土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具布置方法分析

崔　?。ㄖ需F工程裝備集團(tuán)技術(shù)服務(wù)有限公司,鄭州　450000）

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土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具布置方法分析

崔巍
（中鐵工程裝備集團(tuán)技術(shù)服務(wù)有限公司,鄭州450000）

摘 要：土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具在工程施工中被廣泛應(yīng)用。在應(yīng)用的過程中，會(huì)出現(xiàn)一定的磨損，不利于施工的順利開展。介于此，本文從刀具磨損、刀具的空間布置，以及主切削刀的曲線布置等方面出發(fā)，首次分析了盾構(gòu)刀盤的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)其具體的布置方法進(jìn)行探討和研究。

關(guān)鍵詞：土壓平衡；盾構(gòu)刀盤；刀具布置

0　引言

當(dāng)前，我國(guó)工程建設(shè)的速度不斷加快，盾構(gòu)機(jī)在機(jī)械挖掘方面起著重要的作用，該機(jī)械主要被應(yīng)用于隧道開挖、地下鐵軌建設(shè)中。其中，盾構(gòu)機(jī)的主要部件由刀盤、刀具組成。這些部件在使用的過程中，容易發(fā)生磨損，影響了工程的進(jìn)度。所以，本文主要對(duì)刀盤刀具的特性，以及布置辦法進(jìn)行探討，從而減少刀盤的受力平衡，從而降低消耗的功率，最終減少磨損的程度。

1　盾構(gòu)刀盤概述

盾構(gòu)刀盤最早由英國(guó)人創(chuàng)建，到現(xiàn)在已經(jīng)有幾百年的歷史。該機(jī)械在運(yùn)營(yíng)中，主要利用盾構(gòu)作為含糊，從而進(jìn)行地下、水底工程的開挖、掘進(jìn)。使用該機(jī)具有多方面的優(yōu)勢(shì)。主要包括這幾個(gè)方面：第一，在地下、水底工作時(shí)，不會(huì)對(duì)正常的交通產(chǎn)生影響。第二，在盾構(gòu)施工中，不受氣候、溫度、地質(zhì)、噪音等外界因素的影響?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，盾構(gòu)機(jī)的使用范圍不斷擴(kuò)大，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用到隧道、地下水管、地鐵等工程建設(shè)當(dāng)中，而且施工質(zhì)量非常好。盾構(gòu)機(jī)的主要部件為刀盤，處于整個(gè)機(jī)械的最前端，它以旋轉(zhuǎn)方式作業(yè)，對(duì)土體的截面進(jìn)行切割，同時(shí)利用螺栓的輸送功能，將掘進(jìn)中產(chǎn)生的土渣排出去。由于工程環(huán)境的復(fù)雜性，刀具在掘進(jìn)的過程中，很可能由于受力過大，產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，因此必須保證刀盤的質(zhì)量符合實(shí)際要求，以保證盾構(gòu)機(jī)的正常使用。

2　盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具開口的特點(diǎn)

（1）滾刀破巖。當(dāng)滾刀壓到巖石的下面后，巖石在受力的情況下，會(huì)不斷產(chǎn)生堅(jiān)硬的密實(shí)核狀物。同時(shí)，隨著力度的加大，在核狀物的周圍就會(huì)出現(xiàn)很多裂紋。另外，當(dāng)滾刀持續(xù)發(fā)揮作用時(shí)，裂縫與巖石不斷的接觸、交會(huì)。其中，側(cè)向裂縫與相鄰裂縫或者自由面在交會(huì)的過程中，就會(huì)使巖石發(fā)生破碎。當(dāng)滾刀的受力不斷增加時(shí)，就會(huì)加大受力，一旦達(dá)到最大值，就會(huì)導(dǎo)致巖石的剝落。然后，滾刀繼續(xù)工作，循環(huán)往復(fù)。

（2）切刀切削巖土。首先，分析切削的機(jī)理。盾構(gòu)機(jī)在持續(xù)掘進(jìn)中，切刀就會(huì)順著掘進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)，釋放出切削力，對(duì)巖土進(jìn)行開挖。在開挖的過程中，由于應(yīng)力、結(jié)構(gòu)變形等因素，產(chǎn)生大量的土渣。再加上巖石性質(zhì)、切削參數(shù)、刀具特點(diǎn)等的影響，造成土體不同程度的破壞。其次，對(duì)切刀切削荷載進(jìn)行計(jì)算。盾構(gòu)機(jī)在施工中，基于切刀切削會(huì)產(chǎn)生兩種荷載，一種是土體荷載，另一種是軟巖受到破壞后，產(chǎn)生的荷載。由于這兩種荷載的物理學(xué)性質(zhì)不同，所以選擇不同的預(yù)測(cè)模式。其中，最常見的計(jì)算模型是西松切刀切削模式，假設(shè)，為水平切削力，代表刀刃的寬度，為切口前角。計(jì)算的公式為：

