2010 阐述土压平衡盾构机刀盘结构与刀具应用

　　摘要：刀盘作为盾构机的主要工作部件，在盾构掘进过程中起开挖地层，稳定掌子面，搅渣土等功能，盾构掘进作业时刀盘的结构形式和刀具好坏以及刀具的配置形式直接影响盾构施工进度和盾构施工的经济效益，本文介绍了刀盘的结构、刀具破岩机理和刀圈失效原因和盾构机穿越不同地层时的刀具配置形式。
　　关键词：土压平衡盾构机；刀盘；刀具；刀圈失效
　　
　　刀盘是盾构机的主要工作部件，在盾构施工过程中开挖地层，支撑掌子面，搅拌渣土，施工过程中，其工作条件极其恶劣，受力复杂，是盾构机检查维护的主要部件，其结构特点结合刀具配置形式及刀具的好坏将直接影响盾构施工能否顺利进行。
　　一、刀盘结构组成及部件功能
　　刀盘为一焊接钢结构件，重量达55吨，开口率28%。其组成部件及其功能如下：
　　整体钢结构焊接件为刀盘骨架，属整体钢结构件，结构中焊接刀箱，为刀具破岩提供支撑力。
　　刀箱与刀盘整体结构焊接用于安装刀具。
　　中心铸件与刀盘整体钢结构件焊接，连接盾构机轴承，传递扭矩、推力。
　　搅拌棒焊接在刀盘背面，掘进过程中搅拌土仓内渣土，使渣土混合均匀改善渣土流动性。
　　泡沫管焊接在中心铸件支撑壁内侧，为泡沫流过刀盘，喷溅到掌子面提供通道。
　　耐磨条焊接在刀盘周围，减小刀盘结构磨损。
　　另外，在刀盘边缘滚刀安装部位焊接耐磨网，减小刀盘结构的磨损。
　　二、盾构机刀具及其破岩机理
　　刀具是盾构施工的重要部件，在盾构施工时，选用什么样的刀具通常取决于盾构机掘进通过的地层条件。
　　软地层条件：正面齿刀、刮刀、切刀适用于软地层或交替夹有坚硬岩层的软地层情况，其切岩方式为劈下相对大块的地层，相对于盾构机掘进硬岩时，这种破岩方法效率高，盾构及掘进速度快。
　　岩石地层条件，在硬岩条件下盾构机破岩主要靠盘形滚刀，刀盘旋转带动刀具扫过开挖面，滚刀对围岩的挤压使得岩层表面形成裂纹继而与掌子面脱落，实现岩层的成功破碎
　　1．盘形滚刀（17”单刃滚刀）。单刃滚刀用于掘进硬岩地层，刀圈高于刀盘面板175mm，其刀圈可以更换，根据岩石的强度可以选用破岩能力不同得刀圈，同时根据开挖地层的条件可以与正面齿刀实现互换。实践表明，单刃滚刀可以较好的应用于〈5z-2〉、〈6z〉、〈7z〉、〈8z〉、〈9z〉等地层
　　（1）单刃滚刀的破岩机理分析。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，破岩过程如下图所示：
　　（2）刃尖距对滚刀破岩的影响。实践证明，采用盘形滚刀破岩时，刀尖距和刃间角是十分重要的参数，所以应采用滚刀的最优轨迹和位置和刀尖距，才能发挥滚刀的最佳破岩
　　作用，在岩石条件和滚刀所受正面压力不变的情况下，岩面上两相邻平行切割岩槽间存在着临界刃间距和最优刃间距。临界刀尖距等于有干涉的两相邻平行岩槽的最大距离，当间距大于临界刃间距时，各岩槽互不干涉，这边相当于单刀独立破岩状况，因此破碎刃口周边的岩石，则需要刀具多次滚压岩槽，使切槽不断加深才能挤压破落相邻岩槽间的岩体，此种破岩效果显然不够理想，且刀具磨损剧烈。逐渐减小刃间距，达到理想刃间距时，破裂的较大岩块将增多，破岩效率也会增加。若将刀尖距继续减小岩石的碎片会变小，分析可知，刀具发生了不必要磨损，破岩经济性则降低，刀具消耗量增加。实际上，盾构机破岩过程中，岩石状况不可能一成不变，刀具在工作过程中会磨损变顿，这些都会影响盾构机的破岩效率，这种情况下可以通过调整推力来保证盾构机在最优刀尖距下工作，以达到理想的破岩效果。但必须注意到，在岩质变硬，岩石变得很难破碎时，如无限制增加推力，则会增加刀具承载力，使刀具受到机械破坏，增加施工成本，因此，刀具布置时要根据盾构机掘进地层，选择合适的刃间距，探索滚刀刀刃的极限磨损量，以获得最佳的掘进速度和施工经济效益。
