盾構(gòu)機的刀具配置介紹

盾構(gòu)機的刀具配置報告人：西安地鐵四號線張杰報告內(nèi)容2024/1/4盾構(gòu)機、刀盤的結(jié)構(gòu)形式2案例分析4盾構(gòu)機的起源發(fā)展1常見盾構(gòu)機刀具的配置32通訊工程、水利工程、市政工程、城市軌道交通等現(xiàn)代化根底設施盾構(gòu)機在隧道施工中的應用盾構(gòu)法獲得專利第一臺機械化盾構(gòu)產(chǎn)生土壓平衡式日本satokogyo美、日、歐興旺國家國內(nèi)外歷史沿革1963年1876年1818年目前1/4/20241953年1966年20世紀80年代上海打浦路隧道網(wǎng)格式進入工業(yè)性試驗階段東北阜新煤礦實用性階段

20世紀90年代以來盾構(gòu)機國內(nèi)外歷史沿革1/4/2024盾構(gòu)機刀具開展盾構(gòu)機刀具是盾構(gòu)機施工實現(xiàn)破巖的關鍵部件，價格高，供貨周期長消耗量大，需要經(jīng)常更換等特點。并且刀具的使用壽命直接影響到盾構(gòu)施工的本錢和進度。國外生產(chǎn)盾構(gòu)機的主要國家〔美國、德國和日本〕都有專業(yè)的破巖刀具生產(chǎn)廠家，對刀具進行了長期的研究，并不斷改進和更新破巖刀具，使產(chǎn)品具有競爭力。如：滾刀直徑有12英寸〞到19〞不斷加大?，F(xiàn)在的刀具均按照具體條件專門設計、制造。國內(nèi)盾構(gòu)機盤形滾刀的研究始于60年代，經(jīng)過近30多年的開展，到上世紀90年代中期主要停留在刀圈外徑400mm以下的小直徑盤形滾刀，實際應用很少。由于國內(nèi)盾構(gòu)掘進機刀具的需求和我國整體工業(yè)技術(shù)水平的提高，破巖刀具的研究在國內(nèi)得到了長足的開展，正逐漸替代進口刀具。如：洛陽久久、聊城天工、大連華銳、湖南德天、南齒等國內(nèi)刀具生產(chǎn)廠家。

報告內(nèi)容2024/1/4盾構(gòu)機、刀盤的結(jié)構(gòu)形式2案例分析4盾構(gòu)機的起源發(fā)展1常見盾構(gòu)機刀具的配置37盾構(gòu)機分類1、手掘式盾構(gòu)

手掘盾構(gòu)是最原始的一類盾構(gòu)，其構(gòu)造簡單，配備較少，造價低，目前在地質(zhì)條件較好的工程中仍廣泛使用。2、半機械式盾構(gòu)

在手掘式盾構(gòu)正面裝上挖土機械和出土裝置，即成為半機械式盾構(gòu)。挖土裝置有鏟斗式、切削式和混合式三種形式。3、機械式盾構(gòu)

在手掘式盾構(gòu)的切口環(huán)局部，安裝與盾構(gòu)直徑大小相同的旋轉(zhuǎn)大刀盤，對土體進行全斷面開挖的盾構(gòu)，稱為機械式盾構(gòu)。4、泥水加壓盾構(gòu)泥水加壓盾構(gòu)就是在機械式盾構(gòu)大刀盤后面設置一道隔板，隔板與刀盤之間作為泥水室，在開挖面和泥水室中充滿加壓的泥水，通過加壓作用，保證開挖面土體的穩(wěn)定。5、土壓平衡盾構(gòu)土壓平衡盾構(gòu)前端有一個全斷面切削刀盤，盾構(gòu)的中心或下部有長筒形螺旋運輸機的進土口，其出土口在密封艙外。1/4/2024土壓平衡盾構(gòu)常見盾構(gòu)機模式泥水平衡盾構(gòu)多圓形盾構(gòu)偏心多軸盾構(gòu)球體盾構(gòu)子母盾構(gòu)異形盾構(gòu)復合地層刀盤往往設計成面板+輻條式刀盤結(jié)構(gòu)形式選擇莞惠復合地層8.83EPB盾構(gòu)機〔面板+輻條〕為例刀盤結(jié)構(gòu)形式——復合式刀盤1/4/202413刀盤直徑8830mm，面板厚度60mm，腹板厚度480mm，寬度640mm，從法蘭盤到面板反面1590mm。整個刀盤由6個面板+6個輻條焊接而成，法蘭盤和內(nèi)圈板通過6根厚壁鋼管焊接在一起，主要傳遞大扭矩和大推力的作用。

刀盤面板雙刃刮刀188把，雙刃滾刀5把，滾刀54把，邊緣弧形刮刀24把，邊緣保護刀12把，超挖刀1把。2024/1/4刀盤結(jié)構(gòu)形式——形式選擇西安單一老黃土地層6.28EPB盾構(gòu)機〔輻條〕為例刀盤結(jié)構(gòu)形式——輻條式刀盤

