土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究可编辑

1、 土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究?*? 蒲 毅 刘建琴 郭 伟 裴瑞英? 天津大学机械工程学院 天津? 300072 ? 摘要：研究土压平衡 earth?pressure?balanced,?epb 盾构机刀盘刀具的布置方法，目的是为了确保刀具结构布置的合理性和实 用性。依据刀具磨损的等寿命原则，提出确定刀具数量的磨损系数法和掘进系数法；针对具体施工问题，可预测盾构在开挖 区间，刀具的磨损量以及许用磨损情况下刀具的掘进距离，为保障工程的安全顺利进行提供参考；基于阿基米德螺旋线布置 方法，计算了以刀具磨损的等寿命原则下，主切削刀的布置曲线；提出刀具平面对称布局原则，分析刀具的切削过程，得到

2、了单把刀具的实际切深； 建立了epb盾构刀盘上先行刀的立体布局方法， 计算得到先行刀的超前量； 结合南京地铁二号线ta07? 标段，验证了刀具布置方法的正确性。研究内容和研究方法可为epb盾构机刀盘的设计和选型奠定理论基础。 关键词：土压平衡盾构机 等寿命原则 刀具布置 主切削刀 先行刀 中图分类号：u25? the?research?of?cuttingtool?layoutmethod?of? earthpressurebalanced?shield? puyi? liujianqin? guowei? pei?ruiying? college?of?mechanical?engineer

3、ing,?tianjinuniversity,?tianjin300072 ? abstract:?to?ensure?rationality?and?practicability?of?the?cutter?configuration,?it?is?necessary?to?propose?the?method?of?cutting?tool? layout?of?earth?pressure?balanced? epb ?shield.?according?to?the?equal-life?principle?of?tool?wear,?the? approach?of?the?wear

4、? coefficient?and?tunneling?coefficient?is?set?up,?which?can?carry?out?the?number?of?tools?when?it?comes?to?a?specific?construction,?it? also?can?predict?tool?wear?condition?and?the?tunneling?distance?under?the?allowable?attrition?in?the?range?of?the? shield?tunnel? excavation,?which?offer?a?referen

5、ce?for?the?safety?of?project?based?on?archimedes?spiral?layout?method,?the?arrangement?curve?of? drag?bits?on?cutter?headshould?be?calculated?according?withthe equal-life?principle?of?tool?wear?in?order?to?obtain?the actual?depth?of? a?cutting?tool,?the?rule?of?plane?symmetry?layout?of?the?cutting?t

6、ool?is?put?forward,?and?cutting?process?is?analyzed?briefly?the?first? knife's?three-dimensional?arrangement?method?of?the?epb?shieldisestablished,the?amount?of?advance?about?first?tools?is?gained?the? accuracy?of?the?cutting?tool?layout?theory?above?is?investigated?with?the?example?of?ta07?of?n

7、anjing?metro?number?two?line.?the? context?and?method?ofresearch?have?laid?a?theoretical?foundation?for?theepb shield?cutterselection?anddesign?theory.? key?words:?earth?pressure?balanced epb ? principlesofthe equal-life? cutter?configuration? drag?bits? firsttools? 中在应用各种测试 模 型来估算 刀具 的寿命 ，? 2? 3? b

8、alci? 以及?dahl 等? ，通过对?sievers?的?j?微型 0? 前言 钻测试 sj 方法的改进得到盾构刀具寿命的直接 在土压平衡 earth?pressure?balanced,?epb 盾构 测试方法，提高人们对刀具磨损的理解和认识， 机的选型方案中，刀具类型、数 目及其布置方法直 4? 奠定刀具布局的基础。马春翔等? 根据可能性理 接影响到刀具的使用寿命，进而影响整个盾构工程 论，给出表征刀具寿命合理值的模糊约束和可能性 1? 的安全性、经济性和效率? ，对刀具的布置方法进 分布函数，结合模糊概率理论，提出刀具寿命可靠 行研究具有重要的理论和实践意义。 性的计算公式，避免和

9、减少更换刀具造成的经济损 1? 目前国内外针对? epb? 盾构机刀盘刀具布置方 失。管会生? 根据盾构施工的经验总结，分析了盾 法的研究尚处于起步阶段。国外的相关研究主要集 构主要刀具的切削方式 切削式、挠取式 和受力特 点，介绍了刀具寿命预测的分析方法，并结合具体 的地质情况对各种刀具的选型和布置进行了简要介 *? 国家自然科学基金 500975194 和国家重点基础研究计划 973?计划，? 绍。 2 0 0 7 c b 7 14 0 0 2 ?资 助 项 目 。?* * * * * * * *?收 到 初 稿 ，? *收到修改稿 然而对于?epb?盾构机刀盘刀具布置所需的一些 定的某种

