土壓平衡盾構機刀具布置方法研究

摘要：在進行土壓平衡盾構機選型時，刀具的數(shù)目、類型、布置方法會對刀具的使用壽命造成比較大的影響，對盾構工程的經(jīng)濟性、安全性和效率也有比較大的影響。文章首先對土壓平衡盾構刀盤進行了介紹，然后對盾構機刀盤刀具開口的特點進行了分析，最后對土壓平衡盾構機刀具布置方法進行了探討。

關鍵詞：土壓平衡；盾構機；刀具布置方法；刮刀；裝配 文獻標識碼：A

中圖分類號：U25 文章編號：1009-2374（2017）08-0102-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.049

盾構機刀盤主要是利用主軸承內(nèi)的旋轉來實現(xiàn)轉動的，在盾構機正常掘進施工時，主軸承會承受徑向力、軸向力和振動沖擊力。受地質因素的影響，振動沖擊力和軸向力會不穩(wěn)定。所以刀具合理的布置可以防止切削面傾斜，使主軸承保持平衡，防止因為振動過大產(chǎn)生沖擊力，避免內(nèi)部結構或主軸承偏心因結構受力不均勻而產(chǎn)生磨損、變形故障，可以有效避免因為過于嚴重的破壞而導致盾構機出現(xiàn)癱瘓。

1 盾構刀盤的特點

英國是最早出現(xiàn)盾構刀盤的國家，至今已經(jīng)有幾百年的歷史。盾構刀盤在進行運作過程中，主要借助盾構，對地下工程和水底工程來進行開發(fā)和挖掘。使用盾構刀盤在進行工作時，具有以下兩個方面的優(yōu)勢特點：第一，在進行地下工程和水底工程工作時，不會對日常的交通工作產(chǎn)生負面的影響；第二，在進行盾構工作時，其不會受到外界自然因素的影響。也正是由于盾構刀盤所具有的優(yōu)勢特點，使得盾構機的應用范圍不斷地進行擴大，目前已經(jīng)逐漸應用在隧道工程、地下水管工程和地鐵等工程的建設中，并且取得了很好的施工質量，提高了經(jīng)濟效益。盾構機在運作過程中，主要的部件為刀盤，其處于整個設備的前沿，采用旋轉的方式來進行工作，對土層進行不斷切割，并且借助螺栓的傳送功能將產(chǎn)生的土渣排到外部去。由于施工的工程比較復雜，刀具在進行工作時，有可能由于受力過大使得設備產(chǎn)生巨大的磨損，因此，在實際的施工過程中，需要確保刀盤的質量符合現(xiàn)場施工的需求，這樣才能確保盾構機可以正常的進行工作。盾構機刀盤刀具進行開口具有以下兩個方面的特點：

1.1 滾刀破巖

將滾刀放置在巖石的下面之后，巖石會受到滾刀施加的外力，從而產(chǎn)生核狀物。與此同時，隨著滾刀對巖石施加的外力不斷增加時，在核狀物的周圍會出現(xiàn)大量的細紋和裂紋。此外，滾刀不斷向巖石施加外力時，巖石會和裂縫進行頻繁的接觸。其中，當側向裂縫和相鄰裂縫進行接觸和碰撞時，巖石就會破碎。當滾刀施加給巖石的外力增加到一定數(shù)值后，巖石就會自動從山體中剝落。之后，滾刀也會不斷進行工作，使巖石不斷從山體剝落。

1.2 切刀切削巖土

首先，需要對切削的工作原理進行分析。盾構機在進行不斷的工作時，切刀會沿著工作的方向進行旋轉，釋放出一定的力量，對巖土進行不斷開挖。在巖土開挖過程中，巖石由于受到應力和結構形變等外界因素的影響，產(chǎn)生出大量的碎渣。再加上巖石的性質和刀具等特點的存在，對土體產(chǎn)生嚴重的破壞；其次，需要對切刀切削的荷載量進行分析和計算。盾構機在日常的工作中，會產(chǎn)生兩種不同的荷載：土體荷載和巖石受到破損之后產(chǎn)生的荷載。由于切刀切削產(chǎn)生的兩種不同的荷載，需要采用不同的測試方式來進行檢驗。

