关于盾构机在复杂岩石地层刀盘设计和运作的构想

1、隧道病害与防治 任课老师： 闵凡路 班级： 12级土木7班 姓名： 庄雅雅 学号： 1204010204 关于盾构机在复杂岩石地层刀盘设计和运作的构想庄雅雅(河海大学土木与交通学院学院,江苏 南京 210098）摘要：针对盾构机在简单地层和复合地层隧道掘进中的工作原理，考虑刀具的种类和切削原理，解释刀具配置的差异性、刀具配置的“矛盾”现象，结合感应和输出系统，构想复合盾构机的刀盘布置，运作方式，更好地适合应用工程的地质条件，提高盾构机的刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工效率。关键词：盾构机；刀盘；感应系统；局部可控；机械化中图分类号：XXXX 文献标志码:XShield in

2、complex rock formation on the knife dish the idea of the design and operationZHUANG Ya-ya（College of civil and transportation, Hohai University, Nanjing 210098, China）Abstract: Shield in simple formation and composite formation for the operation principle of the tunneling, consider the types of cutt

3、ing tools and cutting principle, explain tool configuration, the difference of the cutting tool configuration contradiction phenomenon, combining induction and output system, the concept of composite shield machine cutter layout, operation way, better suited for application engineering geological co

4、nditions, improve the service life of the shield machine cutter, cutting effect, the condition of the unearthed, driving speed and efficiency of construction.Key words:Shield machine; The knife dish; Induction system; Local controllable; mechanization0引言盾构机刀具是根据工程地段硬岩、软岩的不同强度和地质特点，根据刀具在软、硬岩中不同的破岩机理来

5、进行设计和选择的。刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层的开挖，主要刀具类型为：双刃滚刀、中心滚刀、齿刀、切刀、弧形刮刀和仿形刀。其中滚刀和齿刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型两种刀具可以互换。在硬岩中掘进时刀盘需安装双刃滚刀、中心刀，在软岩中掘进时可以根据需要把双刃滚刀、中心刀更换为对应形式的齿刀。在实际的掘进过程中，土层状况很难准确预料，而且地层变化复杂，非难以地层，刀盘事先布置不够灵活，如果在掘进过程中进行刀片更换也极大地降低了掘进速度。所以合适的刀盘布置和运行以及自动的感应更换系统是需要进一步完善思想并运用在实际工程中的。1. 现阶段盾构机刀盘的分类和布置，运行机理，更换方式。1

6、.1刀盘的分类和布置1.11刀片的分类(1)切刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构机向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力，在刀盘的转动下，刀刃和刀头部分插入到地层内部，不断将开挖面前方土体切削下来。切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂、卵石、粘土等松散体地层。(2)先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置。先行刀在设计中主要考虑与其它刀具组合协同工作。先行刀在切刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创造良好的切削条件。先行刀的切削宽度一般比切刀窄，切削效率较高。采用先行刀，可显著增加切削土体的

7、流动性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层先行刀的使用效果十分明显。(3)贝型刀实质上是超前刀，盾构机穿越砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层时，若采用滚刀型刀具，因土体屑松散体，在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，大大降低滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石。(3)在软土地层掘进时，因刀盘中心部位不能布置切刀，为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较大的鱼尾刀（羊角刀），一般鱼尾刀超前600mm左右。鱼尾刀的设计和配置方式如下：其一让盾构分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位

8、小圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其它切刀不在一个平面上，即鱼尾刀超前切刀布置，保证鱼尾刀最先切削土体；其二是将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动，这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性和搅拌效果，又大大提高盾构整体掘进效果。(3)盾构机一般设计两把仿形刀(一把备用)，布置在刀盘的边缘上。施工时可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从边缘径向伸出和缩回仿形刀。仿形刀伸出最大值一般在70150mm之间。盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削土体创造所需空间，保证盾构机在超挖少、对周