10、地质状况，磨耗系数?k?为定值。当给定盾 重要参数，包括刀具数量的确定、刀具在刀盘上的布 构的掘进距离?l，刀盘掘进速度?v?和刀盘转动速度? n 时，?c?是常数。定义m 为不同半径上不同刀具的 置曲线以及先行刀的立体布局方法尚无具体详尽的 d? 1? 研究，缺乏合理的设计方法，严重影响盾构机的有效 “磨损系数” ， 即刀具在给定掘进距离?l?时磨损量的 影响因子。 推广。本文针对以上问题，从几何角度对盾构刀盘刀 为了预测刀具掘进距离，即刀具的许用掘进距 具的布置方法进行了系统的研究。 提出了确定刀盘刀 离l，对式 2 进行变换得到? 具数量的磨损系数法和掘进系数法， 并提出了刀具的 5?

11、d v? 平面对称布局原则，研究了先行刀的立体布局方法。 l? ?r? k n 5 ? d? 研究工作为?epb?盾构刀盘的选型和设计奠定了理论 引入代替? ，为限定磨损量，并考虑? n? 基础，对保障工程的顺利进行具有重要的指导意义。? 把切削刀时的磨耗系数?k 的修正作用，将式 3 代 n? 入式 5 ，得到刀具的许用掘进距离l的计算公式? 1? 盾构刀具数量的确定 0.333? 5d v n 5d v? l? ? 6 ? k r?n r kn ? 工程实践验证，盾构刀盘外圈刀具的磨损量由 n? d d? 下式计算?5? 改写为? ?kdln d ? d? 1 ? l? ?e c2? 7

12、? 10?v 式中? 磨损量 mm ? 0.333? ? 其中?e n r ，?c 5d v ?kn ?。对于某 2 d? k磨耗系数 mm/km ? 一确定地质，磨耗系数?k?为一定值，刀具的最大限 d盾构刀盘外径 m ? 定磨损量d ，刀盘掘进速度?v?和刀盘转动速度?nd? n 刀盘的转动速度 r/min ? d 均已知，则?c? 是一个常数。定义e 为不同半径上不 掘进距离 m ? 2? l 同刀具的“掘进系数” ，即刀具在允许磨损寿命下的 v?掘进速度 cm/min ? 掘进距离影响因子。 引入?d? 2r?，r? 为刀具中容易磨损的最外周 其中? 刀具安装半径，则式 1 变换为?

13、me ?1 8 ? ?krln? d ? d? 2 ? 为确定不同切削半径上刀具的数量，由式 6 得 5v? 到? 可见刀具的磨损与地质条件、刀具材质及其在 0.333? 5d vn? 0.333 d ? 0.333? c? 刀盘上的安装位置有关，并且随着刀具掘削里程的 r n g n? g? 2? 9 ? kl?nd c1? l? 增加而增大。 刀具磨损的等寿命原则：为使整个刀盘上的刀 当给定刀具的限定磨损量，施工要求以及掘进 具磨损量趋于一致，可通过调整不同半径上的磨耗 参数时，就可以得到相适应的临界磨损系数和临界 系数，达到刀具寿命相等的目的。 掘进系数，相应称为磨损系数法和掘进系数法。

14、以 刀具安装半径为横坐标，以磨损系数或者掘进系数 刀具的实际磨耗系数可参考日本公司施工实际 为纵坐标，得到磨损系数图和掘进系数图，如图? 1? 推算有? 和图?2?所示。 k? k? ? 3 ? n? 0.333? n 式中? k? 1?条轨迹配置n把刀具的磨耗系数? n? k?1?条轨迹配置?1 把刀具的磨耗系数 摩耗系数定义为： 刀具每掘进?1km 时的刀具磨 耗量，摩耗系数?k?是根据日本公司盾构施工实践得 6? 到? ，将式 3 代入式 2 ，即可预测刀具的磨损量? d ?m c1? 4 ? 图 1? 磨损系数图 其中?m r n0.333? ，?c ?kln 5v ?。对于给 1 d

