盾构机刀具选型及布置.docx

盾构机刀具选型及布置摘要：从工程上看盾构系统最重要的部分在于刀具的选用和布置刀具是否适用于工程地质条件将直接影响盾构机的掘进效果。本文从盾构机刀具类型、刀具配置以及刀具布置需要考虑的各项因素分析盾构机刀具的选型和布置。关键词：刀具；刀具布置；刀具高度；刀具磨损1引言近年来随着科学技术的不断发展人们可利用的地上空间越来越少对地下空间的开发逐渐成为国内外各大城市的重要目标。隧道掘进机是最主要的地下空间开发工具是集机械、电气、自动化控制、光学等多学科综合技术为一体的成套设备。在整个盾构设备系统中刀盘刀具是能否成功掘进的关键是影响掘进性能的决定性因素。其中刀具的配备和布置需要根据地质条件和施工要求进行合理设计属于复杂的工程系统设计问题对刀具布置技术的研究具有重要的工程意义。针对这一情况本文对复合地质下的刀具选型及布置进行了相应的分析和优化以实现对复合地层开挖的性能要求。2刀具类型刀具是盾构设备的开挖部件在不同岩土体条件下盾构刀具也有所不同。目前常用的盾构刀具大体可分为：滚动类刀具和切削类刀具。其中切削类刀具又包括切刀、刮刀、先行刀等。2.1滚动类刀具刀具在随刀盘转动的同时还作自转运动的破岩刀具统称为滚动刀具又称为滚刀。滚动刀具均是通过滚动和滑动产生的挤压、剪切、研磨等达到破岩的目的。根据刀具形状的不同滚刀又分为：齿形滚刀（钢齿和球齿）、盘形滚刀（钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀）如图1所示。a：钢齿滚刀b：球齿滚刀c：钢刀圈滚刀d：球齿刀圈滚刀图1滚动类刀具形状根据安装位置不同分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀。目前常用的滚刀类型为盘形滚刀。盘形滚刀根据刀刃数分为单刃滚刀、双刃滚刀和多刃滚刀。根据刀刃外径的大小又分成13、15、17、19等不同规格目前主要使用的是17系列滚刀。不同刃数滚刀的使用范围各不相同见表1。表1滚动刀具使用情况2.2切削类刀具刀具只随刀盘转动不具备自转的破岩刀具统称为切削类刀具这类刀具通过刮削、撕裂达到破岩及装载的功能。这类刀具种类很多目前比较常用的有：边刮刀、切刀、齿刀、先行刀等。这些刀具的特点及适用范围见表2。表2切削类刀具使用情况3刀具选择根据盾构设备的工程岩土情况应合理选择刀具和刀具组合以便盾构开挖的顺利进行。对软土地层一般只需要配置切削型刀具。对于含有岩石的复合岩土地层刀盘除配置切削型刀具外还需要配置盘形滚刀以此达到对岩土体的掘进效果。对于分段地层可选择安装刀座相同的滚刀和齿刀在滚刀破岩效果不是很好时可以利用滚刀刀座安装齿刀进行破岩齿刀轨迹完全与滚刀相同齿刀刀刃是对称的因此刀盘正反转时都可以很好破岩。4刀具影响因素刀具布置的疏密直接决定刀具在掘进中的磨损速度及掘进速度选择恰当的刀具组合并合理布置刀具是盾构设备掘进速度的保证。刀具的布置因素包括：刀间距、刀具布置方式、刀具高度、刀具磨损等。4.1刀间距刀间距是指相邻刀刃刃口相对于刀盘中心位置的距离之差也是掘进时相邻刃口形成轨迹的间距。在刀具布置中无论采用何种方式进行布置相邻刀具的间距都需要满足破岩理论要求以避免岩脊或偏磨的出现。图2盘形滚刀破岩示意图刀具之间的间距是刀具布置轨迹确定的重要因素。根据图2所示设盾构上的第i和第i+1把盘形滚刀在刀盘推力作用下切入岩石深度为h。则当刀盘旋转一周盘形滚刀的切削深度为h则L为：L=2htanθ要使同一安装半径上的盘形滚刀在刀盘每转一周的切深相等且破岩量相同则两盘形滚刀之间不允许形成累积岩脊即刀盘转动多周（两周及以上）而未出现连通的岩脊。可表示为：S{L出现累积岩脊刀盘上盘形滚刀的刀间距应该尽量等于L此时盘形滚刀为最佳切削效率。刀具间距大小的确定与岩土层硬度有关在软岩中刀间距取值最大硬岩中刀间距取值最小。刀间距与工程地质关系如下表3所示。表3不同地层对刀间距的要求4.2刀具布置方式为了保证盾构刀盘的正常运转减少结构引起的偏磨、振动、附加弯矩等刀具布置在满足刀间距要求的同时还需要考虑下列因素：（1）刀盘刀具破岩时负载相等刀刃两侧侧向反力平衡；（2）刀盘刀具受力平衡保证合力通过刀盘中心不产生倾覆力矩和偏载。刀具自身重力及转动中的离心力是引起刀盘径向载荷、振动的主要原因。为了保证刀盘受力的均匀性使刀盘不受到径向载荷的作用则刀具安装后所受重力及离心力的合力必须通过过刀盘圆心。根据这一特点