盾构机刀具刀盘配置对扭矩刀头磨损及掘进速度的影响

李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity1/12盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速度的影响摘要:土压平衡式盾构机的刀盘具有切削、支撑、搅拌、土体改良等功能，因此在控制掘进效率、保持开挖面的稳定等方面起着决定性的作用。盾构选型时必须结合地层的特殊性和通用性来确定刀盘型式、刀具的布置形式以及他们之间的组合方式。刀盘结构的改造是为充分发挥不同地层条件下辐条式刀盘和面板式刀盘的独特优势，实现两者间的转换。将面板式刀盘的六块面板的装配形式改为栓接加焊接的形式。刀具布置形式优化是根据刀具的作用和运动轨迹对刀具的位置、形状进行合理的优化布置，增强刀具的切削能力、降低土体对刀具磨损进而达到保护刀盘本体，为盾构长距离掘进提供保障。关键词:辐条式刀盘;面板式刀盘;刀盘结构设计;刀具布置形式李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity2/12前言伴随着我国城市化进程的加快，城市建设快速发展，城市规模不断加大，城市交通呈急剧增长的态势，21世纪将是中国城市轨道交通的新纪元，经济发展将会伴随更大的都市化，地铁交通的建设将促使城市的发展，甚至成为一个急迫的任务。盾构机在隧道施工中，通过刀盘刀具对前方土体进行切削，刀具与土体的适应程度至关重要。盾构是集液、电、气于一体的大型机械化专用施工设备，目前应用最广泛的是闭胸式盾构，主要分为泥水式和土压平衡式。土压平衡式盾构机在复杂多变的地质条件下，其刀盘的结构型式、刀盘的支撑形式、刀具的选型、刀具的布置将直接影响到设备掘进的效果。刀盘刀具于前方土体不适应，将使盾构掘进非常缓慢甚至寸步难行，直接影响到盾构机的工作效率、工程进展及工程的经济效益。由于刀具是易损件，消耗量大，如果只是依靠进口刀具不仅供货期长，而且成本高，所以使用国产刀具势在必行。在掌握盾构刀具切削机理和深刻认识刀具磨损相关因素的基础上，针对不同的施工地质进行刀盘刀具的选择、刀具的布置等盾构掘进设备最关键、最核心的问题，进而实现盾构机的国产化就显得尤为必要。1刀盘的布置针对不同的地层情况以及设备等情况，盾构的刀盘形式有很多，其主要功能为以下儿点：（1）切削功能:刀盘旋转时，通过布置在刀盘上各种形式的刀具切削土体，并将切削下来的土体刮到土仓。（2）支撑功能:依靠辐条及辐条之问的面板起到支撑掌了面土体的作用。（3）搅拌功能:通过刀盘的旋转及搅拌棒的配合作用，使土体与膨润土、泡沫等充分混合，以改善土体的和易性、可塑性，增强土体的流动性，便于出渣，提高掘进工作效率。（4）控制出渣粒径:通过刀盘结构形式及刀盘开口率控制进入土仓内土体的粒径。李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity3/12为了实现上述功能，刀盘形式上主要分为辐条式和面板式两类，还有一种是两者组合的复合式刀盘，在该类型中中泥水土压平衡式盾构机的刀盘是真正的面板式，而我们通常意义上的面板式刀盘指的是复合式刀盘，在本文中统称为面板式刀盘。儿种结构形式的刀盘见下图。图1.1辐条式刀盘图1.2刀盘式刀盘图1.3复合式刀盘关于刀盘纵断面形状大致有以下几种：1、垂直平面形；2、突芯平面形；3、穹顶形；4、倾斜形；5、收缩形。如图1.4所示：图1.4刀盘纵断面形式李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity4/12三种不同的刀盘适用于不同的地质环境和工程概况，如下表1.1所示：表1.1辐条式刀盘与面板式刀盘主要性能对比表通过表中的对比我们可以看出面板式刀盘更适合于软土环境的地质环境中，可以有效的抵御掌子面的坍塌。而辐条式刀盘适合于硬质地层中的隧道中。结合两种类型刀盘实际使用情况，根据的刀盘的功能我们在设计和改造刀盘时主要考虑以下三个问题:（1）开口率开口率是盾构刀盘上一个较重要的参数，直接影响到土体进入土仓的流动性。