第6讲-盾构机刀具磨损及刀盘设计

1、第六讲大型施工机械盾构机部分一、特殊条件下掘进二、刀盘及刀具磨损主讲：郭京波 教授1、 盾构机过人工湖的掘进（1）定期、定量、均匀的压注盾尾油脂，确保尾封密封严密，钢丝刷密封油脂饱满。（2）砂层掘进采用土压平衡模式掘进，均速掘进，刀盘转速控制在1-1.5转/分钟，减小对地层的扰动。（3）通过密封仓壁上注入机构向仓前土体内注入浓度高的膨润土泥浆和泡沫，以改善土体性状，减小刀具磨损量，阻止地下水渗透。（4）推进中，要确保注浆压力及注浆量，同时提高同步注浆的质量，要求浆液有较短的初凝时间，防止地面的后续沉降，但注浆压力不要过大，以免引起地面的隆起。（5）密切注视出土情况，若出现黑色淤泥、涌水量增大或

2、出土量大时，应增加推力和土仓压力，加注浓度高的膨润土，提高推进速度，快速通过。一、特殊条件下掘进每10环注一次双液浆，使隧道纵向形成间隔的止水隔离带，防止管片外侧横向贯通。连续掘进，争取不换刀，一次通过人工湖。与地面监测人员密切联系，并保持通信畅通，以快速应对地面的突发情况。掘进过程 做好出碴量的记录，保证出碴量与掘进速度的一致，避免出碴量远大于掘进量而引起“冒顶”事故。出现喷涌时，关闭螺旋输送机出料门，并使盾构机适当向前推进，加注高浓度膨润土，待搅拌均匀后在缓慢边掘进边出土，始终保持土仓压力稳定。（11）为了防止隧道管片上浮，除了加强注浆管理外，在推进时尽量使盾构机沿着隧道设计轴线下掘进，垂

3、直控制在30mm。在未进入曲线前，提前开启铰接装置，预先推出弧形态势。 精确计算每一推进循环的偏离量与偏转角的大小，根据盾尾间隙及推进油缸行程差、铰接油缸行程差、掘进线形，选择合适类型的管片；将每一循环推进后的测量结果记入图中与设计曲线相对照，确定是否修正下次推进的偏转量与方位角；将盾构机沿曲线的割线方向掘进，预偏量为30-50mm，以减小管片因受侧向分力而引起的向圆弧外侧的偏移量。2、盾构机在小半径曲线中掘进适当降低推进速度，在盾构机推进启动时，推进速度要以较小的加速度递增（匀速递增）。推进时，要适当调整左右两组油缸的压力差，使曲线内侧油缸压力略小于外侧油缸压力，但纠偏幅度不要过大。时刻注意

4、铰接油缸处和盾尾有无泄露，发现泄露及时采取措施，加大盾尾密封油脂的注入量；在以上措施实施后还不能达到预期效果，应启用超挖刀进行超挖纠偏。3、盾构机出洞时的掘进距离出洞20环时，用扁钢加工的连片加固管片，使管片整体受力，防止管片在出洞时松动下沉或偏移。距离出洞10环时，应停止掘进，在桥架处进行二次注浆堵水，待浆液初凝后再往前推进。刀盘距离出洞5环时，应减小推力，降低推进速度，派专人在洞门前方监视洞门情况，并与监视人员保持密切联系。刀盘穿越加固区，刀盘转速控制在0.75-0.8r/min，推进速度控制在15mm/min以下，出碴门的打开程度可根据实际情况而定，当发生喷碴时可开启150-120mm，

5、不发生喷碴时可开启300 -350mm。刀盘快到素混凝土桩时，应再降低推进速度、推力和刀盘转速。刀盘进入素混凝土桩后，密切注视控制面板上的参数变化，推进速度控制在8 10mm/min。在刀盘前方加注适量泡沫及膨润土来降低刀盘温度，加快出土速度，尽量将土仓内土出空。刀盘通过橡胶帘布时，停止转动刀盘，各组推进油缸行程要保持一致，并派专人监视扇形压板和橡胶帘布，如果发现扇形压板松动、固定压板的钢丝绳太紧或橡胶帘布被刀盘卡住时，应立即停止推进，待处理好后再推进。刀盘上接受托架前，应将姿态趋向调整为正，以便刀盘顺利上拖架。盾尾在出橡胶帘布前，应进行二次注浆，待洞门注浆饱满后再向前推进。1 概述设计的必要

