土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀具布置方法研究

摘要：在進(jìn)行土壓平衡盾構(gòu)機(jī)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(gòu)工程的經(jīng)濟(jì)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(gòu)刀盤進(jìn)行了介紹，然后對盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具開口的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，最后對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀具布置方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：土壓平衡；盾構(gòu)機(jī)；刀具布置方法；刮刀；裝配 文獻(xiàn)標(biāo)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(gòu)機(jī)刀盤主要是利用主軸承內(nèi)的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動的，在盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)施工時，主軸承會承受徑向力、軸向力和振動沖擊力。受地質(zhì)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?yàn)檎駝舆^大產(chǎn)生沖擊力，避免內(nèi)部結(jié)構(gòu)或主軸承偏心因結(jié)構(gòu)受力不均勻而產(chǎn)生磨損、變形故障，可以有效避免因?yàn)檫^于嚴(yán)重的破壞而導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)癱瘓。

1 盾構(gòu)刀盤的特點(diǎn)

英國是最早出現(xiàn)盾構(gòu)刀盤的國家，至今已經(jīng)有幾百年的歷史。盾構(gòu)刀盤在進(jìn)行運(yùn)作過程中，主要借助盾構(gòu)，對地下工程和水底工程來進(jìn)行開發(fā)和挖掘。使用盾構(gòu)刀盤在進(jìn)行工作時，具有以下兩個方面的優(yōu)勢特點(diǎn)：第一，在進(jìn)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(fù)面的影響；第二，在進(jìn)行盾構(gòu)工作時，其不會受到外界自然因素的影響。也正是由于盾構(gòu)刀盤所具有的優(yōu)勢特點(diǎn)，使得盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用范圍不斷地進(jìn)行擴(kuò)大，目前已經(jīng)逐漸應(yīng)用在隧道工程、地下水管工程和地鐵等工程的建設(shè)中，并且取得了很好的施工質(zhì)量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。盾構(gòu)機(jī)在運(yùn)作過程中，主要的部件為刀盤，其處于整個設(shè)備的前沿，采用旋轉(zhuǎn)的方式來進(jìn)行工作，對土層進(jìn)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(fù)雜，刀具在進(jìn)行工作時，有可能由于受力過大使得設(shè)備產(chǎn)生巨大的磨損，因此，在實(shí)際的施工過程中，需要確保刀盤的質(zhì)量符合現(xiàn)場施工的需求，這樣才能確保盾構(gòu)機(jī)可以正常的進(jìn)行工作。盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具進(jìn)行開口具有以下兩個方面的特點(diǎn)：

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(xì)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(jìn)行頻繁的接觸。其中，當(dāng)側(cè)向裂縫和相鄰裂縫進(jìn)行接觸和碰撞時，巖石就會破碎。當(dāng)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(jìn)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(jìn)行分析。盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)行不斷的工作時，切刀會沿著工作的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，釋放出一定的力量，對巖土進(jìn)行不斷開挖。在巖土開挖過程中，巖石由于受到應(yīng)力和結(jié)構(gòu)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(zhì)和刀具等特點(diǎn)的存在，對土體產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞；其次，需要對切刀切削的荷載量進(jìn)行分析和計(jì)算。盾構(gòu)機(jī)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(jìn)行檢驗(yàn)。

2 刀具的選擇原則

目前，國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)市場中，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的開掘直徑為6.28m。為了有效保證盾構(gòu)機(jī)的工作效率和工作質(zhì)量，刀具主要使用滾刀和刮刀來進(jìn)行工作。其中，滾刀內(nèi)部自帶有軸承，隨著刀盤的不斷轉(zhuǎn)動，刀具在土體的切削面上進(jìn)行工作，并且借助刀刃來對巖石進(jìn)行擠壓、破碎。將刮刀固定在輻條的兩側(cè)，借助刀刃的力量來對其進(jìn)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(jiān)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(zhì)和構(gòu)造不同，與硬土進(jìn)行比較，巖石由于具有黏度大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，在使用滾刀進(jìn)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(jìn)行工作，設(shè)備產(chǎn)生較大的磨損；情況嚴(yán)重則會嚴(yán)重阻礙刀盤的旋轉(zhuǎn)，直接損害驅(qū)動系統(tǒng)。此外，設(shè)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(zhì)進(jìn)行開挖時，需要借助撕裂刀來進(jìn)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(jìn)行擠壓和破碎，從而達(dá)到施工的目的。撕裂刀安裝在滾刀的刀座上，這樣可以實(shí)現(xiàn)兩種不同的刀具進(jìn)行交換，混合作業(yè)，提高施工效率。在進(jìn)行刀具高度設(shè)計(jì)時，需要充分考慮到刀具高出刀盤的距離，并且根據(jù)實(shí)際情況來對其進(jìn)行增減，避免糊刀現(xiàn)象的發(fā)生。總而言之，為了確保設(shè)備主軸承的穩(wěn)定性和工作效率，刀具在進(jìn)行安裝時需要嚴(yán)格按照自身的運(yùn)行軌跡來進(jìn)行布置。