本刀盤為輻條+小面板中心支持式，開挖直徑6.28m，刀具配置：中心魚尾刀1把，切刀82把，先行刀54把，保徑刀20把，橫向保徑刀6把，超挖刀2把。1/4/2024報告內(nèi)容2024/1/4盾構(gòu)機、刀盤的結(jié)構(gòu)形式2案例分析4盾構(gòu)機的起源發(fā)展1常見盾構(gòu)機刀具的配置316掘進刀具切削破巖刀具滾壓破巖刀具齒刀切刀球齒滾刀楔齒滾刀盤形滾刀輔助刀具超挖刀刮刀常見刀具形式雙刃單刃常見刀具工作原理和使用條件復合式盾構(gòu)機的開挖系統(tǒng)〔一〕2024/1/4雙刃刮刀撕裂刀實物圖雙刃刮刀和撕裂刀安裝示意圖雙刃刮刀實物圖1/4/2024周邊保護刀邊緣刮刀復合式盾構(gòu)機的開挖系統(tǒng)〔二〕邊緣刮刀示意圖各種滾刀以及刀箱里的安裝示意圖1/4/2024復合式盾構(gòu)機的開挖系統(tǒng)-刀具安裝位置

目前我們在地鐵盾構(gòu)施工中遇到的代表性地層主要有：以廣州地層為代表的硬巖及軟硬不均的復合地層；以上海、天津為代表的淤泥質(zhì)土層；以北京、沈陽為代表的砂礫復合地層；以西安為代表的黃土地層；以成都為代表的卵石地層；以深圳為代表的漂石地層。

地鐵施工的代表性地層2024/1/4刀盤結(jié)構(gòu)形式——形式選擇〔舉例〕23

1、廣州地層為代表的硬巖及軟硬不均的復合地層，應配置面板式復合刀盤，刀盤可裝滾刀用于破巖，也可以全部更換為軟土刀，用于軟巖的掘進，開口率30%左右。2、上海、天津為代表的淤泥質(zhì)地層可選用面板式軟土刀盤，也可選用輻條式軟土刀盤，全部配備軟土刀具開口率可適當放大。3、以北京和沈陽為代表的砂礫復合地層建議用輻條式軟土刀盤，配備強度較高的軟土刀具，如貝殼刀。4、以西安為代表的黃土層，可配置輻條式和面板式軟土刀盤，刀具配為軟土刀具。5、以成都為代表的卵石地層，可配置面板式復合式刀盤，配置強度較高的撕裂刀，實踐證明在此種地層中滾刀的做用并不大，刀具的主要作用是剝離而非破碎。6、深圳的漂石地層，可以說目前沒有能應對漂石而設計的刀盤，只能靠輻助措施破碎。應采用面板式復合刀盤，配置滾刀和切削刀具，與廣州刀盤類似。不同地層的刀盤刀具24滾刀破巖機理〔三〕滾刀滾壓巖石隨著推力的不同，巖石的破碎一般分為三個階段：研磨、疲勞破碎和有效體積破碎。研磨：當滾刀受到的推力很小時，刀圈對巖體的擠壓力遠小于巖體的極限強度，巖體破碎是摩擦力的作用下引起的外表磨損，破碎的顆粒小，刀圈磨損嚴重，對巖體的破碎速度慢。疲勞破碎：當滾刀受到的推力增大，但刀圈對巖體的擠壓力仍小于巖體的極限強度，通過刀圈對巖體的屢次碾壓，巖體產(chǎn)生疲勞裂紋，進而發(fā)生破碎。有效體積破碎：當滾刀受到的推力足夠大，刀圈對巖體的擠壓大于巖體的極限強度時，刀尖貫入巖石，巖體產(chǎn)生跳躍式的直接破碎，破碎塊增大，破碎速度增大，并隨軸壓的增加而線性增加，巖面被盤形滾刀擠壓破碎而形成多道同心圓溝槽，隨著溝槽深度的增加，巖體外表裂紋加深擴大，相鄰同心圓溝槽間的巖石成片崩落，完成盤形滾刀的破巖過程，改工況下破巖速度高，刀圈磨損小，巖石破碎過程所消耗的比功小。

滾刀破巖機理〔一〕刀盤在縱向油缸的推力下，使其面板上的滾刀壓入巖石：刀盤在旋轉(zhuǎn)裝置的驅(qū)動下帶動滾刀繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，同時各滾刀還繞各自刀軸自轉(zhuǎn)，使?jié)L刀在巖面上連續(xù)滾壓。刀盤施加給刀圈滾動力和推力，推力使刀圈壓入巖體，滾動力使刀圈滾壓巖體，通過滾刀對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。滾刀破巖機理〔二〕