辐条式刀盘因缺少面板以及辐条的圆柱形结构设计，开口率较大，切削下来的土很容易进入到土仓内;面板式刀盘因增加了面板以及辐条的箱式结构设计，加之刀具配置较多，开口率较小，切削下来的土体很难及时进入到土仓内，加速了刀具的磨损。所以开口率的大小一方面影响到出渣粒径，另一方面直接关系到刀盘的磨损速度。（2）支撑作用辐条式刀盘和面板式刀盘起支撑作用的主体不同。辐条式刀盘土仓内外的压差很小，从土仓内的土压计上易确定土压值，为掘进过程中的控制提供了真实有效的依据，但其支撑作用主要是靠土仓壁完成的;面板式刀盘承受着来白掌了面李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity5/12上的土压力，起到很好的支撑作用。但土仓内的土压力不仅与掌了面的土压力有关，还与土仓内土体的密实度有关，掌了面和土仓内土压存在一定差值，且这个差值受到刀盘旋转位置、推进速度等多方面的影响，不确定性较强，这样我们还将土仓内的土压值视为掌了面的土压值来指导掘进势必导致一定得误差。（3）切削作用影响刀盘切削功能的主要是刀具的形式及其布置形式。在软土和砂卵石地层中，完成切削功能的主要刀具切削刀。目前无论是辐条式还是复合式均采用齿刀切削土体，只是齿刀的尺寸、形式、布置位置、装配方式上有差别;刮刀的形式差别较小，且多为装配的方式。2刀具的布置和形式刀盘上配置有不同类型刀具，使盾构机能适应软土到硬岩各种地层的掘进。滚压类刀具：单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀等。切削类刀具：切刀、刮刀、齿刀、保径刀、超挖刀、中心鱼尾刀、贝壳刀等。对于不同地层的开挖，盾构的刀具通常采用不同型式：开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀；地层为较软岩石时，采用齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采用切刀(或刮刀)，如图2.1所示：图2.1不同刀盘刀具的形式2.1滚刀刀具的特点以滚刀为例，在硬岩掘进时，采用滚刀破岩，滚刀破岩的特李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity6/12点是依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。根据形状不同，可分为盘形滚刀，球齿滚刀，楔齿滚刀等。盘形滚刀是刀圈为盘形的滚刀，根据刀刃多少又分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀。目前普遍使用的是单刃滚刀，盘形滚刀主要由图2.2滚刀结构图刀圈、刀体、刀轴、轴承、密封等组成。如图2.2所示。刀圈断面形状有楔刃形和平刃形，刀刃角一般有60°、75°、90°、120°或平刃等，掘进硬岩时一般用较大刀刃角，掘进较软岩石时用较小刀刃角。对于特别软的岩层，刀刃角小容易嵌入岩层，增大刀刃角甚至做成平刃可以改善掘进效果。因平刃盘形滚刀与岩石表面接触面积磨损前后变化小，近年来平刃刀具使用逐渐增多。图2.3滚刀侧面图2.2滚刀的布置方式：a、单螺旋布置b、双螺旋布置李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity7/12图2.4滚刀在刀盘上布置形式2.3滚刀破岩机理当滚刀受载，刀刃切入围岩时，岩石表面首先产生局部变形并出现微观裂纹，此过程为岩石的初期破碎，当载荷继续增加，滚刀切入岩石深度也相应的加深，在滚刀刃端的岩石粉碎破碎，并且又重新被碾压，围观裂纹在刀刃图2.5滚刀破岩示意图两侧较快发展，一些裂纹开始延伸到岩石表面，最后形成几道主要裂纹并迅速发展，便形成体积较大的岩石碎块，继而崩落。滚刀的间距设置会影响不同岩体的破碎情况，应该根据岩石强度调节。2.4滚刀受力分析对于在砂卵石地层掘进时，由滚动受力示意图可以看出，阻止滚刀转动的力矩主要由三部分组成，土仓内渣土的摩擦阻力力矩，刀箱内渣土的阻力力矩和滚刀的启动力矩(大小为30～50N·m)。如图2.6所示：李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity8/12通常盾构刀盘外圈刀具的磨损量δ由下式计算：式中，δ——磨损量(mm)；K——磨耗系数(mm/km)；图2.6刀具受力图D——盾构刀盘外径(m)；N——刀盘的转动速度(r/min)；L——掘进距离(m)；V——掘进速度(cm/min)。