一種盾構機滾刀刀箱輔助定位裝置的分析與應用

陳科鋒

（浙江交工集團股份有限公司地下工程分公司，浙江 杭州 310000）

1 項目概況

盾構機作為一種大型工程機械，在城市地鐵、鐵路隧道、公路隧道、市政管網、引水隧道等大型工程建設領域扮演著重要角色。一般盾構機與所選的地質是相對應的，而作為盾構機牙齒的刀具也和地質情況緊密聯系。因此，為了保證盾構機的牙齒可以正常且高效地工作，支撐它的刀箱就顯得分外重要，以往定位刀盤上的刀箱需要將體積大且笨重的滾刀與對應的刀箱配合后整體焊接至刀盤上，這樣操作能十分準確地保證刀箱位置度，但是卻也存在這樣的缺點：刀具體積大，質量重；容易受到刀具廠家供貨限制，影響生產計劃；操作復雜，花費在組裝配合上的時間比例大。針對這一情況，提供了一種盾構機滾刀刀箱輔助定位裝置，該裝置可以有效克服以往刀箱的這些缺點，又能保證重要配合尺寸，實現刀箱的準確定位。

2 滾刀刀箱輔助定位裝置的設計

2.1 設計思路分析

盾構機完整的滾刀由刀軸、密封裝置、刀圈、刀體、刀轂、端蓋、軸承等部件組成。滾刀有單聯、雙聯和多聯之分，圖1為盾構機雙聯滾刀結構示意圖。完整的滾刀結構復雜，質量大，若利用此滾刀來定位刀箱不易操作，稍有不慎便會傷及自身。

圖1 盾構機雙聯滾刀結構示意圖

滾刀和刀箱的結構如圖2所示，刀具與刀箱配合時主要是依靠螺桿使刀軸兩端的平面、斜面和楔形塊緊密配合，而對于滾刀其他的外形尺寸，只有螺紋孔的位置和刀圈的直徑有關，所以可以設計一種工裝，只需要能夠保證配合面精度、位置度、平行度、對稱度，還要盡量減輕整體質量。觀察圖2中裝配圖可發現，刀軸兩端與端蓋配合，端蓋上有與刀箱和楔形塊配合的面，利用連接螺栓通過楔形塊將滾刀安裝到刀箱上[1-3]。

圖2 滾刀和刀箱的結構示意圖

針對上述缺陷，設計思路是：縮小滾刀體積，減輕刀具重量；保留或者體現刀具重要配合面和尺寸；設計吊裝螺栓，提高工作效率。

2.2 結構分析

針對盾構機傳統滾刀刀箱在應用中存在的缺點，提供了一種重量輕、便于運輸與刀箱安裝定位的盾構機滾刀刀箱輔助定位裝置，該裝置的結構如下頁圖3所示。該裝置主要包括左刀座、右刀座、連接軸、楔形面、底面、螺紋孔、連接螺孔、螺栓組件等部件。

從圖3可知，固定連接于左刀座和右刀座之間設置有連接軸，連接軸軸面上有若干個呈弧形或圓形的刀片，左刀座和右刀座具有與刀箱配合的楔形面和放置底面，楔形面和放置底面上設有貫穿左刀座和右刀座的螺紋孔，刀片的外徑與滾刀的外徑一致。

圖3 新型盾構機滾刀刀箱輔助定位裝置結構示意圖

上述刀片呈弧形，其處于連接軸的最高處；連接軸呈管狀，連接軸由圓鋼或無縫鋼管支撐，能大幅降低自重，便于安裝定位。連接軸穿設于左刀座和右刀座內，左刀座和右刀座的上端面上分別開設有連接螺孔，連接軸通過分別連接于連接螺孔內的螺栓組件與左刀座和所述右刀座相固定連接。刀片有兩個，其對應雙聯滾刀的安裝刀箱。

2.3 技術特點

設計的新型滾刀刀箱輔助定位裝置具有以下技術特點：結構簡單，便于運輸，操作簡便，生產效率有明顯提高，同時也能保證刀箱的位置精度，為滾刀提供安全的支撐作用。

2.4 設計過程

首先將對應的滾刀主要的幾何尺寸、配合尺寸測繪出來，利用各種型材制成各必要部件，如：刀座（對應滾刀中的刀座）、刀片（對應滾刀中的刀圈）、連接軸（對應滾刀的刀軸）等拼接組裝成定位裝置（對需要有配合要求的位置進行機加工），代替滾刀來組裝刀箱，定位刀箱，從而保證后期滾刀在掘進過程中不會出現刀圈偏磨、刀圈崩裂、刀圈卷刃以及其他異常損壞。

3 實踐應用及效果分析

3.1 工程概況

濟南軌道交通R2線7標段區間采用盾構法施工，使用中鐵裝備土壓平衡盾構機，該機配套輻條面板式刀盤，裝有單刃滾刀、齒刀等刀具，中心為18寸四聯雙刃滾刀。該項自右線盾構推進至622環時，發現掘進速度異常緩慢，結合地勘資料以及現場出渣情況斷定當時所處地質為中風化灰巖（取樣實驗該處巖石單軸抗壓強度105 MPa）。初步判斷盾構機刀具有損壞，經停機進一步開倉檢查發現四聯中心刀掉落、刀箱結構磨損、擠壓嚴重變形（如圖4所示），需要更換滾刀及中心刀箱。

圖4 雙聯滾刀結構刀箱嚴重變形示意圖

3.2 更換方案

1）進一步檢查工作環境。經過開倉實際勘察確定盾構機前方掌子面為全斷面中風化灰巖，巖層穩定，此處隧道覆土深度17.5 m，確定采用常壓作業可行。進一步探明目前圍巖滲水量約300 m3/h，土艙內需要降水作業。

2）確定方案及工藝流程。明排降水→人工破除刀箱前工作洞口→搭建焊接工作平臺→測量安裝刀箱位置定位尺寸→割除原損壞刀箱→倒出損壞中心刀箱一測量安裝刀箱位置尺寸→倒入中心刀箱→刀箱整體定位（采用盾構機滾刀刀箱輔助定位裝置→焊接刀箱→刀箱限位板定位焊接→安裝新刀具→恢復掘進。

3.3 效果分析

本次更換刀箱工期為10 d，在恢復掘進一環后開倉對刀具螺栓復緊，利用此機會對刀箱焊接質量進行檢查。在后續掘進過程中注意及時對掘進參數進行調整，及時開倉檢查，更換磨損刀具，整個區間共1 100環，盾構機出洞后對更換刀箱進行了檢查，狀況良好。盾構機滾刀刀箱輔助定位裝置的應用，有效保障了盾構機滾刀刀箱的更換質量和速度，該裝置結構簡單，便于運輸，操作簡便，生產效率有明顯提高，同時也能保證刀箱的位置精度，為滾刀提供安全的支撐作用[4-6]。

4 結語

針對盾構機刀箱更換中存在的問題，提供了一種盾構機滾刀刀箱輔助定位裝置，該裝置主要包括有左刀座、右刀座、連接軸、楔形面和放置底面螺紋孔等部件，裝置結構簡單，便于運輸和操作。在濟南軌道交通R2線7標段土壓平衡盾構機刀箱更換中對該裝置進行了實踐應用，效果理想，有效保證了刀箱的位置精度，為滾刀提供安全的支撐作用。