盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)和布局對(duì)其使用壽命的影響

何鑫 杜水明

摘? 要：盾構(gòu)機(jī)是一種隧道掘進(jìn)施工的專用設(shè)備，其主要通過(guò)刀盤上的刀具破碎巖石和切削泥土來(lái)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)刀具極易出現(xiàn)零件的磨損和失效，在盾構(gòu)掘進(jìn)施工中經(jīng)常出現(xiàn)由于刀盤上刀具設(shè)計(jì)布局不合理、地層適應(yīng)性不強(qiáng)等因素造成刀具磨損速度快、異常損壞多等問(wèn)題，從而導(dǎo)致了盾構(gòu)施工效率降低、成本上升等問(wèn)題。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在刀盤刀具設(shè)計(jì)布局時(shí)通過(guò)對(duì)不同施工地層中刀具受力狀況進(jìn)行系統(tǒng)分析，并根據(jù)施工地層的地質(zhì)條件、巖層類型、巖層的力學(xué)性能等情況針對(duì)性地設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)、選擇刀具類型和優(yōu)化刀具布局，能夠延長(zhǎng)刀具使用壽命和提高盾構(gòu)機(jī)工作效率。

關(guān)鍵詞：刀具;地層適應(yīng)性;針對(duì)性優(yōu)化;延長(zhǎng)壽命

中圖分類號(hào)：U455? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）09-0000-00

在廣州、深圳等地區(qū)的地鐵隧道施工時(shí)，這些地區(qū)的復(fù)合地層軟硬不均，同一隧道線路不同位置地層差異很大，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)要不斷穿過(guò)硬巖、軟巖、上軟下硬等地層，盾構(gòu)機(jī)刀具的受力復(fù)雜、損耗很大，因此在復(fù)合地層區(qū)域施工時(shí)依據(jù)地層差異針對(duì)性地設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)、選擇刀具類型和優(yōu)化刀具布局更顯重要性，對(duì)延長(zhǎng)刀具壽命和降低施工成本效果更加明顯，本文將從以下幾方面對(duì)復(fù)合地層中盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具設(shè)計(jì)和布局對(duì)壽命的影響進(jìn)行簡(jiǎn)要分析[1]。

1盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具種類

盾構(gòu)機(jī)刀盤依據(jù)結(jié)構(gòu)形式分為面板式與輻條式，根據(jù)應(yīng)用地層分為硬巖刀盤、軟巖刀盤和復(fù)合刀盤三種，硬巖刀盤和復(fù)合刀盤一般采用的是面板式結(jié)構(gòu)，軟巖刀盤一般采用的是輻條式結(jié)構(gòu)。硬巖刀盤和復(fù)合刀盤雖然都是采用的面板式結(jié)構(gòu)，但是由于它們應(yīng)用的地層環(huán)境不同，兩種刀盤的開(kāi)口率、刀具配置等方面存在很大差異。開(kāi)口率是刀盤設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，三種刀盤開(kāi)口率由高到底分別為軟巖刀盤、復(fù)合刀盤和硬巖刀盤，也正是由于開(kāi)口率的不同很大程度上決定了刀盤的應(yīng)用環(huán)境不同，如在天津、上海等淤泥地層中，適合采用輻條式刀盤，采用面板式刀盤由于開(kāi)口率過(guò)小容易出現(xiàn)堵塞，如廣州、深圳等復(fù)合地層適合采用復(fù)合刀盤，既保證刀盤具有一定的開(kāi)口率又能保證軟、硬刀具的互換，由這些實(shí)際應(yīng)用事例也可以看出刀盤設(shè)計(jì)對(duì)地層具有一定的針對(duì)性[2]。

盾構(gòu)機(jī)的刀具一般分為滾刀和刮削刀，滾刀是硬巖刀具，一般安裝在硬巖刀盤和復(fù)合刀盤上進(jìn)行巖石的破碎，刮削刀是軟土刀具，其在三種刀盤上都有安裝，但在輻條式刀盤上應(yīng)用種類和數(shù)量更多，主要由于切削泥土或輔助滾刀刮削碎石。

2盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具配置與布局研究

目前盾構(gòu)施工中刀具在刀盤上的配置一般先對(duì)不同施工地層中刀具受力狀況進(jìn)行系統(tǒng)地分析，再按照巖層的硬度和類型來(lái)進(jìn)行確定，在硬巖掘進(jìn)中刀盤上刀具配置以滾刀為主、刮刀為輔，在單軸抗壓強(qiáng)度在20MPa以下的軟土地層中刀具配置就只有刮削刀沒(méi)有滾刀，在復(fù)合地層中、高強(qiáng)度巖層段刀具配置以滾刀為主、配置一定刮削刀，在復(fù)合地層中、低強(qiáng)度巖層段刀具配置以刮削刀、配置一定的滾刀，在復(fù)合地層軟土段刀具全部采用刮削刀。如上海隧道工程公司在成都一號(hào)線地鐵施工中，就針對(duì)砂卵石地層對(duì)刀盤刀具采用了滾刀+刮刀（撕裂刀、貝殼刀等）的刀具配置優(yōu)化方案，應(yīng)用顯示刀具的針對(duì)性配置有助于刀具壽命的提升。目前關(guān)于各種地層中如何選擇刀具類型，還是缺乏一套成熟的理論和試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，現(xiàn)在的針對(duì)性設(shè)計(jì)大多都是依據(jù)之前的應(yīng)用中出現(xiàn)問(wèn)題后的優(yōu)化改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類型地層的移植，再在工程中通過(guò)一段距離的實(shí)驗(yàn)性掘進(jìn)后進(jìn)行驗(yàn)證[3]。

3盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具磨損影響因素

目前盾構(gòu)機(jī)常用刀具有滾刀、切刀、邊刮刀等，為保證刀盤掘進(jìn)效能，根據(jù)地質(zhì)條件選用不同的刀具組合，確保掌子面巖土得到有效的破碎和切削，使巖土能順利通過(guò)刀盤預(yù)留孔隙進(jìn)入土倉(cāng)，以減少刀具的磨損[4]。

刀具磨損主要有刀圈基體磨損、刀轂基體磨損、刮刀基體磨損、刀具連接部件磨損等情況，這些情況都能導(dǎo)致刀具的失效，在不同的地層中刀具的磨損是不一致的，其中以軟硬不均、大顆粒砂卵石地層、石英含量高的地層、高硬度地層等對(duì)刀具磨損最為嚴(yán)重，淤泥、黃土等軟土地層對(duì)刀具的磨損最輕。刀具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和選材、刀圈的類型選擇、刀圈的形狀設(shè)計(jì)和選材、刀盤上刀具的間距和高低差設(shè)計(jì)、刀具種類的配置、密封結(jié)構(gòu)選擇、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)選擇、刮削刀合金設(shè)計(jì)、刮削刀耐磨保護(hù)層設(shè)計(jì)、刀具安裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、刀具安裝力要求等因素是否針對(duì)不同地層進(jìn)行針對(duì)性地設(shè)計(jì)，會(huì)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具的磨損產(chǎn)生很大的影響。上述這些方面的設(shè)計(jì)如果不合理，將會(huì)極大地增加刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。

4盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具設(shè)計(jì)優(yōu)化

刀盤刀具是決定盾構(gòu)施工效率和成本的關(guān)鍵，在不同巖土中施工需要采用不同的刀盤刀具配置來(lái)進(jìn)行隧道掘進(jìn)。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具磨損影響因素分析，需要通過(guò)針對(duì)性設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)、合理選擇刀具類型和優(yōu)化刀具布局等措施優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)刀具刀盤配置，提高盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工效率[5]。