15、? 2.2? 盾构刀具 主切削刀 的单螺旋线布置 依据等寿命原则，在切削半径小于?r?时，沿刀 1? 盘径向，每一回转半径上只需配置一把刀具即可， 因此该切削区域的刀具采用单螺旋线布置。 根据地质报告和施工要求确定出盾构机的结构 参数和刀具的几何尺寸，即得到确定螺旋线布置曲 线的参数如表1所示。 图2? 掘进系数图 表1? 螺旋线布置曲线参数表 图?1?中，a?点表示在此安装半径处，当?n 1?时， 参数名称 参数名称 盾构机外径d /mm? 中心刀长度d /mm? 1 3 刀具的磨损量恰好等于最大限定磨损量，a? 点以下 刀盘切削外径d /mm? 主切削刀头宽度b /mm? 2 1 内圈辐条

16、数目m /根 外周切削刀头 刮刀 宽度b /mm? 的磨损量都将小于最大限定磨损量。 n 2 外圈辐条数目m /根 图?2?中，b?点表示在此安装半径处，当?n 1?时， w 刀具在满足限定磨损量的前提下，刀具掘进的距离 盾构主切削刀的数量 盾构单方向回转所需的 恰好等于工程要求的掘进距离，b? 点以上的掘进距 刀具数量 的计算方法?8? 离都将大于要求的掘进距离，即是安全的。 1? d - d ?- b? 2 3 2? 通过图?1?或图 2?可以确定出不同切削半径上满 *? 2? n? ? 11 ? b 足刀具磨损等寿命原则时所需要的最少刀具数量。? 1? 0? 对式 （11）的计算结果取整

17、后为?n? 把，主切削 2? 盾构刀具的布置曲线 刀与中心刀重叠量 c?为? 0 *? c b n -?n ? 12 ? 从几何学角度，刀具在刀盘上的布置方法主要 1? 有阿基米德螺旋线布置法和同心圆布置法。为保证 则阿基米德螺线极轴初始值为? 全断面开挖， 目前主要采用阿基米德螺旋线布置法， 1 1? r d - c+? b 13 ? 0 3 1? 刀具分散对称布置在与螺旋线相交的辐条两侧，以 2 2? 满足盾构机正、反两个方向回转的要求，从而达到 由于内圈采用?m 根辐条布置，所以在一个圆周 n? 范围内，m? 把宽度为?b 的主切削刀所需的最小螺线 布局、结构和负载的最优设计。? n?

18、1? 2.1? 阿基米德螺线 间距为?vr m b ，得到?a v r ，代入式（10） n 1? 2 7? 阿基米德螺旋线? 定义为：动点?p? 沿射线? op? 就可得到刀具的单螺旋线布置曲线方程。? 以等速率运动的同时，射线 op绕?o?点等角速度旋 2.3? 盾构刀具 主切削刀 的双 多 螺旋线布置 转，动点?p 滑过的轨迹即为阿基米德螺线，极坐标 依据盾构刀具磨损的等寿命原则，当切削半径 的描述为? 大于?r?时，沿刀盘径向，每一回转半径需要配置两 1? 把或多把刀具才能满足要求，因而涉及到刀具的双 r r 0 +?aq 10 ? 9? 螺旋线或者多螺旋线布置? 。 式中 r?极轴

19、mm ? 当采用双螺旋线布置时，布置曲线所需参数的 r? 极轴初始值 mm 计算方法与单螺旋线完全相同。其中第一条螺旋线 0 a?常系数 的布置曲线与单螺旋线布置相同，第二条螺旋线与 。? 第一条螺旋线相比，螺距大小相等，极轴初始值关 q?极角 ? ? 其中螺距?vr 2a ，在极坐标中如图?3 所示。 于极坐标左右对称， 曲线旋转方向一致， 如图4所示。 图3? 阿基米德螺线示意图? 图4? 阿基米德双螺旋线示意图 同，所以当刀盘动一周，推进?h 时，每把刀的切深? 3? 盾构刀具 先行刀 空间立体布局 q?为?h/n。但通过分析土体的切削剖面，在?t t +t /2? 0 d 时刻， 刀具

20、 1和3的实际切深p 为0.5h； 同理在t t +t 3.1 刀具平面对称布局的切削过程研究 0 d? 时刻，刀具?2 和?4?的实际切深?p 为?0.5h。如图?6?所 无论采用阿基米德螺线布置方法，还是同心圆 示，图中实体部分表示?t?时刻该截面处正在切削的 布置方法，对于同一块土体来说，都是被刀具分割 10? 刀具， 剖面线部分表示?t?时刻之前扫略经过的刀具。 为几部分先后切削? 。 为保证主轴承的受力平衡，防止内部结构受力 不均产生破坏性失效使整个盾构机瘫痪。提出了刀 具的平面对称布局原则，即刀具的布置满足相同半 径上相邻两刀具的夹角为?q 2?n ，沿周向相邻两 刀具的夹角为?b