3　盾構(gòu)刀具的布置方法

（1）刀具數(shù)量的計(jì)算。當(dāng)前，在計(jì)算刀具數(shù)量磨損中，假設(shè)，δ是刀具的磨損量，D代表刀盤的外徑，掘進(jìn)的速度為L(zhǎng)。采用下面的計(jì)算方式：刀具磨損的因素非常多，包括刀具本身的質(zhì)量，安裝的位置，以及巖石的性質(zhì)等。依據(jù)刀具壽命方面的原則，針對(duì)刀具可能產(chǎn)生的磨損問題，用調(diào)整半徑磨損消耗的系數(shù)來(lái)減小磨損的程度，從而達(dá)到延長(zhǎng)刀具壽命的作用。根據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)Kn是一把刀具施工時(shí)，產(chǎn)生的磨耗系數(shù)。計(jì)算的具體公式為：

假設(shè)，地質(zhì)情況保持不變，磨耗系數(shù)是定值。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的系數(shù)，以及刀具產(chǎn)生的磨損量，就可以結(jié)算出相鄰界面磨損的系數(shù)，以及相鄰界面掘進(jìn)的系數(shù)。其中，相鄰界面的磨損系數(shù)計(jì)算方法為：對(duì)映磨損系數(shù)法。另外，相鄰界面掘進(jìn)的系數(shù)計(jì)算方法為：掘進(jìn)系數(shù)法。具體的計(jì)算辦法為：列出刀具安裝、磨損的縱橫坐標(biāo)，假設(shè)橫坐標(biāo)為刀具的安裝半徑，縱坐標(biāo)為刀具掘進(jìn)的磨損系數(shù)。然后，列出不同的系數(shù)函數(shù)，并依據(jù)切削半徑的大小來(lái)計(jì)算刀具數(shù)量與刀具壽命之間的關(guān)系。

（2）布置曲線。從幾何意義上來(lái)講，將刀具布置到刀盤上，一般采用兩種辦法。其中，一種是同心圓的布置方法，一種是阿基米德螺旋線的布置方法。其中，后一種布置方法的具體操作為：在與螺旋線相交的兩條輔線中，按照分散、對(duì)稱的原則進(jìn)行加布置，同時(shí)保證正、負(fù)兩個(gè)方向同時(shí)可以轉(zhuǎn)動(dòng)。具體的布置公式為：

根據(jù)（5）式，在取整的情況下，只要確定出中心刀的重疊量，以及主切削刀的數(shù)值，就可以得到曲線的初始值。

在（6）式中，將b1調(diào)整到最小落線，可以得到=0，就可以得到單螺旋線的曲線方程。另外，在曲線布置中，經(jīng)常還會(huì)使用到雙螺旋與多螺旋線。在設(shè)置參數(shù)的過程中，按照刀具磨損等壽命原則，保證切削半徑大于R1，在回轉(zhuǎn)半徑的地方，配置兩把或者兩把以上的刀具。另外，雙螺旋在布置參數(shù)時(shí)，采用的計(jì)算方法與單螺旋線一致。但是，雙螺旋線在布置的過程中，第二條線除了與第一條線相同外，還要求曲線的初始值要與坐標(biāo)對(duì)稱。

4　結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，隨著工程行業(yè)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)刀使用的范圍越來(lái)越廣，其中包括地下隧道、河底施工，以及地鐵施工等。該機(jī)械在施工中，受到氣候、溫度、地質(zhì)等因素的影響非常小，具有很大的優(yōu)勢(shì)。其中，刀盤刀具是盾構(gòu)刀的主要部件，在施工中容易受到磨損，縮短壽命。因此，本文對(duì)盾構(gòu)刀盤刀具的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，然后提出布置的具體方法，希望可以起到參考的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]蒲毅，劉建琴，郭偉，裴瑞英.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具布置方法研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013,（06）.

[2]張曉東.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤開口特性及刀具布置方法分析[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2015，（03）.

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.107