盾構(gòu)機(jī)刀具選型及布置

摘 要：從工程上看，盾構(gòu)系統(tǒng)最重要的部分在于刀具的選用和布置，刀具是否適用于工程地質(zhì)條件將直接影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效果。本文從盾構(gòu)機(jī)刀具類型、刀具配置以及刀具布置需要考慮的各項(xiàng)因素，分析盾構(gòu)機(jī)刀具的選型和布置。

關(guān)鍵詞：刀具；刀具布置；刀具高度；刀具磨損

1 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們可利用的地上空間越來越少，對地下空間的開發(fā)逐漸成為國內(nèi)外各大城市的重要目標(biāo)。隧道掘進(jìn)機(jī)是最主要的地下空間開發(fā)工具，是集機(jī)械、電氣、自動化控制、光學(xué)等多學(xué)科綜合技術(shù)為一體的成套設(shè)備。

在整個盾構(gòu)設(shè)備系統(tǒng)中，刀盤刀具是能否成功掘進(jìn)的關(guān)鍵，是影響掘進(jìn)性能的決定性因素。其中，刀具的配備和布置需要根據(jù)地質(zhì)條件和施工要求進(jìn)行合理設(shè)計，屬于復(fù)雜的工程系統(tǒng)設(shè)計問題，對刀具布置技術(shù)的研究具有重要的工程意義。

針對這一情況，本文對復(fù)合地質(zhì)下的刀具選型及布置進(jìn)行了相應(yīng)的分析和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對復(fù)合地層開挖的性能要求。

2 刀具類型

刀具是盾構(gòu)設(shè)備的開挖部件，在不同巖土體條件下，盾構(gòu)刀具也有所不同。目前常用的盾構(gòu)刀具大體可分為：滾動類刀具和切削類刀具。其中切削類刀具又包括切刀、刮刀、先行刀等。

2.1 滾動類刀具

刀具在隨刀盤轉(zhuǎn)動的同時，還作自轉(zhuǎn)運(yùn)動的破巖刀具統(tǒng)稱為滾動刀具，又稱為滾刀。滾動刀具均是通過滾動和滑動產(chǎn)生的擠壓、剪切、研磨等達(dá)到破巖的目的。根據(jù)刀具形狀的不同滾刀又分為：齒形滾刀（鋼齒和球齒）、盤形滾刀（鋼刀圈滾刀和球齒刀圈滾刀），如圖1所示。

a：鋼齒滾刀 b：球齒滾刀 c：鋼刀圈滾刀 d：球齒刀圈滾刀

圖1 滾動類刀具形狀

根據(jù)安裝位置不同分為：正滾刀、中心滾刀、邊滾刀、擴(kuò)孔滾刀。目前常用的滾刀類型為盤形滾刀。盤形滾刀根據(jù)刀刃數(shù)分為單刃滾刀、雙刃滾刀和多刃滾刀。根據(jù)刀刃外徑的大小又分成13、15、17、19等不同規(guī)格，目前主要使用的是17系列滾刀。

不同刃數(shù)滾刀的使用范圍各不相同，見表1。

表1 滾動刀具使用情況

2.2 切削類刀具

刀具只隨刀盤轉(zhuǎn)動不具備自轉(zhuǎn)的破巖刀具統(tǒng)稱為切削類刀具，這類刀具通過刮削、撕裂達(dá)到破巖及裝載的功能。這類刀具種類很多，目前比較常用的有：邊刮刀、切刀、齒刀、先行刀等。這些刀具的特點(diǎn)及適用范圍見表2。

