一種盾構(gòu)機滾刀刀箱輔助定位裝置的分析與應(yīng)用

陳科鋒

（浙江交工集團(tuán)股份有限公司地下工程分公司，浙江 杭州 310000）

1 項目概況

盾構(gòu)機作為一種大型工程機械，在城市地鐵、鐵路隧道、公路隧道、市政管網(wǎng)、引水隧道等大型工程建設(shè)領(lǐng)域扮演著重要角色。一般盾構(gòu)機與所選的地質(zhì)是相對應(yīng)的，而作為盾構(gòu)機牙齒的刀具也和地質(zhì)情況緊密聯(lián)系。因此，為了保證盾構(gòu)機的牙齒可以正常且高效地工作，支撐它的刀箱就顯得分外重要，以往定位刀盤上的刀箱需要將體積大且笨重的滾刀與對應(yīng)的刀箱配合后整體焊接至刀盤上，這樣操作能十分準(zhǔn)確地保證刀箱位置度，但是卻也存在這樣的缺點：刀具體積大，質(zhì)量重；容易受到刀具廠家供貨限制，影響生產(chǎn)計劃；操作復(fù)雜，花費在組裝配合上的時間比例大。針對這一情況，提供了一種盾構(gòu)機滾刀刀箱輔助定位裝置，該裝置可以有效克服以往刀箱的這些缺點，又能保證重要配合尺寸，實現(xiàn)刀箱的準(zhǔn)確定位。

2 滾刀刀箱輔助定位裝置的設(shè)計

2.1 設(shè)計思路分析

盾構(gòu)機完整的滾刀由刀軸、密封裝置、刀圈、刀體、刀轂、端蓋、軸承等部件組成。滾刀有單聯(lián)、雙聯(lián)和多聯(lián)之分，圖1為盾構(gòu)機雙聯(lián)滾刀結(jié)構(gòu)示意圖。完整的滾刀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大，若利用此滾刀來定位刀箱不易操作，稍有不慎便會傷及自身。

圖1 盾構(gòu)機雙聯(lián)滾刀結(jié)構(gòu)示意圖

滾刀和刀箱的結(jié)構(gòu)如圖2所示，刀具與刀箱配合時主要是依靠螺桿使刀軸兩端的平面、斜面和楔形塊緊密配合，而對于滾刀其他的外形尺寸，只有螺紋孔的位置和刀圈的直徑有關(guān)，所以可以設(shè)計一種工裝，只需要能夠保證配合面精度、位置度、平行度、對稱度，還要盡量減輕整體質(zhì)量。觀察圖2中裝配圖可發(fā)現(xiàn)，刀軸兩端與端蓋配合，端蓋上有與刀箱和楔形塊配合的面，利用連接螺栓通過楔形塊將滾刀安裝到刀箱上[1-3]。

圖2 滾刀和刀箱的結(jié)構(gòu)示意圖

針對上述缺陷，設(shè)計思路是：縮小滾刀體積，減輕刀具重量；保留或者體現(xiàn)刀具重要配合面和尺寸；設(shè)計吊裝螺栓，提高工作效率。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

針對盾構(gòu)機傳統(tǒng)滾刀刀箱在應(yīng)用中存在的缺點，提供了一種重量輕、便于運輸與刀箱安裝定位的盾構(gòu)機滾刀刀箱輔助定位裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)如下頁圖3所示。該裝置主要包括左刀座、右刀座、連接軸、楔形面、底面、螺紋孔、連接螺孔、螺栓組件等部件。

從圖3可知，固定連接于左刀座和右刀座之間設(shè)置有連接軸，連接軸軸面上有若干個呈弧形或圓形的刀片，左刀座和右刀座具有與刀箱配合的楔形面和放置底面，楔形面和放置底面上設(shè)有貫穿左刀座和右刀座的螺紋孔，刀片的外徑與滾刀的外徑一致。

圖3 新型盾構(gòu)機滾刀刀箱輔助定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖

上述刀片呈弧形，其處于連接軸的最高處；連接軸呈管狀，連接軸由圓鋼或無縫鋼管支撐，能大幅降低自重，便于安裝定位。連接軸穿設(shè)于左刀座和右刀座內(nèi)，左刀座和右刀座的上端面上分別開設(shè)有連接螺孔，連接軸通過分別連接于連接螺孔內(nèi)的螺栓組件與左刀座和所述右刀座相固定連接。刀片有兩個，其對應(yīng)雙聯(lián)滾刀的安裝刀箱。