2 刀具的選擇原則

目前，國內(nèi)盾構機市場中，土壓平衡盾構機的開掘直徑為6.28m。為了有效保證盾構機的工作效率和工作質量，刀具主要使用滾刀和刮刀來進行工作。其中，滾刀內(nèi)部自帶有軸承，隨著刀盤的不斷轉動，刀具在土體的切削面上進行工作，并且借助刀刃來對巖石進行擠壓、破碎。將刮刀固定在輻條的兩側，借助刀刃的力量來對其進行切削。一般來講，滾刀需要高出刮刀20～35mm，這樣不僅能夠粉碎巖石，在巖石或者堅硬的土塊上劃出裂縫，而且還能將破碎之后的巖石塊帶到開口處。

由于巖石的性質和構造不同，與硬土進行比較，巖石由于具有黏度大、強度低等特點，在使用滾刀進行工作時，容易出現(xiàn)糊刀的現(xiàn)象。情況較輕則會使得滾刀無法正常進行工作，設備產(chǎn)生較大的磨損；情況嚴重則會嚴重阻礙刀盤的旋轉，直接損害驅動系統(tǒng)。此外，設備的清理和維修工作會直接的影響施工工期，從而大大降低施工的工作效率。因此，在對黏度大、硬度低的地質進行開挖時，需要借助撕裂刀來進行工作。撕裂刀由四根力齒組成，借助撕裂刀的切削力來對巖石進行擠壓和破碎，從而達到施工的目的。撕裂刀安裝在滾刀的刀座上，這樣可以實現(xiàn)兩種不同的刀具進行交換，混合作業(yè)，提高施工效率。在進行刀具高度設計時，需要充分考慮到刀具高出刀盤的距離，并且根據(jù)實際情況來對其進行增減，避免糊刀現(xiàn)象的發(fā)生?？偠灾?，為了確保設備主軸承的穩(wěn)定性和工作效率，刀具在進行安裝時需要嚴格按照自身的運行軌跡來進行布置。

3 刀具的布置

3.1 布置原則

刀具的布置結構圖如圖1所示。刀具在進行布置的過程中，不僅需要對刀具的種類進行充分的考慮，并且還需要對刀盤面不同尺寸的運動特征和結構特點進行充分的考慮。由于盾構機的開挖直徑夠大，不同尺寸的挖掘直徑會產(chǎn)生不同的線速度和作用，從而形成不同的挖掘效果。

正常工作情況下，刀盤的轉速為0.9～1.2r/min，并且刀盤表面距離刀盤越近，其線速度越小，處于中心位置的線速度為零。物料流動性不好的情況下，為了有效避免黏性物料發(fā)生堵塞現(xiàn)象，需要將刀盤中部的開口率進行調(diào)整。刀盤中心的幾何尺寸較小，只能設置單排中心滾刀來進行工作。如果使用撕裂刀來對滾刀進行代替，則可以在中心設置燕尾刀。燕尾刀在進行設計時，需要突出刀盤面，這樣可以確保在開挖軟土層時，避免糊刀現(xiàn)象。

刀盤表面半徑方向上滾刀的分布按照間距100mm為原則來進行設置，對輻條上滾刀的位置進行平均分布。如果開挖物料的黏度較大、硬度較低，可以適當增加滾刀分布的間距；如果開挖物料的黏度較小、硬度較高，可以適當減少滾刀分布的間距。刀盤表面周邊的線速度數(shù)值最大，空間較大，但是運動不穩(wěn)定，應該采用密集分布的方式來對滾刀進行布置，這樣可以有效提高挖掘效率，確保運動的穩(wěn)定性。因此，在輻板上加設滾刀時，需要嚴格按照間距隨著半徑的增加而遞減的方式來進行設置，對輻條和輻板的位置進行平均分布。滾刀（撕裂刀）的軌跡圖如圖2所示。