表2 切削類刀具使用情況

3 刀具選擇

根據(jù)盾構(gòu)設(shè)備的工程巖土情況，應(yīng)合理選擇刀具和刀具組合，以便盾構(gòu)開挖的順利進(jìn)行。對軟土地層，一般只需要配置切削型刀具。對于含有巖石的復(fù)合巖土地層，刀盤除配置切削型刀具外，還需要配置盤形滾刀，以此達(dá)到對巖土體的掘進(jìn)效果。對于分段地層，可選擇安裝刀座相同的滾刀和齒刀，在滾刀破巖效果不是很好時，可以利用滾刀刀座安裝齒刀進(jìn)行破巖，齒刀軌跡完全與滾刀相同，齒刀刀刃是對稱的，因此刀盤正反轉(zhuǎn)時都可以很好破巖。

4 刀具影響因素

刀具布置的疏密直接決定刀具在掘進(jìn)中的磨損速度及掘進(jìn)速度，選擇恰當(dāng)?shù)牡毒呓M合并合理布置刀具是盾構(gòu)設(shè)備掘進(jìn)速度的保證。

刀具的布置因素包括：刀間距、刀具布置方式、刀具高度、刀具磨損等。

4.1 刀間距

刀間距是指相鄰刀刃刃口相對于刀盤中心位置的距離之差，也是掘進(jìn)時相鄰刃口形成軌跡的間距。在刀具布置中，無論采用何種方式進(jìn)行布置，相鄰刀具的間距都需要滿足破巖理論要求，以避免巖脊或偏磨的出現(xiàn)。

圖2 盤形滾刀破巖示意圖

刀具之間的間距是刀具布置軌跡確定的重要因素。根據(jù)圖2所示，設(shè)盾構(gòu)上的第i和第i+1把盤形滾刀在刀盤推力作用下切入巖石深度為h。則當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)一周，盤形滾刀的切削深度為h，則L為：

L = 2htanθ

要使同一安裝半徑上的盤形滾刀在刀盤每轉(zhuǎn)一周的切深相等，且破巖量相同，則兩盤形滾刀之間不允許形成累積巖脊，即刀盤轉(zhuǎn)動多周（兩周及以上）而未出現(xiàn)連通的巖脊。可表示為：

S{ < L 不出現(xiàn)累積巖脊

> L 出現(xiàn)累積巖脊

刀盤上盤形滾刀的刀間距應(yīng)該盡量等于L，此時盤形滾刀為最佳切削效率。

刀具間距大小的確定與巖土層硬度有關(guān)，在軟巖中刀間距取值最大，硬巖中刀間距取值最小。刀間距與工程地質(zhì)關(guān)系如下表3所示。

表3 不同地層對刀間距的要求

4.2 刀具布置方式

為了保證盾構(gòu)刀盤的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，減少結(jié)構(gòu)引起的偏磨、振動、附加彎矩等，刀具布置在滿足刀間距要求的同時，還需要考慮下列因素：

（1） 刀盤刀具破巖時負(fù)載相等，刀刃兩側(cè)側(cè)向反力平衡；

（2） 刀盤刀具受力平衡，保證合力通過刀盤中心，不產(chǎn)生傾覆力矩和偏載。

刀具自身重力及轉(zhuǎn)動中的離心力是引起刀盤徑向載荷、振動的主要原因。為了保證刀盤受力的均勻性，使刀盤不受到徑向載荷的作用，則刀具安裝后所受重力及離心力的合力必須通過過刀盤圓心。根據(jù)這一特點(diǎn)對刀具進(jìn)行受力分析，以刀盤回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)，盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)方向?yàn)樽鴺?biāo)Z軸，建立直角坐標(biāo)系，則以盤形滾刀為例，其受力情況如圖3所示。

圖3 盤形滾刀在刀盤上的受力示意圖

每個滾刀在受到重力Fg作用的同時，在刀面上受到刀盤轉(zhuǎn)動引起的離心力Fω作用。這些載荷可分解為刀盤受力的豎直方向Fv和平面方向Fi（Fx和Fy），前者引起刀盤的傾覆力矩，后者引起刀盤的徑向載荷。因此在布置刀具時需要考慮的力學(xué)平衡為：