9、边土体干扰小的条件下，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏。(4)在纯硬岩地层掘进时，采用滚刀破岩。滚刀破岩的原理是依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。滚刀的类型、数量、布置方式、位置、超前量根据岩层的强度和整体性、掘进距离、含砂量等特点确定。穿越松散地层但有大粒径的砾石(粒径大于400mm)、并且含量达到一定比例时，也可采用滚刀型刀具。在隧道地质条件复杂多变、岩石(强度不算太高)与一般土体(或粘土或砂土)交错频繁出现的情况，也有可能采用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。滚刀分为齿形（球齿、楔齿）滚刀和盘形滚刀。1.12刀片的布置（1） 软弱土地层如南京、上海、杭州等地，其地

10、质条件主要以淤泥、粘土和粉质粘土为主，在软弱土地层一般只需配置切削型刀具，如：切刀、周边刮刀、中心刀、先行刀和超挖刀。以南京地铁盾构为例，刀盘采用面板式结构，装有1把鱼尾形中心刀，120把切刀，16把周边刮刀及1把仿形刀。切刀安装在开口槽的两侧，覆盖了整个进碴口的长度。刮刀安装在刀盘边缘。由于刀盘需要正反旋转，因此切刀的布置也在正反方向布置，为了提高切刀的可靠性，在每个轨迹上至少布置2把。在周边工作量相对较大，磨损后对盾构切口环尺寸影响较大，在正反方向各布置了8把刮刀。考虑到刀盘的受力均匀性，刀具布置具有对称性。刀具安装采用螺栓固定，便于更换。在切刀或刮刀的刃口和刃口背面镶嵌有合金和耐磨材料，

11、以延长刀具的使用寿命，切刀的破岩能力为20MPa，可以顺利地通过进出洞端头的加固地层。（2） 砂层、砂卵石地层如北京、成都其地质条件主要以砂，卵石地层为主，如遇到粒径较大的砾石或漂石，应配置滚刀进行破碎。在砂层、砂卵石地层施工时，需设置（宽幅）切刀、周边刮刀、先行刀（重型撕裂刀）、中心刀、仿形刀等刀具。切刀是主刀具，用于开挖面大部分断面的开挖；周边刮刀也称保径刀，用于切削外周的土体，保证开挖断面的直径；先行刀在开挖面沿径向分层切削，预先疏松土体，降低切刀的冲击荷载，减少切削力矩，同时重型撕裂刀用于破碎强度较低和粒径较小的卵石和砾石；中心刀用于开挖面中心断面的开挖，起到定心和疏松部分土体的作用；

12、仿形刀用于曲线开挖和纠偏。滚刀用于破碎粒径较大的砾石或漂石（3） 风化岩及软硬不均地层如广州、深圳，上软下硬、地质不均的复合地层，且局部岩石的单轴抗压强度较高（150-200Mpa），除配置切削型刀具外包括宽幅切刀、先行刀，还需配置滚刀，因而刀盘结构相对复杂。对于岩层首先通过滚刀进行破岩，且滚刀的超前量应大于切刀的超前量，在滚刀磨损后仍能避免切刀进行破岩，确保切刀的使用寿命。在曲线半径小的隧道掘进时，为了保证盾构的调向和避免盾壳被卡死，需要有较大的开挖直径，因此刀盘上需配置滚刀型的仿形刀（或超挖刀）。（4） 单纯的纯硬岩地层如秦岭1线隧道，隧道断面范围内以混合片麻岩和混合花岗岩两种岩石为主，刀

13、具全部选用滚刀，无任何齿刀。有时，在刀盘面板周边开口处配备刮碴刮刀板。1.2刀盘的运行机理刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体，刀盘的开口率约为28，刀盘直径628m，也是盾构机上直径最大的部分，一个带四根支撑条幅的法兰板用来连接刀盘和刀盘驱动部分，刀盘上可根据被切削土质的软硬而选择安装硬岩刀具或软土刀具，刀盘的外侧还装有一把超挖刀，盾构机在转向掘进时，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盘的径向方向向外伸出，从而扩大开挖直径，这样易于实现盾构机的转向。超挖刀油缸杆的行程为50mm。刀盘上安装的所有类型的刀具都由螺栓连接，都可以从刀盘后面的泥土仓中进行更换。法兰板的后部

