淺談盾構機刀具造型及其布置安排
2017-12-26 來源： 哈爾濱世紀華能液壓氣動設備銷售有限公司 作者：柏林林
摘 要：本文說明了盾構機刀具造型，分析了刀具的配置方法，闡述了盾構機刀具造型及其布置安排的注意事項。
關鍵詞：盾構機；刀具；造型；布置
0、引言
盾構機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施工能否順利進行。要確保刀具結構布置的合理性，盾構機刀具的配就置必須適合應用工程的地質條件，充分考慮影響盾構機刀具的切削效果、掘進速度和施工效率，確保盾構機使用壽命的提高。
1、盾構機刀具造型和種類
（1）齒刀，刮刀。切刀布置在刀盤開口槽的兩側，其切削原理隨刀盤旋轉對開挖面土體產生軸向剪切力和徑向切削力，在轉動下插入到地層內部，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，有利于隨后跟進的切刀作業，避免切刀切削到礫石等地層，從而有效地保護切刀。先行刀與其它刀具組合協同工作，在切刀切削土體之前先行切削土體，并為切刀創造良好的切削條件。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 . 仿形刀是為盾構機實施轉彎或糾偏等而設計的。刀盤轉動時，刀具隨切削直徑的增大而增大，當需要轉彎對洞壁一側進行超挖，便于盾構機向該側轉彎。
（4）貝型刀。貝型刀的盾構機能穿越砂卵石地層，因土體屑松散體在滾刀掘進擠壓下會產生較大變形，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，刀頭對旋轉刀盤起著定心作用。在軟土地層掘進時，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，可在中心部位設計一把尺寸超前 500mm 的魚尾刀，利用魚尾刀先切削土體，將魚尾刀設置在切刀布置上，使刀盤旋轉時增加翻轉運動，這樣就改善切削土體的流動性和攪拌效果，有效提高盾構整體掘進效果。
（6）滾刀 . 滾刀可分為球齒滾刀、楔齒 滾刀和盤形滾刀。土層地質不用滾刀，可在純硬巖地層采用滾刀破巖進行挖掘。依靠刀具滾動產生沖擊壓碎作用來破碎巖石，滾刀的數量和布置方式需要根據巖層的強度和掘進距離來確定。在隧道地質條件復雜多變并交錯頻繁出現的情況，可以采用復合式盾構機。
2、刀具的配置
（1）配置形式。刀具的布置要考慮工程的盾構切削效果和掘進速度，同時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，是由很多小塊幅板布置在寬輻條的兩側和內部，輻板式刀盤不易堵塞刀盤開口，能保護施工工程中容易坍塌的砂卵石的穩定性。刀具的配置形式影響盾構機掘進的效率和施工成本，盾依據構機的開挖性能，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半徑大與巖層接觸容易產生較大的驅動力矩，且對滾刀刀刃的磨損較小，刀經濟性較好。在軟土地層中應事先測量道具的起動力矩，盡量避免刀具發生弦磨和布均勻磨損。在地層中掘進時，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度巖石地掘進要求，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，而且在滾刀間會會出現小碎塊現象，降低破巖功效，通常滾刀的間距應控制在 80 ～ 100mm 的范圍內。
（3）刀具造型及其布置安排的平衡設計。刀具配置要覆蓋整個開挖斷面，為保證刀盤受力均衡和運轉平穩，刀具要對稱性布置，切刀要正反方向布置，同時要確保每個軌跡有 2 把切刀，對切刀排列采取整體連續排列和牙型交錯排列交錯的方式，通過周邊刀來保證滾刀純滾動，要考慮周邊滾刀并增加周邊滾刀的數量。由此可見，合理選擇合金鑲嵌技術，能夠減少刀具掘進磨損和沖擊，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刀具切削土體過程對周邊土體及環境的擾動，盡量使各種刀具磨損均勻，充分發揮各種刀具的切削性能。
3、盾構機刀具造型及其布置安排的注意事項
（1）要減少磨損。由于砂質粘性土地層土體粘性較大，刀盤扭矩排出的土壤很干燥，掘進時很多粘土粘附在刀箱和進料口上，切削下的土壤會造成刀盤和刀具在高溫度下腐蝕，可見切削溫度越高對刀具的磨損也越大。為了減少磨損，可以加入泡沫，使得排出的土含水量較多，泡沫對刀盤和刀具起到了一定的保護作用。該盾構機刀盤適用于該區間地層，復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，由于土體粘性較大，刀盤扭矩和驅動油壓力均較大，掘進時加入的水難以滲入土體內，造成刀盤和刀具溫度長期居高不下而造成磨損也越大。
（2）對配備刀具要進行監測。刀具配置關系到盾構能否順利掘進，必須根據地質狀況認真研究分析。在盾構施工中合理的選取掘進參數（如總推力、刀具貫入度、刀盤轉速、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險，做好對刀具監控、分析、比較、摸索，總結刀具的使用經驗，總結反饋經驗并用來指導施工。
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