淺談盾構(gòu)機(jī)刀具造型及其布置安排

柏林林

摘 要：本文說明了盾構(gòu)機(jī)刀具造型，分析了刀具的配置方法，闡述了盾構(gòu)機(jī)刀具造型及其布置安排的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；刀具；造型；布置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.036

0 引言

盾構(gòu)機(jī)在施工過程中的主要工具，由于其工作條件極其惡劣，其刀具配置形式及刀具造型的好壞將直接影響盾構(gòu)施工能否順利進(jìn)行。要確保刀具結(jié)構(gòu)布置的合理性，盾構(gòu)機(jī)刀具的配就置必須適合應(yīng)用工程的地質(zhì)條件，充分考慮影響盾構(gòu)機(jī)刀具的切削效果、掘進(jìn)速度和施工效率，確保盾構(gòu)機(jī)使用壽命的提高。

1 盾構(gòu)機(jī)刀具造型和種類

（1）齒刀，刮刀。切刀布置在刀盤開口槽的兩側(cè)，其切削原理隨刀盤旋轉(zhuǎn)對(duì)開挖面土體產(chǎn)生軸向剪切力和徑向切削力，在轉(zhuǎn)動(dòng)下插入到地層內(nèi)部，一般是適用于粒徑小于500mm的砂、卵石、粘土等松散體地層。

（2）切刀。切刀用來切削掌子面的土層，目前最有效的切刀配有雙層碳鎢合金刀齒。刀具背部設(shè)有先行刀突出切刀布置，并安裝在刀盤輻條中間的刀箱中。常見的先行刀是由強(qiáng)度高、耐磨性能好的碳鎢合金堆焊而成，先行刀是先行超前切刀布置，有利于隨后跟進(jìn)的切刀作業(yè)，避免切刀切削到礫石等地層，從而有效地保護(hù)切刀。先行刀與其它刀具組合協(xié)同工作，在切刀切削土體之前先行切削土體，并為切刀創(chuàng)造良好的切削條件。先行刀的切削寬度可顯著增加切削土體的流動(dòng)性，大大地提高切刀的切削效率，主要適用于砂卵石地層。

（3）仿形刀.仿形刀是為盾構(gòu)機(jī)實(shí)施轉(zhuǎn)彎或糾偏等而設(shè)計(jì)的。刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，刀具隨切削直徑的增大而增大，當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎對(duì)洞壁一側(cè)進(jìn)行超挖，便于盾構(gòu)機(jī)向該側(cè)轉(zhuǎn)彎。

（4）貝型刀。貝型刀的盾構(gòu)機(jī)能穿越砂卵石地層，因土體屑松散體在滾刀掘進(jìn)擠壓下會(huì)產(chǎn)生較大變形，為了降低滾刀的切削效果，需要將其布置在刀盤盤圈前端面。

（5）中心刀。中心刀通常是用來清除掌子面最外圈的渣土，刀盤外徑大起到保護(hù)刀盤外緣不受磨損的目的，它是突出于刀盤上所有的其它刀具，刀頭對(duì)旋轉(zhuǎn)刀盤起著定心作用。在軟土地層掘進(jìn)時(shí)，因刀盤中心部位無法改善中心部位土體的切削和攪拌效果，可在中心部位設(shè)計(jì)一把尺寸超前500mm的魚尾刀，利用魚尾刀先切削土體，將魚尾刀設(shè)置在切刀布置上，使刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)增加翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣就改善切削土體的流動(dòng)性和攪拌效果，有效提高盾構(gòu)整體掘進(jìn)效果。

（6）滾刀.滾刀可分為球齒滾刀、楔齒 滾刀和盤形滾刀。土層地質(zhì)不用滾刀，可在純硬巖地層采用滾刀破巖進(jìn)行挖掘。依靠刀具滾動(dòng)產(chǎn)生沖擊壓碎作用來破碎巖石，滾刀的數(shù)量和布置方式需要根據(jù)巖層的強(qiáng)度和掘進(jìn)距離來確定。在隧道地質(zhì)條件復(fù)雜多變并交錯(cuò)頻繁出現(xiàn)的情況，可以采用復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)。

