浅谈盾构机刀具造型及其布置安排
2017-12-26 来源： 哈尔滨世纪华能液压气动设备销售有限公司 作者：柏林林
摘 要：本文说明了盾构机刀具造型，分析了刀具的配置方法，阐述了盾构机刀具造型及其布置安排的注意事项。
关键词：盾构机；刀具；造型；布置
0、引言
盾构机在施工过程中的主要工具，由于其工作条件极其恶劣，其刀具配置形式及刀具造型的好坏将直接影响盾构施工能否顺利进行。要确保刀具结构布置的合理性，盾构机刀具的配就置必须适合应用工程的地质条件，充分考虑影响盾构机刀具的切削效果、掘进速度和施工效率，确保盾构机使用寿命的提高。
1、盾构机刀具造型和种类
（1）齿刀，刮刀。切刀布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向剪切力和径向切削力，在转动下插入到地层内部，一般是适用于粒径小于 500mm 的砂、卵石、粘土等松散体地层。
（2）切刀。切刀用来切削掌子面的土层，目前最有效的切刀配有双层碳钨合金刀齿。刀具背部设有先行刀突出切刀布置，并安装在刀盘辐条中间的刀箱中。常见的先行刀是由强度高、耐磨性能好的碳钨合金堆焊而成，先行刀是先行超前切刀布置，有利于随后跟进的切刀作业，避免切刀切削到砾石等地层，从而有效地保护切刀。先行刀与其它刀具组合协同工作，在切刀切削土体之前先行切削土体，并为切刀创造良好的切削条件。先行刀的切削宽度可显著增加切削土体的流动性，大大地提高切刀的切削效率，主要适用于砂卵石地层。
（3）仿形刀 . 仿形刀是为盾构机实施转弯或纠偏等而设计的。刀盘转动时，刀具随切削直径的增大而增大，当需要转弯对洞壁一侧进行超挖，便于盾构机向该侧转弯。
（4）贝型刀。贝型刀的盾构机能穿越砂卵石地层，因土体屑松散体在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，为了降低滚刀的切削效果，需要将其布置在刀盘盘圈前端面。
（5）中心刀。中心刀通常是用来清除掌子面最外圈的渣土，刀盘外径大起到保护刀盘外缘不受磨损的目的，它是突出于刀盘上所有的其它刀具，刀头对旋转刀盘起着定心作用。在软土地层掘进时，因刀盘中心部位无法改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可在中心部位设计一把尺寸超前 500mm 的鱼尾刀，利用鱼尾刀先切削土体，将鱼尾刀设置在切刀布置上，使刀盘旋转时增加翻转运动，这样就改善切削土体的流动性和搅拌效果，有效提高盾构整体掘进效果。
（6）滚刀 . 滚刀可分为球齿滚刀、楔齿 滚刀和盘形滚刀。土层地质不用滚刀，可在纯硬岩地层采用滚刀破岩进行挖掘。依靠刀具滚动产生冲击压碎作用来破碎岩石，滚刀的数量和布置方式需要根据岩层的强度和掘进距离来确定。在隧道地质条件复杂多变并交错频繁出现的情况，可以采用复合式盾构机。
2、刀具的配置
（1）配置形式。刀具的布置要考虑工程的盾构切削效果和掘进速度，同时也要考虑刀具的耐用性，由于辐板式刀盘兼有面板式和辐条式刀盘特点，是由很多小块幅板布置在宽辐条的两侧和内部，辐板式刀盘不易堵塞刀盘开口，能保护施工工程中容易坍塌的砂卵石的稳定性。刀具的配置形式影响盾构机掘进的效率和施工成本，盾依据构机的开挖性能，主要选择切削性高的正面齿刀、中心齿刀、切刀等，边缘滚刀在刀盘上的位置，只是在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，且对滚刀刀刃的磨损较小，刀经济性较好。在软土地层中应事先测量道具的起动力矩，尽量避免刀具发生弦磨和布均匀磨损。在地层中掘进时，正面滚刀宜采用与中心滚刀互换的中心齿刀，这样可以减小泥饼形成几率，提高破岩效率。
（2）刀具配置的差异性。刀具配置的差异性主要在滚刀和先行刀的配置数量和组合高度差等方面。双刃滚刀和正面双刃滚刀的配置能够满足中强度岩石地掘进要求，另可将滚刀更换成齿刀，例如，三菱公司刀盘滚刀高出面板 80mm，对防止泥饼的形成有利，但是如果高度差过大不但不利于破岩，而且在滚刀间会会出现小碎块现象，降低破岩功效，通常滚刀的间距应控制在 80 ～ 100mm 的范围内。
（3）刀具造型及其布置安排的平衡设计。刀具配置要覆盖整个开挖断面，为保证刀盘受力均衡和运转平稳，刀具要对称性布置，切刀要正反方向布置，同时要确保每个轨迹有 2 把切刀，对切刀排列采取整体连续排列和牙型交错排列交错的方式，通过周边刀来保证滚刀纯滚动，要考虑周边滚刀并增加周边滚刀的数量。由此可见，合理选择合金镶嵌技术，能够减少刀具掘进磨损和冲击，提高耐久性并延长刀具的使用寿命；综合刀具种类和尺寸，确定刀具的超前量、相互高差，尽可能减少刀盘旋转刀具切削土体过程对周边土体及环境的扰动，尽量使各种刀具磨损均匀，充分发挥各种刀具的切削性能。
3、盾构机刀具造型及其布置安排的注意事项
（1）要减少磨损。由于砂质粘性土地层土体粘性较大，刀盘扭矩排出的土壤很干燥，掘进时很多粘土粘附在刀箱和进料口上，切削下的土壤会造成刀盘和刀具在高温度下腐蚀，可见切削温度越高对刀具的磨损也越大。为了减少磨损，可以加入泡沫，使得排出的土含水量较多，泡沫对刀盘和刀具起到了一定的保护作用。该盾构机刀盘适用于该区间地层，复合式刀盘为合金粒双刃滚刀，使得刀盘磨损度很小。在刀具切削土体时，由于土体粘性较大，刀盘扭矩和驱动油压力均较大，掘进时加入的水难以渗入土体内，造成刀盘和刀具温度长期居高不下而造成磨损也越大。
（2）对配备刀具要进行监测。刀具配置关系到盾构能否顺利掘进，必须根据地质状况认真研究分析。在盾构施工中合理的选取掘进参数（如总推力、刀具贯入度、刀盘转速、扭矩等），最大程度的延长刀具的使用寿命，减少换刀频率，降低施工中频繁换刀的风险，做好对刀具监控、分析、比较、摸索，总结刀具的使用经验，总结反馈经验并用来指导施工。
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