zhì)條件的不同一般分軟土和硬巖兩種刀盤布置形式,軟土區(qū)刀盤的布置形式是以齒刀為主輔以邊緣滾刀和刮刀，硬巖刀盤的布置形式是以滾刀為主輔以刮刀。刀具是盾構(gòu)機(jī)的一個(gè)非常重要的組成部分，對(duì)刀具地合理選擇、使用 、維護(hù)和更換，直接決定盾構(gòu)掘進(jìn)工程的質(zhì)量、進(jìn)度和工程成本。所以對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具磨損情況地分析尤為必要。二、刀盤及刀具磨損刀盤布局 盾構(gòu)機(jī)刀盤分為三個(gè)區(qū)域：中心區(qū)、正面區(qū)和邊緣區(qū)。 2 刀具的結(jié)構(gòu)和切削機(jī)理2.1 刮刀 刮刀用來切削各種砂土、粘土等較松散的地層及全風(fēng)化巖層等其它未固結(jié)的土體，刮刀上裝有碳化鎢刀刃，目的是為了更好的防止掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的磨損。2.2 齒刀 用來先

7、行松散各種砂礫層、粘土層及全風(fēng)化層，使其固結(jié)性能變差，然后由刮刀將其刮掉。2.3 滾刀 滾刀在推力的作用下貫入巖層，同時(shí)在開挖面巖石阻力的作用下隨刀盤做同心圓滾動(dòng)，巖石被擠壓，形成擠壓切槽，并在小半徑范圍內(nèi)將擠壓裂紋延伸到周圍的巖石，最終在刀盤推力作用下擠壓切槽兩邊的巖石呈片狀破碎。 滾刀于對(duì)各種強(qiáng)、中、微風(fēng)化巖進(jìn)行擠壓破碎，滾刀安裝在刀盤的刀座上，這些刀座也可以安裝焊接在特殊支架上的齒刀。滾刀設(shè)計(jì)最大破巖能力為80Mpa，廣州地鐵三號(hào)線客大區(qū)間巖石的最大單軸抗壓強(qiáng)度為62.3Mpa。 2.4 邊緣刮刀 用來校準(zhǔn)盾構(gòu)的開挖直徑。2.5 超挖刀及仿型刀 用于盾構(gòu)曲線施工時(shí)的超挖及盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整，

8、由液壓油缸操縱伸縮，其行程3 雙刃滾刀刀具的磨損及原因：3.1 正常磨損 刀具的正常磨損是指刀圈的磨損量超過了規(guī)定值，磨損量可用專用的量具進(jìn)行測(cè)量。3.2 刀圈偏磨 如果滾刀在掘進(jìn)工作面不轉(zhuǎn)動(dòng)，由于刀圈和掘進(jìn)工作面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就會(huì)形成刀圈的偏磨。由于中心區(qū)滾刀線速度較小，承受載荷較大，中心區(qū)滾刀容易出現(xiàn)此現(xiàn)象。3.3 刀圈斷裂 推力過大或刀圈在比較硬的巖石上滾動(dòng)就有可能使刀圈斷裂，若一個(gè)刀圈有兩處斷裂，斷裂的部分刀圈就有可能掉到土艙。邊緣滾刀和正面區(qū)滾刀經(jīng)常有此現(xiàn)象。3.4 表面缺陷 如果有金屬或其它堅(jiān)硬物損壞了刀圈的局部表面，刀圈局部表面就會(huì)形成表面缺陷。3.5 環(huán)幅式磨損 如果刀圈的工作面和