3 刀具的布置

3.1 布置原則

刀具的布置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。刀具在進(jìn)行布置的過程中，不僅需要對刀具的種類進(jìn)行充分的考慮，并且還需要對刀盤面不同尺寸的運(yùn)動特征和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行充分的考慮。由于盾構(gòu)機(jī)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(zhuǎn)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(jìn)行調(diào)整。刀盤中心的幾何尺寸較小，只能設(shè)置單排中心滾刀來進(jìn)行工作。如果使用撕裂刀來對滾刀進(jìn)行代替，則可以在中心設(shè)置燕尾刀。燕尾刀在進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)置，對輻條上滾刀的位置進(jìn)行平均分布。如果開挖物料的黏度較大、硬度較低，可以適當(dāng)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(dāng)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(yùn)動不穩(wěn)定，應(yīng)該采用密集分布的方式來對滾刀進(jìn)行布置，這樣可以有效提高挖掘效率，確保運(yùn)動的穩(wěn)定性。因此，在輻板上加設(shè)滾刀時，需要嚴(yán)格按照間距隨著半徑的增加而遞減的方式來進(jìn)行設(shè)置，對輻條和輻板的位置進(jìn)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(shí)現(xiàn)破碎巖土的目的。刮刀在選擇過程中，需要選擇標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量，可以在一條軌道上設(shè)置多把刮刀。刀具太少的話，會對設(shè)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(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，刀具過大會使得軸承的負(fù)擔(dān)增加，出現(xiàn)糊刀的概率增加。

3.2.2 刮刀的軌跡。刮刀在進(jìn)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(dǎo)作用，刮刀的作用就是對開口處的土層進(jìn)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(shè)定在刀盤的中心位置，并且使用燕尾刀來替代滾刀進(jìn)行工作，只需要在每一條軌跡設(shè)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(shè)置3把刀；如果存在10根輻條，只需要在每條軌道上設(shè)置5把刀。采用這種方式來對刮刀進(jìn)行設(shè)置，能夠有效確保物料順利的進(jìn)入到開挖倉內(nèi)，不但不會對軸承帶來額外的負(fù)荷，而且還能夠有效保證挖掘效率和挖掘質(zhì)量。刮刀本身具有一定的寬度，因此多個刮刀的軌跡應(yīng)該是寬度相同。刮刀并沒有按照并排設(shè)置的方式來進(jìn)行排布，采用相鄰排列的方式來進(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行分析之后，滾刀和撕裂刀具有一個共同點(diǎn)，就是刀刃為一個點(diǎn)，并且切削的軌跡為圓環(huán)形，因此刀具在進(jìn)行排布時，只需要保證切削方向和旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)方向進(jìn)行相切，需要合理設(shè)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(gòu)機(jī)的裝配為例來進(jìn)行分析，半徑為1200mm，刮刀的角度設(shè)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(gòu)機(jī)的刀盤設(shè)計(jì)時，旋轉(zhuǎn)方式為雙向，刮刀由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，整個刀刃面只能向著一個方向進(jìn)行切削，因此需要在輻條的兩側(cè)設(shè)置對稱的刮刀，實(shí)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(shè)置輔助刀具，這樣可以讓輔助刀具與小的配合刀盤進(jìn)行工作。在實(shí)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(shè)計(jì)出筆直的路線，因此在進(jìn)行隧道的施工時，需要確保盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎的實(shí)際需求，這樣才能提高效率。盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎時，對空間有一定的需求，因此需要在土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的刀盤上安裝擴(kuò)挖刀。在刀盤最大半徑處配置擴(kuò)挖刀，由于其借助獨(dú)立的液壓缸來進(jìn)行驅(qū)動，可以進(jìn)行自由工作。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入到轉(zhuǎn)彎階段時，可以適當(dāng)擴(kuò)大擴(kuò)挖半徑，為盾構(gòu)機(jī)提供足夠的空間。

4 結(jié)語

總而言之，刀盤表面設(shè)置刀具時，需要重視合理性和實(shí)用性，以盾構(gòu)機(jī)的整體功能為基礎(chǔ)，積極主動地尋找解決問題的配置。以地質(zhì)研究為契機(jī)，對刀盤的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動特點(diǎn)和刀具的使用特點(diǎn)系統(tǒng)的分析之后，選擇科學(xué)合理的刀具，設(shè)計(jì)出最佳的軌跡，這樣才能確定出最合理和最實(shí)際的刀具設(shè)置位置，為整體項(xiàng)目設(shè)定最佳的刀盤。

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

（責(zé)任編輯：王 波）