21、 0.5q ，图?5?所示为刀具数量?n?分 别取?1，2，3，4?时的布局示意图，下面具体分析刀 具的切削过程。 图6? n 1时刀具的切削示意图? 2 当?n 2?时，刀盘上某半径处刀具布置，如图? 5b?所示，刀盘顺时针旋转。同样取a?处剖面，在刀 盘转动一周过程中，分析每把刀具切削位置，切削 深度， 得出刀具的实际切深?p?为 0.25h， 土体的切削 剖面图如图 7?所示。 图5? 当n 1,2,3,4时刀具的平面对称布局图 规定每把刀具的切深为q m ,即被剪切掉土体 的实际高度；实际切深为p m ,即被剪切土体剪切面 的实际高度；刀具的切削方向垂直纸面向里，刀盘 进给方向沿纸面竖

22、直向下。分别讨论两种情况：? 1 当?n 1?时，刀盘上某半径处刀具布置，如图? 5a?所示，刀盘顺时针旋转。 设刀盘转动一周历时?t s ，且每转动一周刀盘 d 前进距离?h m 。则根据盾构刀盘外圈刀具的磨损量? ?的计算公式 1 可得到? 60? 图7? n 2 时刀具的切削示意图 t? ? 14 ? d? nd? 综上所述，当刀具采用平面对称布局，周向相 v? 同回转半径布置?n?把刀具，刀盘转动一周，推进?h? h? ? 15 ? 100?nd? 时，可以得到如图?8 所示的土体切削剖面。 在图?5a?中，取?a?处切削剖面，刀具满足平面 对称布局，由于每把刀的切削状态在任意时刻都相

23、 图8? 刀具中心对称布局下的土体切削剖面图 图9? 部分切削刀超前布置时的土体切削剖面的对比图 由以上分析得到如下结论：? 由图?9?可知，当超前量h?达到?h/2n?时，主切 1 单把宽刀 即整个刀盘辐条看为一把刀具 切 削刀的实际切深?p?为零，切削效率最高。此时主切 削时，刀盘每转动一周，前进 h?时，刀具的实际切 削刀两侧既没有剪切力，也没有摩擦力，只有前刀 深?p?为? 面挤压土体使之破坏，这是一种理想状态。 v? 由分析可知先行刀相对于主切削刀的最小超前 p q h? ? 16 ? 100?nd? 量为?h/2n?时，便能达到先行刀的预期效果，得到盾 2 当沿半径方向每一条切削轨

24、迹上布置?n 把刀 构机先行刀具相对于主切削刀具的最小超前量为? 具时，刀盘转动一周，前进?h 时，每把刀具切深 q? h v? v?h? 19 ? 为? 2n 200?n n d? h v? 3.2.2? 先行刀在盾构刀盘上的布置曲线 q? ? 17 ? n 100?n n 先行刀的安装数量和布置曲线的确定与主切削 d? 实际切深?p 为? 刀类似，依据刀具等磨损的等寿命原则，确定刀具 h v? 数量；依据阿基米德螺旋线规则布置刀具。将式 2 ? p? ? 18 ? 2n 200?n n *? d? 中摩耗系数?k?改为先行刀的摩耗系数?k?， 从安全角 9? 3 采用平面对称布置，所有刀具

25、受力平衡，不 度考虑，采用公认的经验数据?k* 2k? 。 会出现偏载的情况，而且使得相同半径的刀具磨损 确定先行刀布置曲线所需的参数如下：? 一致，有利于刀具的等寿命要求。? 1 最小螺距相同，即 3.2? 先行刀的空间立体布局 a ?a 20 ? 先行刀在掘进过程中起到疏松土体、防止大粒 2 极轴初始值需要加上主切削刀宽的一半，即? 径卵 砾 石冲击主切削刀、降低主切削刀的冲击荷 1? r0 r 0?+? b1? 21 ? 载并减小其切削阻力的作用，因此合理布置先行刀 2? 能够对减缓主切削刀的磨损，增加寿命，延长掘进 11? 距离起到至关重要的作用? 。? 4? 实例计算 3.2.1? 先行刀相对于主切削