9、掘進(jìn)工作面充分接觸摩擦，就會(huì)形成環(huán)幅式磨損。3.6 刀圈擋圈磨損或脫落 擋圈是由兩個(gè)半圓的鋼環(huán)安裝在滾刀軸的卡槽里焊接成一個(gè)完整的圓環(huán)，其作用是防止刀圈從滾刀軸上脫落，一旦刀圈擋圈脫落或焊接處磨損嚴(yán)重，就應(yīng)該更換刀具。4.7 滾刀漏油 由于密封件的損壞，就可能使密封油泄漏，從而導(dǎo)致油封座和輪轂的損壞。3.9 輪轂?zāi)p 刀盤和渣土不間斷的摩擦，使得滾刀輪轂也發(fā)生嚴(yán)重磨損3.10 油封座損壞 由于漏油使得油封座損壞3.11 輪轂或油封座損壞 刀圈如果在金屬物（掉了的刀圈或螺帽）上滾動(dòng)，輪轂或油封座有可能被卡住，就會(huì)妨礙刀圈繞著滾刀中心軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。3.12 滾刀的多邊形磨損 在掘進(jìn)時(shí)滾刀時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)不轉(zhuǎn)，

10、或者在某個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)在其它點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間短，就會(huì)產(chǎn)生這樣的磨損。4 磨損及原因4.1 齒刀磨損 正常磨損：齒刀切削土層和砂礫層所形成的磨損。 異常磨損：由于換刀不及時(shí)在硬巖區(qū)的磨損。4.2 正面區(qū)刮刀磨損 正常磨損：刮刀刮削土層、砂礫層和被滾刀擠碎的巖層時(shí)所形成的磨損。 異常磨損：由于滾刀刀圈掉落，在刀盤同一圓周上的刮刀就直接承受掘進(jìn)工作面的載荷，刮刀和掘進(jìn)工作面的相對(duì)摩擦，就導(dǎo)致刮刀嚴(yán)重偏磨。5.3 邊緣區(qū)刮刀 正常磨損： 刮削土層、砂礫層和邊緣滾刀擠壓后的巖層時(shí)所形成的磨損。 異常磨損：由于邊緣滾刀刀圈掉落或者邊緣滾刀磨損量嚴(yán)重超限，邊緣滾刀開挖掘進(jìn)工作面的徑向尺寸小于邊緣刮刀的徑向尺寸，邊

11、緣刮刀被迫直接擠壓在掘進(jìn)工作面上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致刀具磨損。5 預(yù)防刀具異常磨損的措施5.1 擇擇合理的掘進(jìn)參數(shù) 掘進(jìn)參數(shù)包括掘進(jìn)推力、刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩、推進(jìn)速度、切削量等，影響刀具磨損的最直接參數(shù)是掘進(jìn)推力，推力的大小直接決定了刀具所承受的載荷。推力過大，雖然短期內(nèi)掘進(jìn)速度很快，但長(zhǎng)時(shí)間刀盤刀具所承受的載荷也比較大，過大的載荷會(huì)使?jié)L刀軸承受擠壓產(chǎn)生變形，繼而影響滾刀的自轉(zhuǎn)最終造成滾刀刀圈的偏磨或斷裂。一般在巖石中風(fēng)化帶巖石微風(fēng)化帶地層最大的推力不要超過1000ton。 刀盤轉(zhuǎn)速也是影響刀具磨損的另一個(gè)主要因素，過大的刀盤轉(zhuǎn)速在硬巖地層會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)振動(dòng)顛簸，加劇刀具的磨損。一般在硬巖地層刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為

12、1.5rpm為合適值。5.2 根據(jù)不同的地層選擇不同的刀具 根據(jù)地質(zhì)資料和對(duì)出土情況的判斷來確定刀具的更換，特別是兩種地層的交界處。從巖石強(qiáng)風(fēng)化帶向巖石中風(fēng)化帶巖石微風(fēng)化帶地層轉(zhuǎn)換,如不能及時(shí)將齒刀更換為滾刀，就會(huì)很快加劇齒刀地磨損；從硬巖地層向軟土地層轉(zhuǎn)換，如不及時(shí)將滾刀換回齒刀，也有可能出現(xiàn)滾刀偏磨的現(xiàn)象。6.3 定期對(duì)刀具進(jìn)行檢查 在硬巖區(qū)地層中，如果出現(xiàn)推力過大推進(jìn)速度小扭矩也偏小，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)糾正很難的現(xiàn)象時(shí)，就要考慮刀具是否磨損嚴(yán)重，安排開艙檢查刀具。 如果連續(xù)出現(xiàn)刀盤或螺旋輸送機(jī)被卡住、驅(qū)動(dòng)電機(jī)熄火的現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即停機(jī)進(jìn)行檢查。 一般要在不超過二十環(huán)時(shí)對(duì)刀具進(jìn)行一次檢查，檢查看是否