2.3 技術(shù)特點

設(shè)計的新型滾刀刀箱輔助定位裝置具有以下技術(shù)特點：結(jié)構(gòu)簡單，便于運輸，操作簡便，生產(chǎn)效率有明顯提高，同時也能保證刀箱的位置精度，為滾刀提供安全的支撐作用。

2.4 設(shè)計過程

首先將對應(yīng)的滾刀主要的幾何尺寸、配合尺寸測繪出來，利用各種型材制成各必要部件，如：刀座（對應(yīng)滾刀中的刀座）、刀片（對應(yīng)滾刀中的刀圈）、連接軸（對應(yīng)滾刀的刀軸）等拼接組裝成定位裝置（對需要有配合要求的位置進(jìn)行機加工），代替滾刀來組裝刀箱，定位刀箱，從而保證后期滾刀在掘進(jìn)過程中不會出現(xiàn)刀圈偏磨、刀圈崩裂、刀圈卷刃以及其他異常損壞。

3 實踐應(yīng)用及效果分析

3.1 工程概況

濟南軌道交通R2線7標(biāo)段區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，使用中鐵裝備土壓平衡盾構(gòu)機，該機配套輻條面板式刀盤，裝有單刃滾刀、齒刀等刀具，中心為18寸四聯(lián)雙刃滾刀。該項自右線盾構(gòu)推進(jìn)至622環(huán)時，發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)速度異常緩慢，結(jié)合地勘資料以及現(xiàn)場出渣情況斷定當(dāng)時所處地質(zhì)為中風(fēng)化灰?guī)r（取樣實驗該處巖石單軸抗壓強度105 MPa）。初步判斷盾構(gòu)機刀具有損壞，經(jīng)停機進(jìn)一步開倉檢查發(fā)現(xiàn)四聯(lián)中心刀掉落、刀箱結(jié)構(gòu)磨損、擠壓嚴(yán)重變形（如圖4所示），需要更換滾刀及中心刀箱。

圖4 雙聯(lián)滾刀結(jié)構(gòu)刀箱嚴(yán)重變形示意圖

3.2 更換方案

1）進(jìn)一步檢查工作環(huán)境。經(jīng)過開倉實際勘察確定盾構(gòu)機前方掌子面為全斷面中風(fēng)化灰?guī)r，巖層穩(wěn)定，此處隧道覆土深度17.5 m，確定采用常壓作業(yè)可行。進(jìn)一步探明目前圍巖滲水量約300 m3/h，土艙內(nèi)需要降水作業(yè)。

2）確定方案及工藝流程。明排降水→人工破除刀箱前工作洞口→搭建焊接工作平臺→測量安裝刀箱位置定位尺寸→割除原損壞刀箱→倒出損壞中心刀箱一測量安裝刀箱位置尺寸→倒入中心刀箱→刀箱整體定位（采用盾構(gòu)機滾刀刀箱輔助定位裝置→焊接刀箱→刀箱限位板定位焊接→安裝新刀具→恢復(fù)掘進(jìn)。

3.3 效果分析

本次更換刀箱工期為10 d，在恢復(fù)掘進(jìn)一環(huán)后開倉對刀具螺栓復(fù)緊，利用此機會對刀箱焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查。在后續(xù)掘進(jìn)過程中注意及時對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，及時開倉檢查，更換磨損刀具，整個區(qū)間共1 100環(huán)，盾構(gòu)機出洞后對更換刀箱進(jìn)行了檢查，狀況良好。盾構(gòu)機滾刀刀箱輔助定位裝置的應(yīng)用，有效保障了盾構(gòu)機滾刀刀箱的更換質(zhì)量和速度，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于運輸，操作簡便，生產(chǎn)效率有明顯提高，同時也能保證刀箱的位置精度，為滾刀提供安全的支撐作用[4-6]。

4 結(jié)語

針對盾構(gòu)機刀箱更換中存在的問題，提供了一種盾構(gòu)機滾刀刀箱輔助定位裝置，該裝置主要包括有左刀座、右刀座、連接軸、楔形面和放置底面螺紋孔等部件，裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于運輸和操作。在濟南軌道交通R2線7標(biāo)段土壓平衡盾構(gòu)機刀箱更換中對該裝置進(jìn)行了實踐應(yīng)用，效果理想，有效保證了刀箱的位置精度，為滾刀提供安全的支撐作用。