盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速度的影响教材.docx

李越 北 京 交 通 大 学 Beijing jiaotong university PAGE12 / NUMPAGES12 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 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。 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 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