13、有刀圈磨損超限、刀圈斷裂、刀圈變形、固定刀圈的螺帽是否松動(dòng)或掉落、刀座是否有裂紋等，如果一旦發(fā)現(xiàn)應(yīng)立即采取補(bǔ)救措施。6 刀具磨損量檢查及更換原則軟土區(qū)在掘進(jìn)100環(huán)時(shí)要對(duì)刀具進(jìn)行一次檢查。5.4 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)應(yīng)保持正常姿態(tài) 在硬巖地層如果不斷的調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)就會(huì)使?jié)L刀受力不均勻，在某個(gè)方向上過大的推力有可能導(dǎo)致滾刀變形。 在硬巖地層絕不可只片面追求進(jìn)度，應(yīng)該在保證刀盤和刀具不被嚴(yán)重磨損的前提下安排生產(chǎn)進(jìn)度，必要時(shí)應(yīng)該進(jìn)行限產(chǎn)。為了一時(shí)的進(jìn)度而忽視刀具的例行檢查是得不償失。 更換刀圈后的刀具要進(jìn)行扭矩試驗(yàn)，根據(jù)不同的地質(zhì)條件和巖石強(qiáng)度進(jìn)行扭矩調(diào)整。 在硬巖地層注意觀察螺旋輸送機(jī)出渣情況，如果出渣不

14、是均勻的碎片石，而是伴有大塊的石頭出現(xiàn)，就可能有滾刀刀圈掉落，要立即停機(jī)檢查。 6.1 在硬巖區(qū)，邊緣滾刀磨損量推薦值為1015mm，正面區(qū)為15mm20mm，中心區(qū)為25mm。刀具正常磨損量超過規(guī)定值就應(yīng)進(jìn)行更換，如果有條件最好整盤刀具全部更換；6.2 檢查中如發(fā)現(xiàn)個(gè)別刀具有異常磨損或損壞，應(yīng)優(yōu)先將原來?yè)Q下的沒有超過規(guī)定磨損量且已經(jīng)進(jìn)行過維護(hù)的舊刀具換上，而不要換上新刀具。6.3 一定要確保整個(gè)刀盤所換刀具的磨損量盡可能達(dá)到最大值，使得刀具能夠掘進(jìn)盡可能多的環(huán)數(shù)。地層正面區(qū)雙刃滾刀正常磨損情況下可掘進(jìn)100環(huán)左右。6.4 刀具要勤檢查，少更換；更要避免長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)換刀。7 刀具形狀及選型種 類

15、結(jié) 構(gòu)使用對(duì)象刀具形狀硬化堆焊型僅在母材上實(shí)施硬化堆焊用于柔軟淤泥層（N=05左右）的施工距離較短的場(chǎng)合硬化堆焊超硬合金刀刃粘貼型超硬合金刀刃型超硬合金刀刃+硬化堆焊型僅在母材的刀刃前，釬焊超硬合金刀刃。適用于沙層（N25）、淤泥層（N10）等比較軟的地層在母材的刀刃前，釬焊超硬合金刀刃。再在母材上實(shí)施硬化堆焊。適用于沙層（N25）、淤泥層（N10）等比較硬的地層硬化堆焊超硬刀刃超硬刀刃超硬合金刀刃嵌入型一層刀刃嵌入式二層刀刃嵌入式在母材的刀刃部插入超硬合金刀刃、實(shí)施釬焊，在對(duì)母材實(shí)施硬化堆焊。在母材的刀刃部以及背部插入超硬合金刀刃，實(shí)施釬焊，在對(duì)母材實(shí)施硬化堆焊。適用于礫石層砂層、遠(yuǎn)距離適用于礫石層中有特大直徑礫石的場(chǎng)合。沙層、遠(yuǎn)距離