6、性 土压平衡盾构机的刀盘根据地质条件的不同一般分软土和硬岩两种刀盘布置形式,软土区刀盘的布置形式是以齿刀为主辅以边缘滚刀和刮刀，硬岩刀盘的布置形式是以滚刀为主辅以刮刀。刀具是盾构机的一个非常重要的组成部分，对刀具地合理选择、使用 、维护和更换，直接决定盾构掘进工程的质量、进度和工程成本。所以对盾构机刀具磨损情况地分析尤为必要。二、刀盘及刀具磨损刀盘布局 盾构机刀盘分为三个区域：中心区、正面区和边缘区。 2 刀具的结构和切削机理2.1 刮刀 刮刀用来切削各种砂土、粘土等较松散的地层及全风化岩层等其它未固结的土体，刮刀上装有碳化钨刀刃，目的是为了更好的防止掘进过程中产生的磨损。2.2 齿刀 用来先

7、行松散各种砂砾层、粘土层及全风化层，使其固结性能变差，然后由刮刀将其刮掉。2.3 滚刀 滚刀在推力的作用下贯入岩层，同时在开挖面岩石阻力的作用下随刀盘做同心圆滚动，岩石被挤压，形成挤压切槽，并在小半径范围内将挤压裂纹延伸到周围的岩石，最终在刀盘推力作用下挤压切槽两边的岩石呈片状破碎。 滚刀于对各种强、中、微风化岩进行挤压破碎，滚刀安装在刀盘的刀座上，这些刀座也可以安装焊接在特殊支架上的齿刀。滚刀设计最大破岩能力为80Mpa，广州地铁三号线客大区间岩石的最大单轴抗压强度为62.3Mpa。 2.4 边缘刮刀 用来校准盾构的开挖直径。2.5 超挖刀及仿型刀 用于盾构曲线施工时的超挖及盾构姿态的调整，

8、由液压油缸操纵伸缩，其行程3 双刃滚刀刀具的磨损及原因：3.1 正常磨损 刀具的正常磨损是指刀圈的磨损量超过了规定值，磨损量可用专用的量具进行测量。3.2 刀圈偏磨 如果滚刀在掘进工作面不转动，由于刀圈和掘进工作面的相对运动就会形成刀圈的偏磨。由于中心区滚刀线速度较小，承受载荷较大，中心区滚刀容易出现此现象。3.3 刀圈断裂 推力过大或刀圈在比较硬的岩石上滚动就有可能使刀圈断裂，若一个刀圈有两处断裂，断裂的部分刀圈就有可能掉到土舱。边缘滚刀和正面区滚刀经常有此现象。3.4 表面缺陷 如果有金属或其它坚硬物损坏了刀圈的局部表面，刀圈局部表面就会形成表面缺陷。3.5 环幅式磨损 如果刀圈的工作面和

9、掘进工作面充分接触摩擦，就会形成环幅式磨损。3.6 刀圈挡圈磨损或脱落 挡圈是由两个半圆的钢环安装在滚刀轴的卡槽里焊接成一个完整的圆环，其作用是防止刀圈从滚刀轴上脱落，一旦刀圈挡圈脱落或焊接处磨损严重，就应该更换刀具。4.7 滚刀漏油 由于密封件的损坏，就可能使密封油泄漏，从而导致油封座和轮毂的损坏。3.9 轮毂磨损 刀盘和渣土不间断的摩擦，使得滚刀轮毂也发生严重磨损3.10 油封座损坏 由于漏油使得油封座损坏3.11 轮毂或油封座损坏 刀圈如果在金属物（掉了的刀圈或螺帽）上滚动，轮毂或油封座有可能被卡住，就会妨碍刀圈绕着滚刀中心轴自由转动。3.12 滚刀的多边形磨损 在掘进时滚刀时转时不转，

10、或者在某个点转动时间长在其它点转动时间短，就会产生这样的磨损。4 磨损及原因4.1 齿刀磨损 正常磨损：齿刀切削土层和砂砾层所形成的磨损。 异常磨损：由于换刀不及时在硬岩区的磨损。4.2 正面区刮刀磨损 正常磨损：刮刀刮削土层、砂砾层和被滚刀挤碎的岩层时所形成的磨损。 异常磨损：由于滚刀刀圈掉落，在刀盘同一圆周上的刮刀就直接承受掘进工作面的载荷，刮刀和掘进工作面的相对摩擦，就导致刮刀严重偏磨。5.3 边缘区刮刀 正常磨损： 刮削土层、砂砾层和边缘滚刀挤压后的岩层时所形成的磨损。 异常磨损：由于边缘滚刀刀圈掉落或者边缘滚刀磨损量严重超限，边缘滚刀开挖掘进工作面的径向尺寸小于边缘刮刀的径向尺寸，边