3刀盘和刀具的配置设计3.1不同开口率条件下刀盘扭矩值以北京地铁四号线14标及4标刀盘参数、掘进参数及工程地质条件为基础，对不同开口率条件下刀具切削扭矩进行计算分析。表3.1刀盘刀具基本参数表3.2开口率35%条件下刀盘扭矩分项计算VLNDK/101刀盘外径De（m）刀盘侧面宽度b刀盘m刀具宽度bmm锥入度pmm/rpm底层摩擦系数μ1及μ26.430.4150350.35覆土厚度H（m）土体平均重度γ（kN/m3）侧压力系数K计算平均侧向土压qe（MPa）计算平均竖向土压pm(MPa)10190.40.100.25开口率ηTf（kNm）Tcut（kNm）Tmix+Tseal(kNm)T(kNm)Tcut/T单把刀切削力备注工程实际扭矩（kNm）35%34518260041342.0%1.31陀式理论3500～45005841091.4%0.92维式理论5041011.2%0.79多式理论1440800.3%0.23《盾构隧道》李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity9/12表3.3开口率50%条件下刀盘扭矩分项计算表3.4开口率75%条件下刀盘扭矩分项计算图3.1刀盘扭矩分项各占比例从以上计算可以看出，各种开口率条件下刀具切削扭矩占刀盘总扭矩小于5%，即刀具配置对刀盘扭矩的影响非常小，减低刀盘扭矩应该从刀盘开口率、开口率ηTf（kNm）Tcut（kNm）Tmix+Tseal(kNm)T(kNm)Tcut/T单把刀切削力备注工程实际扭矩（kNm）75%26038260032852.5%1.31陀式理论3500～40005832611.8%0.92维式理论5032531.5%0.79多式理论1432310.4%0.23《盾构隧道》开口率ηTf（kNm）Tcut（kNm）Tmix+Tseal(kNm)T(kNm)Tcut/T单把刀切削力备注工程实际扭矩（kNm）50%31338260038162.21.31陀式理论5837911.50.92维式理论5037831.30.79多式理论1437610.40.23《盾构隧道》李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity10/12刀盘宽度、渣土摩擦系数等因素入手，刀具的设计、配置及优化对刀盘扭矩无影响。3.2刀具配置对刀具磨损的影响砂卵石地层盾构刀盘主要有三类刀具配置方式：(1)正面刮刀+周边刮刀组合，在北京地铁五号线17标及沈阳地铁一号线9标等工程中被采用；(2)正面刮刀+周边刮刀+滚刀组合，广泛应用于成都地铁，北京地铁四号线20标等工程也有应用；(3)正面刮刀+盘圈贝型刀+先行刀或正面刮刀+盘圈贝型刀+先行刀+中心鱼尾刀组合在北京地铁广泛应用。在成都地铁中，通过对刀盘刀具新设计取得的效果如下表3.5：表3.5刀具改造前后区别在坐标轴中对比可得改造前后的变化如下图3.2所示：成都地铁二号线22标成都地铁二号线11标成都地铁一号线4标沈阳地铁一号线9标刀盘形式辐条面板式辐条面板式辐条面板式辐条面板式掘进断面地质卵石圆砾卵石圆砾卵石圆砾砾砂刀盘开口率25%25%25%27%初装刀具配置方式第二类第二类第二类第一类改造后刀具配置方式第三类第三类第三类第三类改造前滚刀磨损系数（10-3mm/km）200-250200-250200-250198.1改造后先行刀磨损系数（10-3mm/km）120-15050-7550-7536.4改造前一次掘进距离（mm）0.10-0.160.1.-0.160.10-0.160.23改造后一次掘进（mm）0.37-0.530.74-1.270.74-1.271.75李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity11/12图3.2刀具配置改造前后刀具磨损系数对比和刀具配置前后一次掘进距离对比从以上统计分析可以看出，不同的刀具配置对刀具磨损及一次掘进距离影响非常大。4总结4.1减少刀具磨损的措施(