刀盤(pán)的作用和分類

刀盤(pán)簡(jiǎn)介

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something一、概述1、作用開(kāi)挖功能：對(duì)掌子面的地層進(jìn)行開(kāi)挖，并且使開(kāi)挖后的渣土能順利通過(guò)渣槽，進(jìn)入土艙；穩(wěn)定功能：支撐掌子面，具有穩(wěn)定掌子面的功能；攪拌功能：對(duì)土艙內(nèi)的渣土進(jìn)行攪拌，使渣土具有一定的塑性，能通過(guò)螺旋輸送機(jī)來(lái)調(diào)整控制土艙內(nèi)的壓力。2、重要性刀盤(pán)是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，刀盤(pán)及刀具的選擇是否合適直接影響盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的切削效果和掘進(jìn)速度，甚至關(guān)系到盾構(gòu)施工的成敗。3、個(gè)性化（針對(duì)性）盾構(gòu)在施工過(guò)程中會(huì)遇到各種不同地層，從淤泥粘土、粉質(zhì)粘土、粘土、粉細(xì)沙、中沙、粗砂、卵礫石、軟巖及硬巖等。刀盤(pán)刀具不可能是千篇一律的，必須根據(jù)具體的工程地質(zhì)情況進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。4、多樣化隨著城市建設(shè)的加快，土地資源越來(lái)越珍貴，為了節(jié)省空間，越來(lái)越多的異形盾構(gòu)出現(xiàn)，刀盤(pán)也隨之變得各式各樣。雙圓

三圓四圓異形異形異形二、刀盤(pán)主要構(gòu)成1、主驅(qū)動(dòng)連接法蘭（連接主驅(qū)動(dòng)）2、刀盤(pán)支撐（傳遞扭矩及軸向力）中心支撐中間支撐3、外圈梁（加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度）4、刀梁（安裝刀具）5、攪拌棒（渣土改良）6、渣土改良注入口（渣土改良）泡沫的使用通過(guò)泡沫的軸承效果挖掘土的流動(dòng)性增強(qiáng)通過(guò)將土粒子間的地下水置換成泡沫來(lái)增強(qiáng)止水性有效防止粘性土的附著泡沫使用前泡沫使用后7、回轉(zhuǎn)接頭（渣土改良）7、耐磨層

除了安裝刀具，還需要焊接耐磨層對(duì)刀盤(pán)本體進(jìn)行保護(hù)，耐磨層一般有三種形式：1）、用耐磨焊條堆焊耐磨網(wǎng)格或耐磨層2）、焊接hardox500鋼板3）、焊接耐磨復(fù)合鋼板耐磨復(fù)合鋼板hardox500焊接耐磨層8、刀具

目前使用的刀具一般有兩類：一是切削類刀具，二是滾動(dòng)類刀具1）、切削類刀具刮削刀具是指只隨刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)而沒(méi)有自轉(zhuǎn)的破巖刀具，刮削刀具的種類繁多，目前盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)上常用的切削刀具類有邊刮刀、、切刀、齒刀、先行刀、仿形刀、等。

切刀、邊刮刀撕裂刀貝殼刀撕裂刀、切刀先行刀先行刀是先行切削土體的刀具，超前切刀布置，因此也稱為超前刀。先行刀在設(shè)計(jì)中主要考慮與切刀組合協(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。先行刀的切削寬度比切刀窄，一般設(shè)計(jì)為切刀的一半，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，尤其是砂卵石地層和鈣質(zhì)結(jié)核地層，先行刀的使用效果十分明顯。魚(yú)尾刀在軟土地層掘進(jìn)時(shí)，因刀盤(pán)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(yú)尾刀。魚(yú)尾刀的設(shè)計(jì)和布置技術(shù)如下：其一讓盾構(gòu)分兩步切削土體，利用魚(yú)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(yú)尾刀設(shè)計(jì)與其他切刀不在一個(gè)平面上，即魚(yú)尾刀超前切刀布置，保證魚(yú)尾刀最先切削土體；其二是將魚(yú)尾刀根部設(shè)計(jì)成錐形，使刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)隨魚(yú)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，又大大提高盾構(gòu)整體掘進(jìn)效果。魚(yú)尾刀仿形刀仿形刀是為曲線掘進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、糾偏設(shè)計(jì)的，仿形刀安裝在刀盤(pán)的邊緣，通過(guò)一個(gè)液壓油缸來(lái)控制仿形刀的伸出量，從而控制超挖范圍仿形刀仿形刀2）、滾動(dòng)刀具(滾刀)

滾動(dòng)刀具是指不僅隨刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，還同時(shí)作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的破巖刀具。