刀具是刀盤切削巖土的直接工具，只有在刀具對掌子面實(shí)現(xiàn)完全切削后刀盤刮刀才能順利的把巖土刮入土倉內(nèi)。相反，刀具布置不能完全覆蓋刀盤時，切削的巖土?xí)霈F(xiàn)巖脊，進(jìn)而引起刀盤及刮刀的快速磨損，降低刀盤的掘進(jìn)效率，甚至引起斷刀等嚴(yán)重?fù)p壞。

目前，刀具在刀盤上的布置方式主要有單螺旋線式、雙螺旋線式和同心圓式三種布置方法，其中螺旋線式布置法應(yīng)用的更為廣泛。

4.3 刀具高度

盾構(gòu)刀具布置的高度是指刀具高出刀盤面的距離，它關(guān)系著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的效率。在黏度較大，硬度較低的軟質(zhì)土層，過小的刀具高度在開挖中會出現(xiàn)糊刀或泥餅的現(xiàn)象；而過大的刀具高度則會加大相應(yīng)的力矩，有斷刀的危險。

在硬質(zhì)地層或復(fù)合地層中，盾構(gòu)機(jī)同時配置破巖刀具和切削刀具，但兩種刀具的高度也有差別。切削刀具的高度能有效刮削土層進(jìn)入土倉，同時減小刀盤磨損；滾動刀具的高度應(yīng)滿足破巖要求，并減小切削刀具的研磨。滾刀刀具與切削刀具的高度差值過小時，會增大刀盤主軸承的負(fù)載，也會加速刀具的磨損，縮短刀具的使用壽命。而過大時則會使刀具切入深度過大引起崩裂。結(jié)合國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)使用情況，刀具高度與巖土體結(jié)構(gòu)關(guān)系如表4所列。

表4 不同巖土體中刀具高度情況

4.4 刀具磨損

在盾構(gòu)掘進(jìn)中，刀具磨損是不可避免的，各類刀具根據(jù)使用方式的不同產(chǎn)生的磨損情況也有所區(qū)別。

刀具磨損后將導(dǎo)致相鄰刀具之間所受推力的不平衡，而這種不平衡力有時可能是承受正常受力的10倍，增加刀具的損壞概率。同時，由于刀具磨損后與巖石接觸面積增大，引起刀具對巖石的擠壓應(yīng)力減小，降低掘進(jìn)效率。

5 應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用于珠三角穗莞深城際軌道交通建設(shè)的φ8780土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，工程地質(zhì)條件是以粉砂質(zhì)泥巖、粉質(zhì)粘土及礫砂巖為主的復(fù)合式地層，巖石的天然單軸極限抗壓強(qiáng)度最高值為200MPa。在盾構(gòu)機(jī)刀盤的設(shè)置上既考慮了對硬巖高強(qiáng)度的開挖，也兼顧了泥巖粘性對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的影響，根據(jù)表1與表2中各類刀具對不同地質(zhì)情況的適用性，對該地區(qū)的盾構(gòu)刀具采用滾刀與切削刀的組合刀具如表5所列。

表5 虎門地鐵火車站至商業(yè)城區(qū)間刀具布置

根據(jù)地層中巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度，確定滾刀刀間距選擇為89～110mm，并采用螺旋線方式布置；在刀盤對稱的六個輻板邊緣均勻、雙向布置切削刀。該刀盤在投入使用后達(dá)到了較高的掘進(jìn)效率，且在刀盤檢查時發(fā)現(xiàn)，刀具磨損趨向均勻，未出現(xiàn)刀具嚴(yán)重偏磨的現(xiàn)象。

6 總結(jié)

對盾構(gòu)刀具類型、刀具選型及刀具掘進(jìn)的影響因素進(jìn)行了總結(jié)，并根據(jù)國內(nèi)典型的工況地質(zhì)的刀具配置進(jìn)行了歸納。對刀具的一般布置方法進(jìn)行分析，確定刀具布置必須考慮的因素及處理方式。

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