富水圓礫地層盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具分析研究

王宏義

中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司 廣西 南寧 530000

正文：

前言

圓礫、砂卵石地層屬于力學(xué)不穩(wěn)定層，其主要特性是結(jié)構(gòu)松散，無(wú)膠結(jié)，呈大小不等的顆粒狀，且顆粒之間的空隙大、黏聚力較小。圓礫砂卵石地層未經(jīng)過(guò)擾動(dòng)時(shí)是致密的，但是經(jīng)過(guò)盾構(gòu)外力推進(jìn)后，使土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土體變得松散，失去原有的凝聚力，容易造成地面沉降?；诖藛?wèn)題，富水圓礫地層盾構(gòu)機(jī)刀盤形式、刀具布置和刀具形狀在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，此設(shè)計(jì)可直接影響三個(gè)方面：盾構(gòu)機(jī)的切削效果、出土狀況、掘進(jìn)速度等。

1、富水圓礫地層盾構(gòu)機(jī)刀盤的選擇及分析

(1) 刀盤結(jié)構(gòu)的選擇

刀盤采用復(fù)合式設(shè)計(jì)，支撐方式為中心支撐。刀盤可實(shí)現(xiàn)正反雙向旋轉(zhuǎn)出碴。同時(shí)也帶來(lái)了刀具更換的簡(jiǎn)便性，可拆卸的刀具均可以采取背部更換，刀盤主體結(jié)構(gòu)也變得更加耐用，據(jù)統(tǒng)計(jì)正常使用壽命大于10km。鋼結(jié)構(gòu)采用Q345B高強(qiáng)度鋼板焊接而成。復(fù)合式設(shè)計(jì)可以提供對(duì)掌子面的機(jī)械支撐，同時(shí)可防止大粒徑孤石進(jìn)入土艙阻塞螺旋輸送機(jī)。刀盤前部與支腿焊接成整體，正常工作環(huán)境下，刀盤整體強(qiáng)度和剛度滿足全斷面硬巖的掘進(jìn)要求，不會(huì)出現(xiàn)刀盤過(guò)度變形及磨損。中鐵刀盤的基本結(jié)構(gòu)為輻條面板式，4個(gè)主梁+4個(gè)副梁，可安裝滾刀，滾刀的刀座可實(shí)現(xiàn)滾刀與撕裂刀互換，為復(fù)合式刀盤。可對(duì)多種巖層進(jìn)行掘進(jìn)，如：風(fēng)化巖層、卵石圓礫層等。

（2）刀盤開口率的選擇

圓礫、砂卵石地層屬于力學(xué)不穩(wěn)定層，其主要特性是結(jié)構(gòu)松散，無(wú)膠結(jié)，呈大小不等的顆粒狀，且顆粒之間的空隙大、黏聚力較小，顆粒之間的傳力方式為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，圍巖體整體強(qiáng)度較低，但單個(gè)石塊強(qiáng)度高，在地層中起骨架作用。圓礫砂卵石地層在未受到盾構(gòu)機(jī)外力擾動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)比較緊密，就是在一定量的降水條件下，自身都具有穩(wěn)定性，但經(jīng)過(guò)盾構(gòu)機(jī)外力影響下，土體變的松散易動(dòng)，稍有不慎就會(huì)造成地面沉降。

結(jié)合成都地鐵施工經(jīng)驗(yàn)，如果刀盤開口率比較小，這會(huì)導(dǎo)致刀盤上的力直接作用到前方砂卵石上。因此在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的過(guò)程中，在刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)力和推力的共同作用下，會(huì)造成掘進(jìn)掌子面和刀盤上方約500mm 范圍內(nèi)砂卵石變得比較松散。而盾構(gòu)又不具備土壓平衡的作用，隨著刀盤不斷旋轉(zhuǎn)，刀盤上方的松土不斷落下落，從而導(dǎo)致超挖的產(chǎn)生。刀盤開口率小，尤其中心開口率小，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)刀盤前方的松散砂卵石一直附著在刀盤的前方和刀刃、刀體的表面，經(jīng)過(guò)多次與刀盤前面、刀具接觸才能進(jìn)入土艙內(nèi)，造成刀盤和滾刀刀刃、刀體磨損嚴(yán)重。成都地鐵通過(guò)1、2號(hào)線的摸索，最終認(rèn)為提高刀盤中心的開口率，適當(dāng)增加刀盤開口率是適應(yīng)于富水砂卵石地層的，開口率一般在35%左右，或者略過(guò)。