根據(jù)刀刃的形狀滾刀可分為：齒形滾刀（鋼齒和球齒）、盤(pán)形滾刀（鋼刀圈滾刀和球齒刀圈滾刀）。見(jiàn)圖

根據(jù)安裝位置滾刀可分為：正滾刀、中心滾刀、邊滾刀、擴(kuò)孔滾刀。

目前盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)滾刀主要是盤(pán)形滾刀，盤(pán)形滾刀又有單刃、雙刃和多刃。

滾刀結(jié)構(gòu)3）、刀具工作原理a）刮削類刀具的工作原理

在刀盤(pán)推力的作用下，刮刀嵌如巖渣或巖層中，刀盤(pán)帶動(dòng)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刮削巖層，在掌子面形成一環(huán)環(huán)犁溝，特點(diǎn)是效率高，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)阻力大。在軟土地層或滾刀破碎后的渣土通過(guò)刮刀進(jìn)行開(kāi)挖，渣土隨刮刀正面進(jìn)入渣槽，因此刮刀既具有切削的功能也具有裝載的功能

b）盤(pán)形滾刀工作原理

刀盤(pán)在縱向油缸施加的推力作用下，使其上的盤(pán)形滾刀壓入巖石；刀盤(pán)在旋轉(zhuǎn)裝置的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)滾刀繞刀盤(pán)中心軸公轉(zhuǎn)，同時(shí)各滾刀還繞各自的刀軸自轉(zhuǎn)，使?jié)L刀在巖面上連續(xù)滾壓。刀盤(pán)施加給刀圈推力和滾動(dòng)力（轉(zhuǎn)矩），推力使刀圈壓入巖體，滾動(dòng)力使刀圈滾壓巖體。通過(guò)滾刀對(duì)巖體的擠壓和剪切使巖體發(fā)生破碎，在巖面上切出一系列的同心圓（見(jiàn)圖）4）、各種刀具的破巖機(jī)理刀具類型刮刀楔齒滾刀球齒滾刀盤(pán)形滾刀主要破巖機(jī)理刮削☆剪切☆☆龜裂☆擠壓☆☆研磨☆運(yùn)動(dòng)形式滑動(dòng)滾動(dòng)+微滑滾動(dòng)+滑動(dòng)滾動(dòng)+滑動(dòng)刀齒形狀刨刀狀楔狀球面狀楔狀5）、幾種刀具的推薦使用范圍分類抗壓強(qiáng)度MPa

典型巖石刀具型式軟土,軟巖＜45頁(yè)巖粘土泥巖

刮刀;齒刀;

楔齒滾刀

中軟巖45--85石灰?guī)r砂巖大理石火山巖凝灰?guī)r

盤(pán)形滾刀;

楔齒滾刀

中硬巖85—180白云石片麻巖花崗巖片巖長(zhǎng)石

盤(pán)形滾刀;

球齒滾刀硬巖＞180閃綠巖硅巖角閃巖硬質(zhì)粘土巖玄武巖燧石礫巖

盤(pán)形滾刀球齒盤(pán)形滾刀三、刀盤(pán)的分類

按結(jié)構(gòu)形式分，一般分為兩類：輻條式刀盤(pán)和面板式刀盤(pán)；按功能分，一般分為兩類：軟土刀盤(pán)和復(fù)合式刀盤(pán)。1、刀盤(pán)的幾個(gè)定義

1）開(kāi)口率指開(kāi)口面積占整個(gè)刀盤(pán)面積的百分比。一般在20%～65%不等，開(kāi)口率對(duì)土壓平衡盾構(gòu)有著重要意義，開(kāi)口是否合適直接影響到壓力控制。2）刀間距指在直徑方向上，相鄰兩條軌跡上的刀具之間的距離。刀間距過(guò)大，影響切削效果，刀間距過(guò)小，浪費(fèi)能源，經(jīng)濟(jì)性變差。3）刀高指刀具伸出面板的距離。4）刀具高差