　　（3）影响滚刀使用寿命的因素。通过施工实践表明，影响滚刀的使用寿命很多，主要有：地层条件，如：岩层抗压强度，RQD指标，盾构机操作技术，掘进参数的选用，滚到处于刀盘的位置，而滚刀自身零部件的工作性能、刀刃材质性能则是决定滚刀使用寿命的基础。
　　（4）盘形滚刀刀刃失效分析。刀圈是影响滚刀使用寿命的关键易损件之一，它直接接触、破削岩石，承受的力由径向力、轴向力、切向力组成，同时刀圈破岩时产生的冲击力也是滚刀主要承载力之一。根据现场施工情况分析，刀圈磨损失效主要有以下几种形式：①均匀磨损：整个刀圈均匀磨损，达到极限磨损量；②非均匀磨损：刀圈磨损不均匀，从外观上看，刀圈承多边形、椭圆形，刀圈失圆；③断裂崩刃：刀刃局部破损，断口齐整；④刀圈移位：刀圈沿其安装轴发生轴向位移；⑤刀圈脱落：刀圈与其安装轴脱落。刀刃损坏失效的原因很多，如刀圈与刀体配合不佳，刀圈材质不良，机械产生的震荡，刀具安装质量，在裂隙岩石中刀圈承受很大的力矩或被卡住，盾构机的操作参数，渣土改良物的使用情况，都会使刀圈产生失效。
　　2．中心双刃滚刀。中心双刃滚刀应用于硬岩段地层掘进，破岩机理与单刃滚刀基本相同，刀刃高于刀盘面板175mm，由于其处于刀盘中心部位，转动（饶刀盘中心公转）半径小,
　　双刃滚刀起动力矩较大，使得其不易转动，中心双刃滚刀极易发生弦磨，实践表明，盾构机掘进〈9z〉地层时，中心双刃滚刀仍有弦磨的可能。当中心滚刀法生弦磨后不能较好的进行破岩，使刀盘前方中心部位的岩层接近刀盘面板，呈“凸”字形，这样使得中心滚刀附近的单刃刀极易发生刀圈移位。故而在中心滚刀的使用上，需着重注意。
　　3．边刮刀。边刮刀安装与刀盘周边，呈弧形，其破岩机理与齿刀相同，但不能与其他类型的刀具互换，在软土地层中掘进时破岩作用明显，在硬岩地层中掘进时可以起到刮渣作用。
　　4．小切刀。小切刀的破岩机理与正面齿刀相同，均为刮削下土体，由于其安装在刀盘正面渣土流动槽旁边，即在刀盘转动过程中可以刮下滚刀破损后松动的围岩，使且削下的渣土通过渣土流动槽直接进入土仓，起到刮渣作用。当正面滚刀替换成正面齿刀后，齿刀、切刀高出刀盘距离相同。
　　三、刀具配置形式
　　刀具的配置形式，直接影响盾构机掘进的效率和施工成本，盾构机的开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。一般情况下，在软土地层（〈5z-2〉以下）中掘进时，主要选择切削性破岩刀具，如：正面齿刀、中心齿刀、切刀等考虑到地质条件的变化的风险等因素，边缘滚刀一般不更换为齿刀。分析刀具在刀盘上的位置可知边缘滚刀公转半径大与岩层接触容易产生较大的驱动力矩，不宜产生弦磨，另外软土地曾对滚刀刀刃的磨损较小，滚刀使用寿命较长，经济性较好。在软土地层中使用滚刀破岩时，应事先测量道具的起动力矩，尽量配置起动力矩小的刀具，以避免刀具发生弦磨和布均匀磨损。下图为盾构机穿越软土地层的刀具配置图刀盘配置4把中心齿刀，16把正面齿刀、16把单刃滚刀，64把小切刀，8把边刮刀，一把超挖刀。在〈6z〉、〈7z〉地层中掘进时，正面滚刀可以代替正面齿刀使用，但中心部位宜采用与中心滚刀互换的中心齿刀，这样可以增加刀盘中心部位的开口率，减小泥饼形成几率，提高破岩效率。在〈8z〉、〈9z〉地层中掘进时，刀盘要尽量多的配置盘形滚刀。下图为盾构机穿越硬岩地层的刀具配置图。刀盘配置4把中心双刃滚刀，31把单刃滚刀，64把小切刀，8把边刮刀，一把超挖刀。
　　四、结语
　　刀盘作为盾构机的重要工作部件，刀盘的结构形式及刀具配置形式决定着盾构机能否顺利破岩和盾构施工成本，结合本工程建设的实际经验，应该注意一些相关问题，并采用相关措施解决。