刀盤本體在每一標(biāo)段掘進(jìn)完成，都會(huì)出現(xiàn)外側(cè)耐磨焊磨損或耐磨塊磨的情況。刀盤與前體之間位置由于刀盤長(zhǎng)期轉(zhuǎn)動(dòng)，與前體土倉(cāng)外壁形成磨擦，會(huì)出現(xiàn)較大量的磨損，需要加焊一定量的耐磨材料才能確保刀盤端面與前體土倉(cāng)筒體外壁保持30mm的距離，保證盾構(gòu)機(jī)工藝尺寸。

耐磨性是主要考慮的問(wèn)題，刀盤面及周邊屬于易磨損區(qū)，需要增減這方面的耐磨性，所以采取是的復(fù)以耐磨鋼板或交叉堆焊硬質(zhì)合金，以增加刀盤的耐磨性。在刀盤的正面焊接有特制的瑞典HARDOX耐磨保護(hù)板來(lái)增強(qiáng)刀盤的耐磨性。同樣的，這種特制的HARDOX耐磨塊也焊接在刀盤的背面，特別在邊緣區(qū)域。

刀盤耐磨環(huán)由HARDOX400耐磨鋼板改進(jìn)為帶硬質(zhì)合金條的耐磨環(huán)，能極大地提高了耐磨環(huán)的使用壽命。中鐵裝備盾構(gòu)機(jī)刀盤大圓弧耐磨采用3道耐磨壞（如圖2-1），內(nèi)側(cè)兩圈為60mm寬HARDOX500合金塊+16把合金保護(hù)刀，外側(cè)一圈為30塊（δ60*60*620）合金耐磨塊，另外圈配置8把焊接保徑撕裂刀。

為了提高刀盤面板的耐磨性，刀盤面板焊接60mm×60mm的菱形耐磨焊絲網(wǎng)格，網(wǎng)條高度5mm，網(wǎng)條寬度10mm；寬刮刀刀座背后設(shè)計(jì)了刮刀刀座保護(hù)刀，提高了刀座的壽命。

2、刀具得選型及磨損研究

盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)中兩條重要的因素是：刀具布置、刀具形狀。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程的實(shí)際地質(zhì)條件來(lái)選取刀具形狀和刀具布置方式,刀具選擇的正確性將直接影響到盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度、切削效果以及出土狀況等。盾構(gòu)機(jī)的刀具按切削原理一般分為切削刀和滾刀兩種，其余的刀具統(tǒng)稱為輔助刀具。切削刀又可分為：切刀、刮刀、先行刀等。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)作業(yè)砂卵石地層，特別是體型較大卵石地層時(shí)，應(yīng)采用撕裂刀，切削砂卵石，可較好地解決盾構(gòu)機(jī)切削土體、砂卵石的難題。以南寧地質(zhì)為例，因此采用撕裂刀、切刀和刮刀等混合配置的組合方案，既能有效開挖各種淤泥、砂土、粘土、圓礫，又能適應(yīng)各種素混凝土加固區(qū)及泥巖地層中的掘進(jìn)，刀盤的形狀采用防堵塞設(shè)計(jì)，刀具型式和安裝位置便于切割和清除土碴。安裝式中心撕裂刀、撕裂刀，有良好的破巖能力，能有效地代替滾刀的功能，可用來(lái)破碎素混凝土墻體以及在較為堅(jiān)硬的礫石層中行走

（1）、中鐵盾構(gòu)機(jī)刀具配置

戴菲兒幻想秦川會(huì)一心一意地守著她，直到她死去。為此她加倍取悅秦川補(bǔ)償秦川，她認(rèn)為即使她是一條狗，秦川也會(huì)被感動(dòng)。直到秦川帶回一個(gè)叫做艾莉的妖里妖氣的女孩，戴菲兒才相信，之前秦川對(duì)她的愛(ài)和依戀，全都是假象。玩偶只是玩偶，玩偶只配為男人的器官活著。

刀具型式

①、撕裂刀

刀盤配置4把180mm高的中心撕裂刀和31把180mm高的撕裂刀。

②、切刀

刀盤配置36把180mm高的切刀，布置在刀盤開口槽的兩側(cè)，其切削原理是盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)的同時(shí)，切刀隨刀盤旋轉(zhuǎn)對(duì)開挖面土體產(chǎn)生軸向（沿隧道前進(jìn)方向）剪切力和徑向（刀盤旋轉(zhuǎn)切線方向）切削力，在刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)下，刀刃和刀頭部分插入到地層內(nèi)部，不斷將開挖面前方土體切削下來(lái)，可在粒徑小于400mm的砂、卵石、粘土等松散體地層掘進(jìn)。