指不同刀具之間的高度差。很多時(shí)候?yàn)榱烁纳魄邢餍Ч捎貌煌牡毒吆透叨?，例如先行刀、主切刀、魚(yú)尾刀就有不同的高度。2、輻條式刀盤(pán)3、面板式刀盤(pán)輻條式刀盤(pán)與面板式刀盤(pán)的比較4、軟土刀盤(pán)在軟弱土地層一般只需配置切削型刀具，如切刀、邊刮刀、中心刀等。以南京地鐵S195盾構(gòu)為例，裝有1把魚(yú)尾形中心刀，120把切刀，16把周邊刮刀及1把仿形刀。5、復(fù)合式刀盤(pán)隧道施工總是在一定的施工環(huán)境(基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等)中進(jìn)行,按其變化程度可分為均一地層和復(fù)合地層。均一地層可分為兩種:單純的軟土地層和單純的硬巖地層。上海、天津、北京地鐵隧道的施工當(dāng)中遇到的可歸為均一地層。復(fù)合地層的組合方式非常復(fù)雜多樣,但總的來(lái)說(shuō)可分為三大類:一類是在掘進(jìn)斷面上不同地層的組合;一類是在掘進(jìn)軸線方向上不同地層的組合;另一類是上述兩者兼而有之。在廣州、南京、深圳的地鐵修建中都遇到了大量的復(fù)合地層。為了應(yīng)對(duì)不同的地層條件,發(fā)明了復(fù)合盾構(gòu)技術(shù)。復(fù)合盾構(gòu)技術(shù)是根據(jù)掘進(jìn)面不同的地層條件,盾構(gòu)機(jī)采用不同的掘進(jìn)模式,例如土壓平衡模式、氣壓平衡模式及非土壓平衡模式等。在復(fù)合式地層,也要求刀盤(pán)采用混合式設(shè)計(jì),即在同一個(gè)刀盤(pán)上同時(shí)布置2種或2種以上的類型的刀具,切刀和滾刀并存。復(fù)合式刀盤(pán)四、幾種典型地質(zhì)條件下刀盤(pán)刀具的設(shè)計(jì)1、軟弱土地層

以上海、南京、天津、北京、西安等城市為代表，主要地質(zhì)為粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉細(xì)沙、黃土等。南京海瑞克刀盤(pán)采用面板式結(jié)構(gòu)，開(kāi)口率32%，主動(dòng)攪拌棒4根，泡沫口8個(gè)，耐磨設(shè)計(jì)采用焊接耐磨網(wǎng)格及耐磨鋼板hardox500。刀盤(pán)裝有1把中心魚(yú)尾刀，120把切刀，16把周邊刮刀及1把仿形刀。切刀的布置內(nèi)少外多，中間區(qū)域每個(gè)軌跡上布有4把，周邊區(qū)域?yàn)?把，開(kāi)挖直徑布有16把刮刀。西安小松面板式刀盤(pán)，開(kāi)口率43%，中間支撐，連接法蘭中空式；5個(gè)泡沫注入口，外周布置6個(gè)攪拌棒，耐磨設(shè)計(jì)采用焊接耐磨網(wǎng)格。在刀盤(pán)上配置中心魚(yú)尾刀1把、主切削刀76把（80mm高），周邊刮刀12把（80mm高），安裝了51把先行刀，先行刀高于面板110mm，比主切削刀（80mm高）高30mm，切削時(shí)，先對(duì)開(kāi)挖面進(jìn)行切削，以減輕對(duì)主切削刀及面板的磨損。主切削刀的布置一般是將刀盤(pán)分成內(nèi)、中、外3部分，內(nèi)部1條切削軌跡上配置1把切削刀，中間部1條切削軌跡上配置2把切削刀及外周部1條切削軌跡配置3把切削刀，在刀盤(pán)最外周配置刮刀每個(gè)切削軌跡上有6把。先行刀也分成內(nèi)、中、外3部分，內(nèi)部1條切削軌跡上配置1把先行刀，中間部1條切削軌跡上配置2把先行刀，外周部1條切削軌跡配置4把先行刀。通過(guò)這樣的配置可以大大減輕刀具及面板的磨損，并且能有效的保證開(kāi)挖直徑。

2、砂卵石地層

主要以北京、成都、沈陽(yáng)等城市為代表。砂性土一般摩擦阻力大，滲透性好，在盾構(gòu)的推進(jìn)擠壓下水分很快排出，土體強(qiáng)度提高，故不僅盾構(gòu)推進(jìn)摩擦阻力大；另外，盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)刀具切削下來(lái)的砂土不易攪拌成均勻的塑流體；同時(shí)砂性土中石英含量較大，刀具磨損較嚴(yán)重；其次是大粒徑砂卵石不但切削或破碎困難，而且切削下來(lái)的碴土排出也十分困難；因此在刀盤(pán)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)刀盤(pán)形式，刀具形狀及布置方式，加泥加泡沫系統(tǒng)等內(nèi)容作為重點(diǎn)統(tǒng)籌考慮。

沈陽(yáng)成都輻條式刀盤(pán)，開(kāi)口率68%，中間支撐，中空式連接法蘭，設(shè)有泡沫和膨潤(rùn)土注入口。耐磨設(shè)計(jì)采用耐磨焊條堆焊耐磨層方式。配有94把重型切刀，36把撕裂刀，周邊保徑撕裂