刀具的磨損一般是由內(nèi)向外呈逐漸增大的趨勢，由于刀每刀具公轉(zhuǎn)的角速度是相同的，但各刀具所在的半徑不同，刀就是各把刀具線速度不同，在相同時間內(nèi)外部刀具所走過的行程就多，切削的任務量就重，磨損的速度也就相應增加。但到邊刀部位由于刀尖距加密，每把刀的破巖工作量相應減少，磨損的速率也相應降低。刀具磨損分析——滾刀〔一〕刀具的嚴重磨損會在同一區(qū)域重復出現(xiàn)，這是由于該區(qū)的局部切削條件被破壞無法或未能恢復導致。刀具磨損分析——滾刀〔二〕29實際掘進過程中，破巖效果和刀盤推力，滾刀刀圈間距，刀圈刃口形狀、巖層特性等有關，很難完成到達最正確的體積破碎，往往是各個階段都有。此外，在掘進過程中，盤形滾刀在刀盤上的運動除繞刀盤中心的剪切圓周運動和沿掘進方向的切深擠壓運動外，還有沿刀盤徑向的滑動運動，因此滾刀實際的破巖機理和受力情況是很復雜的。滾刀破巖機理〔四〕非正常研磨顆粒刀具異常磨損的預防措施(一〕合理選擇掘進推力：根據(jù)滾刀的數(shù)量和每把刀可以承受的最大徑向力可以算出刀盤最大承受力，再加上土壓反力、磨擦力、后配套拖力及尾刷阻力就可以算出作用在油缸上的最大推力，因此可以通過控制這個最大推力來防止刀具過載。

31合理控制貫入度：根據(jù)盾構(gòu)機貫入度計算方法Pe=V/n，貫入度越大那么刀具受力越大，在100Mpa以上的巖石地層掘進時貫入度不大于4mm。軟巖掘進時貫入度建議不大于25mm。及時更換保護刀具及損壞刀具：個別滾刀損壞可能導致周邊刀具的連帶損壞，因此在條件充許的情況下及時檢查和更換損壞的滾刀，安裝過渡刀時相臨刀具高差不大于5mm。同時要及時更換切削刀具。確保碴土改進效果確保添加劑的參加效果，保證碴土流動性，可以有效的防止泥餅產(chǎn)生，減少刀具被泥餅抱住的危險。刀具異常磨損的預防措施(二〕32報告內(nèi)容2024/1/4盾構(gòu)機、刀盤的結(jié)構(gòu)形式2案例分析4盾構(gòu)機的起源發(fā)展1常見盾構(gòu)機刀具的配置333刀盤刀具損壞的案例在掘進過程中一定要及時檢查刀具，發(fā)現(xiàn)刀具磨損后一定要第一時間更換，不要報有僥幸心理，自認為想到達預定地點再換。刀具在發(fā)生異常后磨損是非?？斓?，也許一環(huán)是磨沒了，以下是幾個案例：案例一：深圳鐵一號線工程地質(zhì)主要為全/強風化地層，在掘進過程中，前后三次遇到地質(zhì)突變：一次為上軟下硬的地質(zhì)不均地段，兩次為孤石侵入隧道洞身范圍。掘進過程中初期遇到地質(zhì)突變未引起足夠的重視，待盾構(gòu)機掘進遇到困難，無法推進時才想到開倉處理，此時刀盤已遭到嚴重的磨損。由于地質(zhì)條件影響停機位置已不具備開倉條件〔在無地層加固的輔助措施下進行開倉作業(yè)將導致地表沉降不可控制〕，不得不先后兩次停機一個月進行地層加固處理，后開倉維修刀盤、更換刀具。其中第二次損壞：刀盤前方靠外部出現(xiàn)最高強度高達156Mpa，最大外形尺寸到達2500mm×2700mm〔寬〕×1800mm〔高〕不規(guī)那么形狀的孤石。刀盤面板多處被磨穿，滾刀遭到嚴重的弦磨和損壞，其中外圍的滾刀刀體弦磨超過200mm；所有刮刀、外部切刀損壞。35案例二：廣州地鐵四號線盾構(gòu)在江底施工時，在未掘進到指定換刀位置時判斷刀具發(fā)生損壞，但由于盾構(gòu)機處于江底，無法開倉，也無法采用地表加固的手段進行開倉，在此情況下繼續(xù)掘進了２環(huán)，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)無法掘進。在不得已的情況下，采用超前加固后帶壓進倉檢查刀盤。結(jié)果發(fā)現(xiàn)刀盤中心部位10號刀致17號刀之間540mm范圍內(nèi)刀盤面板磨損近125mm深，面板已完全磨穿，局部刀座磨掉，最后不得已采用在右線相同位置開挖橫通道，到左線刀盤部位進行刀盤面板修復，而此工程由于刀具原因采用帶壓進倉換刀9次，累計120余天。工期滯后５個月，為確保工期加設了暗