③、邊緣刮刀

刀盤配備8把130mm高的邊緣刮刀，用來(lái)對(duì)付各種砂土、粘土等較松散的地層及全風(fēng)化的巖層等其它未固結(jié)的土體，刮刀上裝有碳化鎢刀刃，目的是為了更好的降低掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的磨損，可用來(lái)校準(zhǔn)盾構(gòu)的開挖直徑。

④、保護(hù)刀

刀盤配備保護(hù)刀8把和外圈保護(hù)刀，其中外圈保護(hù)刀采取8+8+整環(huán)的模式，整環(huán)中合金條厚度為150mm，每塊共有6條。通過(guò)配備保護(hù)刀，使得刀具在掘進(jìn)過(guò)程中磨損程度有一定的減弱，提高了刀具的壽命，起到了保護(hù)刀盤的目的，也降低了施工中間換刀的頻率，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

⑤、超挖刀

用于盾構(gòu)曲線施工時(shí)的超挖及盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整，由液壓油缸操縱伸縮，其行程為0～20mm。

（2）、 刀具簡(jiǎn)要說(shuō)明

撕裂刀、刮刀、邊緣刮刀、保徑刀等切刀類刀具，一般采用刀體鑲嵌硬質(zhì)合金塊，采用銀基釬焊技術(shù)焊接，合金塊形狀及排布方式根據(jù)地層需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。刀體材料選用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，機(jī)械性能如下：抗拉強(qiáng)度1130MPa、經(jīng)熱處理后硬度HRC40±3。硬質(zhì)合金塊擁有良好的耐沖擊性能，采用超粗顆粒壓制、熱等靜壓、低壓燒結(jié)等技術(shù)，抗彎強(qiáng)度可達(dá)2990Mpa以上。刀具全部采用銀基釬焊技術(shù)，焊縫強(qiáng)度可達(dá)到260Mpa。焊縫采用高鉻耐磨焊絲，堆焊層表面硬度可達(dá)HRC55-60。

（3）、刀具使用總結(jié)

①、在純硬巖地層掘進(jìn)時(shí)，通常采取滾刀破巖。滾刀破巖的原理是，依靠刀具滾動(dòng)產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達(dá)到破碎巖石的目的，這樣能達(dá)到較好的掘進(jìn)效果。

②、撕裂刀設(shè)計(jì)合金塊高度為50mm；根據(jù)統(tǒng)計(jì)南金區(qū)間出洞后合金塊磨損量為3-6mm；金會(huì)區(qū)間中鐵盾構(gòu)機(jī)采用原裝撕裂刀，出洞后合金塊磨損量4-20mm；中心區(qū)磨損較少，邊緣區(qū)磨損量較大，因此撕裂刀合金塊磨損允許量能滿足使用要求，能夠有效減少換刀次數(shù)。

③、比較滾刀撕裂刀磨損情況，針對(duì)圓礫地層，滾刀換刀次數(shù)會(huì)多于撕裂刀換刀次數(shù)，刀具的更換耗資耗時(shí)，而且富含水砂礫層，必須氣壓換刀，換刀對(duì)盾構(gòu)是的工期及安全影響很大。圓礫地層較松散，是一種咬合不穩(wěn)當(dāng)?shù)貙?，粒徑不均，?nèi)摩擦角大，受擾動(dòng)后極易自行崩塌，因此并不需要多大的切削力，撕裂刀能夠滿足要求。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文主要就富水圓礫砂卵石地層的盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具配置進(jìn)行分析研究，分析圓礫地層的地層特性，總結(jié)出適應(yīng)圓礫地層的盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是必須增強(qiáng)刀盤的耐磨性，并對(duì)各型刀具特點(diǎn)進(jìn)行分析，總結(jié)出適應(yīng)富水圓礫地層盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性刀具配置。通過(guò)對(duì)刀盤刀具的研究，有效的提高了掘進(jìn)的速度，縮短了工期時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，從而為企業(yè)贏得了寶貴的時(shí)間，直接為企業(yè)節(jié)省成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)以后企業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。