14、安装有一个回转接头，其作用是向刀盘的面板上输入泡沫或膨润土及向超挖刀液压油缸输送液压油。刀盘驱动由螺栓牢固地连接在前盾承压隔板上的法兰上，它可以使刀盘在顺时针和逆时针两个方向上实现0-61rpm的无级变速。刀盘驱动主要由8组传动副和主齿轮箱组成，每组传动副由一个斜轴式变量轴向柱塞马达和水冷式变速齿轮箱组成，其中一组传动副的变速齿轮箱中带有制动装置，用于制动刀盘。安装在前盾右侧承压隔板上的一台定量螺旋式液压泵驱动主齿轮箱中的齿轮油，用来润滑主齿轮箱，该油路中一个水冷式的齿轮油冷却器用来冷却齿轮油。1.3刀盘的更换方式先通过承压墙向土仓内灌注水泥砂浆置换出仓内碴土，形成刀盘面板的封闭与主轴承的保护

15、；再通过超前注浆孔向刀盘切口斜上方注入水泥浆加固拱顶，待浆液达到强度之后开仓检查掌子面稳定情况，人工清除仓内砂浆与泥饼并检查更换刀具。若砂浆置换开仓后发现刀盘面板封闭没有达到理想效果，掌子面及切口上方仍存在坍塌的可能，则立即向土仓内加气建立压力，人员带压进仓清除仓内砂浆与泥饼，并检查更换刀具。2.刀具的布置和运行构想2.1普通盾构机运作缺陷在现有盾构机中，刀盘是随着整个侧盘旋转，每个刀具都进行着360度大范围旋转施工，特别是在复杂地层中，不同类型的刀具本应该在特定的土层中发挥作用，可是无法避免在复杂地层中运行，在混合刀具中，磨损和破坏非常严重。2.2刀盘布置构想将盾构机横截面分成类似图中多圆造

16、型，每个圆都可以独立转动，在开始分析地层时配置与地层相吻合的刀片，可以控制刀片的位置和疏密程度，在运行过程中，道具在小圆中转动，充分利用刀片设计的性能，减少刀具的磨损，提高盾构机的工作效率。3.感应装置和自动化机械施工相结合3.1盾构机施工难点和要点虽然盾构机在管片拼装方面的自动化和机械化已经有很大进步和改善，在盾构机工作过程中经常遇见不良地质导致刀具损坏需要及时更换。这说明盾构机在预见不良地质方面需要改进，同时人工更换刀具也有很大风险，需要进行机械化方面的改进。3.2感应系统与刀具配置的结合首先对盾构机工作面的多圆进行改造，使其的封闭和开合性能能够很好地控制，在盾构机工作开始前，多圆输出感应

17、系统，对每个圆接触的面进行应力测试，向电脑输出应力应变曲线，电脑通过一定程序绘制出整个断面的地层状况，并分析出对应合适刀具。为了实时监控地层状况，更好地保护刀具，可以和管片拼装的间断性相协调，每一阶段进行一次测试。这样就可以确保刀具始终处于适应地层状态。3.3输入和更换刀具普通盾构机刀具损坏更换比较困难，一部分是人身安全问题，一部分也是，刀具比较复杂，在运行过程中很难预测或者知道哪个刀具发生损坏。通过每个小圆配置刀具和感应系统可以较为容易发现刀具运作的效率和状态，对刀具损坏有很好的预测作用，同时，因为地层变化而更换刀具因为不需要人为判断方位和数量，可以利用机械化更换刀具，节省时间也避免人身事故。4. 盾构机刀盘具体运行流程概述通过刀盘截面的工作面的改变和感应系统以及机械化更换刀具的实施，盾构机在刀盘运行方面流程基本如下：各小圆输出感应系统电脑分析地层并绘制整体地层图像导入合适刀具机械化安装刀具（从内向外）定距离重复以上步骤，实时更换地层临界处刀具。5.构想的不足与完