11、缘刮刀被迫直接挤压在掘进工作面上运动，导致刀具磨损。5 预防刀具异常磨损的措施5.1 择择合理的掘进参数 掘进参数包括掘进推力、刀盘转速、扭矩、推进速度、切削量等，影响刀具磨损的最直接参数是掘进推力，推力的大小直接决定了刀具所承受的载荷。推力过大，虽然短期内掘进速度很快，但长时间刀盘刀具所承受的载荷也比较大，过大的载荷会使滚刀轴承受挤压产生变形，继而影响滚刀的自转最终造成滚刀刀圈的偏磨或断裂。一般在岩石中风化带岩石微风化带地层最大的推力不要超过1000ton。 刀盘转速也是影响刀具磨损的另一个主要因素，过大的刀盘转速在硬岩地层会造成盾构机振动颠簸，加剧刀具的磨损。一般在硬岩地层刀盘转速设置为

12、1.5rpm为合适值。5.2 根据不同的地层选择不同的刀具 根据地质资料和对出土情况的判断来确定刀具的更换，特别是两种地层的交界处。从岩石强风化带向岩石中风化带岩石微风化带地层转换,如不能及时将齿刀更换为滚刀，就会很快加剧齿刀地磨损；从硬岩地层向软土地层转换，如不及时将滚刀换回齿刀，也有可能出现滚刀偏磨的现象。6.3 定期对刀具进行检查 在硬岩区地层中，如果出现推力过大推进速度小扭矩也偏小，盾构机姿态纠正很难的现象时，就要考虑刀具是否磨损严重，安排开舱检查刀具。 如果连续出现刀盘或螺旋输送机被卡住、驱动电机熄火的现象时，应立即停机进行检查。 一般要在不超过二十环时对刀具进行一次检查，检查看是否

13、有刀圈磨损超限、刀圈断裂、刀圈变形、固定刀圈的螺帽是否松动或掉落、刀座是否有裂纹等，如果一旦发现应立即采取补救措施。6 刀具磨损量检查及更换原则软土区在掘进100环时要对刀具进行一次检查。5.4 盾构机姿态应保持正常姿态 在硬岩地层如果不断的调整盾构机姿态就会使滚刀受力不均匀，在某个方向上过大的推力有可能导致滚刀变形。 在硬岩地层绝不可只片面追求进度，应该在保证刀盘和刀具不被严重磨损的前提下安排生产进度，必要时应该进行限产。为了一时的进度而忽视刀具的例行检查是得不偿失。 更换刀圈后的刀具要进行扭矩试验，根据不同的地质条件和岩石强度进行扭矩调整。 在硬岩地层注意观察螺旋输送机出渣情况，如果出渣不

14、是均匀的碎片石，而是伴有大块的石头出现，就可能有滚刀刀圈掉落，要立即停机检查。 6.1 在硬岩区，边缘滚刀磨损量推荐值为1015mm，正面区为15mm20mm，中心区为25mm。刀具正常磨损量超过规定值就应进行更换，如果有条件最好整盘刀具全部更换；6.2 检查中如发现个别刀具有异常磨损或损坏，应优先将原来换下的没有超过规定磨损量且已经进行过维护的旧刀具换上，而不要换上新刀具。6.3 一定要确保整个刀盘所换刀具的磨损量尽可能达到最大值，使得刀具能够掘进尽可能多的环数。地层正面区双刃滚刀正常磨损情况下可掘进100环左右。6.4 刀具要勤检查，少更换；更要避免长时间停机换刀。7 刀具形状及选型种 类

15、结 构使用对象刀具形状硬化堆焊型仅在母材上实施硬化堆焊用于柔软淤泥层（N=05左右）的施工距离较短的场合硬化堆焊超硬合金刀刃粘贴型超硬合金刀刃型超硬合金刀刃+硬化堆焊型仅在母材的刀刃前，钎焊超硬合金刀刃。适用于沙层（N25）、淤泥层（N10）等比较软的地层在母材的刀刃前，钎焊超硬合金刀刃。再在母材上实施硬化堆焊。适用于沙层（N25）、淤泥层（N10）等比较硬的地层硬化堆焊超硬刀刃超硬刀刃超硬合金刀刃嵌入型一层刀刃嵌入式二层刀刃嵌入式在母材的刀刃部插入超硬合金刀刃、实施钎焊，在对母材实施硬化堆焊。在母材的刀刃部以及背部插入超硬合金刀刃，实施钎焊，在对母材实施硬化堆焊。适用于砾石层砂层、远距离适用于砾石层中有特大直径砾石的场合。沙层、远距离