軟土掘進(jìn)中要求刀具具有較好的抗磨性和沖擊韌性，軟土刀具一般是以硬質(zhì)合金材料為刀刃，并對(duì)刀刃進(jìn)行防崩塊設(shè)計(jì)，以此來(lái)提高軟土刀具的耐磨性，軟土刀具的刀柄依據(jù)安裝方式不同（焊接式和螺栓緊固式）選用不同材料，以保證刀體具有足夠的耐磨性和良好的焊接性能，并在軟土刀具與巖土接觸部位和刀刃周邊進(jìn)行表面強(qiáng)化處理來(lái)增強(qiáng)刀體的使用壽命，其中刀刃防崩設(shè)計(jì)和刀柄易損面強(qiáng)化是提升軟土刀具壽命的重點(diǎn)，要針對(duì)不同的地層進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

硬巖掘進(jìn)中要求刀具擁有良好耐磨性和質(zhì)量穩(wěn)定性，硬巖刀具一般刀圈為刀刃，刀圈類型的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是通過(guò)巖層的硬度、磨損性等方面來(lái)決定的。在中、高硬度巖層中掘進(jìn)時(shí)刀圈一般選用盤形刀圈結(jié)構(gòu)，刀圈的刃口形狀一般設(shè)計(jì)為等截面梯形，并且刃寬設(shè)計(jì)與巖層硬度成反比設(shè)計(jì)。在中、低強(qiáng)度的高磨損性硬巖中掘進(jìn)刀圈一般鑲齒刀圈結(jié)構(gòu)，刀圈的合金齒的數(shù)量、大小、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都要依據(jù)巖石的硬度不同進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，通過(guò)刀圈的這些優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提高刀圈的適應(yīng)性。滾刀啟動(dòng)扭矩也要根據(jù)地層硬度的不同進(jìn)行調(diào)整，一般與地層硬度成正比調(diào)整。滾刀刀圈個(gè)數(shù)的選擇也是依據(jù)巖層的硬度來(lái)決定的，70Mpa以上的硬巖基本采用單刃設(shè)計(jì)，雙刃滾刀一般適用于70Mpa以下的軟巖地層。由此可知通過(guò)針對(duì)性設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)、合理選擇刀具類型和優(yōu)化刀具布局等措施優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)刀具刀盤配置，有助于提升刀具的整體使用壽命[6]。

5結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)城市地鐵蓬勃發(fā)展，盾構(gòu)工法成為地鐵隧道施工首選，刀具設(shè)計(jì)理論是盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，刀盤刀具設(shè)計(jì)方案直接決定施工工程的成敗，盾構(gòu)機(jī)刀具磨損與刀盤組合配置適應(yīng)性影響盾構(gòu)機(jī)技術(shù)的發(fā)展。本文圍繞提高盾構(gòu)機(jī)刀具使用壽命問(wèn)題，介紹盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)，說(shuō)明了針對(duì)性設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)、合理選擇刀具類型和優(yōu)化刀具布局等措施優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)刀具刀盤配置后將對(duì)刀具壽命產(chǎn)生的影響，并針對(duì)刀具刀盤優(yōu)化布局提出對(duì)策建議。

參考文獻(xiàn)

[1]韓利濤.盾構(gòu)機(jī)刀具智能選型與布置研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2016.

[2]鄭麗堃.盾構(gòu)機(jī)刀具布置規(guī)律研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2016.

[3]陳昭章，洪開(kāi)榮.復(fù)合地層盾構(gòu)設(shè)計(jì)概論[M].北京：人民交通出版社，2010：295.

[4]朱述敏.復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].南京：南京理工大學(xué)，2015.

[5]唐歡，賀軍.盾構(gòu)硬質(zhì)合金刮刀常見(jiàn)失效形式及分析[J].鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2016（4）：31-35.

[6]柏波.復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤及刀具配置研究[J].中國(guó)高新科技，2019（24）：12-14.

收稿日期：2020-08-01

作者簡(jiǎn)介：何鑫（1987—），男，湖南株洲人，本科，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工藝、盾構(gòu)機(jī)/TBM零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)。