2 刀具的配置

（1）配置形式。刀具的布置要考慮工程的盾構(gòu)切削效果和掘進(jìn)速度，同時(shí)也要考慮刀具的耐用性，由于輻板式刀盤兼有面板式和輻條式刀盤特點(diǎn)，是由很多小塊幅板布置在寬輻條的兩側(cè)和內(nèi)部，輻板式刀盤不易堵塞刀盤開口，能保護(hù)施工工程中容易坍塌的砂卵石的穩(wěn)定性。刀具的配置形式影響盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的效率和施工成本，盾依據(jù)構(gòu)機(jī)的開挖性能，主要選擇切削性高的正面齒刀、中心齒刀、切刀等，邊緣滾刀在刀盤上的位置，只是在邊緣滾刀公轉(zhuǎn)半徑大與巖層接觸容易產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力矩，且對(duì)滾刀刀刃的磨損較小，滾刀經(jīng)濟(jì)性較好。在軟土地層中應(yīng)事先測(cè)量道具的起動(dòng)力矩，盡量避免刀具發(fā)生弦磨和布均勻磨損。在地層中掘進(jìn)時(shí)，正面滾刀宜采用與中心滾刀互換的中心齒刀，這樣可以減小泥餅形成幾率，提高破巖效率。

（2）刀具配置的差異性。刀具配置的差異性主要在滾刀和先行刀的配置數(shù)量和組合高度差等方面。雙刃滾刀和正面雙刃滾刀的配置能夠滿足中強(qiáng)度巖石地掘進(jìn)要求，另可將滾刀更換成齒刀，例如，三菱公司刀盤滾刀高出面板80mm，對(duì)防止泥餅的形成有利，但是如果高度差過大不但不利于破巖，而且在滾刀間會(huì)會(huì)出現(xiàn)小碎塊現(xiàn)象，降低破巖功效，通常滾刀的間距應(yīng)控制在80～100mm的范圍內(nèi)。

（3）刀具造型及其布置安排的平衡設(shè)計(jì)。刀具配置要覆蓋整個(gè)開挖斷面，為保證刀盤受力均衡和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，刀具要對(duì)稱性布置，切刀要正反方向布置，同時(shí)要確保每個(gè)軌跡有2把切刀，對(duì)切刀排列采取整體連續(xù)排列和牙型交錯(cuò)排列交錯(cuò)的方式，通過周邊刀來保證滾刀純滾動(dòng)，要考慮周邊滾刀并增加周邊滾刀的數(shù)量。由此可見，合理選擇合金鑲嵌技術(shù)，能夠減少刀具掘進(jìn)磨損和沖擊，提高耐久性并延長刀具的使用壽命；綜合刀具種類和尺寸，確定刀具的超前量、相互高差，盡可能減少刀盤旋轉(zhuǎn)刀具切削土體過程對(duì)周邊土體及環(huán)境的擾動(dòng)，盡量使各種刀具磨損均勻，充分發(fā)揮各種刀具的切削性能。

3 盾構(gòu)機(jī)刀具造型及其布置安排的注意事項(xiàng)

（1）要減少磨損。由于砂質(zhì)粘性土地層土體粘性較大，刀盤扭矩排出的土壤很干燥，掘進(jìn)時(shí)很多粘土粘附在刀箱和進(jìn)料口上，切削下的土壤會(huì)造成刀盤和刀具在高溫度下腐蝕，可見切削溫度越高對(duì)刀具的磨損也越大。為了減少磨損，可以加入泡沫，使得排出的土含水量較多，泡沫對(duì)刀盤和刀具起到了一定的保護(hù)作用。該盾構(gòu)機(jī)刀盤適用于該區(qū)間地層，復(fù)合式刀盤為合金粒雙刃滾刀，使得刀盤磨損度很小。在刀具切削土體時(shí)，由于土體粘性較大，刀盤扭矩和驅(qū)動(dòng)油壓力均較大，掘進(jìn)時(shí)加入的水難以滲入土體內(nèi)，造成刀盤和刀具溫度長期居高不下而造成磨損也越大。

（2）對(duì)配備刀具要進(jìn)行監(jiān)測(cè)。刀具配置關(guān)系到盾構(gòu)能否順利掘進(jìn)，必須根據(jù)地質(zhì)狀況認(rèn)真研究分析。在盾構(gòu)施工中合理的選取掘進(jìn)參數(shù)（如總推力、刀具貫入度、刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩等），最大程度的延長刀具的使用壽命，減少換刀頻率，降低施工中頻繁換刀的風(fēng)險(xiǎn)，做好對(duì)刀具監(jiān)控、分析、比較、摸索，總結(jié)刀具的使用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)反饋經(jīng)驗(yàn)并用來指導(dǎo)施工。

參考文獻(xiàn)：

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