3.2 刮刀的布置

3.2.1 刮刀的數(shù)量。在每一條軌跡上只需要分配一把滾刀，就可以實現(xiàn)破碎巖土的目的。刮刀在選擇過程中，需要選擇標準的刮刀，刀刃的寬度為120mm。為了有效提高挖掘的效率和挖掘的質量，可以在一條軌道上設置多把刮刀。刀具太少的話，會對設備的挖掘效率和軸承的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接的影響，但是刀具的數(shù)量并不是挖掘質量的關鍵指標，刀具過大會使得軸承的負擔增加，出現(xiàn)糊刀的概率增加。

3.2.2 刮刀的軌跡。刮刀在進行布置時，需要分清刮刀和滾刀的功能。滾刀的主要功能是先導作用，刮刀的作用就是對開口處的土層進行全面清理，因此單一刮刀的切削軌跡為環(huán)面，全部刮刀的切削軌跡為整個開挖面。刮刀的布置比較簡單，設定在刀盤的中心位置，并且使用燕尾刀來替代滾刀進行工作，只需要在每一條軌跡設置一把刀就可以完成工作目的。即：如果存在6根輻條，只需要在每條軌道上設置3把刀；如果存在10根輻條，只需要在每條軌道上設置5把刀。采用這種方式來對刮刀進行設置，能夠有效確保物料順利的進入到開挖倉內(nèi)，不但不會對軸承帶來額外的負荷，而且還能夠有效保證挖掘效率和挖掘質量。刮刀本身具有一定的寬度，因此多個刮刀的軌跡應該是寬度相同。刮刀并沒有按照并排設置的方式來進行排布，采用相鄰排列的方式來進行排布，相鄰刮刀之間具有一定的重疊量，遮掩才能有效地保證軌跡覆蓋的全面性。

3.2.3 裝配角度。對刀具的結構進行分析之后，滾刀和撕裂刀具有一個共同點，就是刀刃為一個點，并且切削的軌跡為圓環(huán)形，因此刀具在進行排布時，只需要保證切削方向和旋轉半徑相切即可。而刮刀的刀刃是一條直線，形成的切削軌跡為一個圓環(huán)面，因此為了確保刀刃面的切削方向和旋轉方向進行相切，需要合理設置刮刀在輻條上的裝配角度，這樣才能提高工作效率。以直徑為6.28mm的土壓平衡盾構機的裝配為例來進行分析，半徑為1200mm，刮刀的角度設定為25°；半徑為1200～1600mm，刮刀的角度為20°；半徑為1600～2000mm，刮刀的角度為15°；半徑為2000～2400mm，刮刀的角度為10°；半徑為2400mm，刮刀的角度為5°，如圖3所示：

3.2.4 刮刀的雙向性布置。土壓平衡盾構機的刀盤設計時，旋轉方式為雙向，刮刀由于其結構的特殊性，整個刀刃面只能向著一個方向進行切削，因此需要在輻條的兩側設置對稱的刮刀，實現(xiàn)兩個方向的切削。

3.3 其他刀具的布置

為了確保刀盤開挖直徑的穩(wěn)定性，需要在刀盤的外壁周圍設置輔助刀具，這樣可以讓輔助刀具與小的配合刀盤進行工作。在實際的工作過程中，由于受到各種外界因素的影響，無法有效的設計出筆直的路線，因此在進行隧道的施工時，需要確保盾構機轉彎的實際需求，這樣才能提高效率。盾構機轉彎時，對空間有一定的需求，因此需要在土壓平衡盾構機的刀盤上安裝擴挖刀。在刀盤最大半徑處配置擴挖刀，由于其借助獨立的液壓缸來進行驅動，可以進行自由工作。當盾構機進入到轉彎階段時，可以適當擴大擴挖半徑，為盾構機提供足夠的空間。

4 結語

總而言之，刀盤表面設置刀具時，需要重視合理性和實用性，以盾構機的整體功能為基礎，積極主動地尋找解決問題的配置。以地質研究為契機，對刀盤的結構、運動特點和刀具的使用特點系統(tǒng)的分析之后，選擇科學合理的刀具，設計出最佳的軌跡，這樣才能確定出最合理和最實際的刀具設置位置，為整體項目設定最佳的刀盤。

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作者簡介：李強（1979-），男，山東青島人，中鐵十六局集團有限公司工程師，研究方向：工程管理。

（責任編輯：王 波）