盾构机刀具(第四章).ppt

1、1,2008年7月,盾构刀具及开挖面分析,石家庄铁道学院,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,智小慧 副教授,2,目 录,一、盾构刀具 二、盾构开挖面的变形与破坏分析,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,3,一、盾构刀具,对于盾构机来说,掘削系统即是掘削刀盘及其驱动系统。掘削系统对于盾构机的施工效果有着决定性的影响,而且选择的差异对盾构机造价也有着很大的影响,刀盘选型可以影响到总造价的48,尤其掘削设备的装备扭矩是盾构机最基本的参数之一。 盾构机掘削刀盘即作转动或摇动的盘状掘削器，由掘削地层的刀具，稳定掘削面的

2、面板，出土槽口，转动或摇动的驱动机构，轴承机构等构成。,1 刀盘综述,石家庄铁道学院,某刀盘实物照片,Shijiazhuang railway institute,4,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,某 刀 盘 主 驱 动,主 轴 承,刀 盘 驱 动 系 统 示 意 图,刀 盘 搅 拌 结 构,5,关于盾构机的刀盘、驱动机构等将在后边介绍，因此这里主要介绍盾构机掘削地层的刀具。 刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常重要的内容。刀具布置方式及刀具形状是否适合应用工程的地质条件,直接影响到盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。,石家庄铁道学院,Shi

3、jiazhuang railway institute,6,盾构机刀具可根据运动方式、布置位置和方式及形状等进行分类。按切削原理划分，盾构机的刀具一般分为切削刀和滚刀两种，其余形式的刀具为辅助刀具。切削刀又分为齿刀、刮刀和先行刀等。,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,2 盾构刀具的分类,按运动方式分类,按安装方式分类,7,Shijiazhuang railway institute,石家庄铁道学院,按安装位置分类,1-8号中心齿刀,8,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,刀具按掘削目的、设置位置和用途的分类,

4、9,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,滚刀的示意图和实物照片,b) 盘形滚刀圈 c) 盘形滚刀,a) 盘形滚刀示意图,10,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,切削刀的实物照片,a) 周边刮刀 b) 周边刮刀(背面) c) 周边刀安装位置,d) 齿刀 方柄齿刀 f) 齿刀 g) 中心齿刀,11,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,切削刀的实物照片,h) 先行刀 i) 先行刀 j) 先行刀,k) 牛角刀 l) 羊角刀 m）三棱刮刀,12,Shijiazhuang rai

5、lway institute,注：等级A、B、C、D，从左至右，质量依次提高；脱氧方法F表示沸腾钢，Z表示镇静钢，b表示半镇静钢， TZ表示特殊镇静钢；Q235-A，Q235-B沸腾钢含锰量上限为0.60%。,石家庄铁道学院,3 刀具的材料,海瑞克周边刀的刀体是德国产钢号为St52-3的钢材，其性能相当于国产的低碳钢Q235，Q235钢的化学成分和力学性能见下表。由表可知，该材料的韧性较好但硬度较低。,Q235钢的化学成分和力学性能,13,Shijiazhuang railway institute,石家庄铁道学院,海瑞克周边刀的刃口主要承受高应力的磨粒磨损，周边刀迎土面钎焊有球齿，球齿材料为

6、硬质合金，主要用于承受砂砾、卵石的磨粒磨损与冲击。,超 硬 钢 的 种 类 及 特 性,14,Shijiazhuang railway institute,石家庄铁道学院,海瑞克齿刀由刀体、端部硬质合金刀片和背部球齿构成。,15,Shijiazhuang railway institute,石家庄铁道学院,海瑞克刮刀是用硬质合金钢做为刀头，高耐磨合金钢作为刀体。,16,其它进口盾构刀具在材料方面由两至三种构成，即基体材料、硬质合金材料、刀具刃口堆焊材料等复合制成。下表为一种用于盾构机刀具刃口的铁基堆焊材料的化学成分和性能。,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway instit

7、ute,一种铁基刀具刃口堆焊材料的化学成分和性能,镶铸,堆焊,17,对于不同地层的开挖，盾构的刀具通常采用不同型式：开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀；地层为较软岩石时，采用齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采用切刀(或刮刀)。,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,4 刀具的选择,卵石层(N40),砂砾卵石 (10N40),洪积土 (砂质土) (10N25),冲击粘土 (0N10),标准贯入锤击数,18,5 刀具的作用及切削机理,(1) 切削刀 切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀一般形状如左下图所示。一般情况下，(前角)与(后角)值随切削地层特性不

8、同变化，取值范围在520度之间，粘土地层稍大，砂卵石地层稍小。,Shijiazhuang railway institute,切削刀一般形状示意图,三棱刮刀,19,切削刀为盾构机开挖非岩质地层的基本刀具，其形状、布局将对开挖效果有重要影响。切削刀切削土体的示意见下图。对于软土地层或经滚刀破碎后的碴土将通过切刀和刮刀进行开挖。碴土随切刀、刮刀正面进入碴槽，因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有装载的功能。,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,切削刀切削土体示意图,20,顾名思义，超前刀即为先行切削土体的刀具。超前刀在设计中主要考虑与切削刀组合协同工作。刀具

9、切削土体时，超前刀在切削刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的切削条件。据其作用与目的，超前刀断面一般比切削刀断面小。采用超前刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少切削刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层使用效果十分明显。 超前刀刀具形状及与切削刀协同切削土体的示意图见左下图。,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,(2) 超前刀(也称先行刀),超 前 刀,21,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,22,盘圈贝型刀实质上是超前刀，盾构机穿越砂卵

10、石地层，特别是大粒径砂卵石地层时，若采用滚刀型刀具，因土体属松散体，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。采用盘圈贝型刀，将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石)的难题。,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,(3) 盘圈贝型刀,盘圈贝型刀实物照片,盘圈贝型刀示意图,23,采用大刀盘全断面切削土体，布置在刀盘不同位置的切削刀，从刀盘外周至中心，运动圆周逐渐减小，中心点理论上可以视为零，相应土体流动状态也是越来越差。而且中心支撑部位(直径约1.5 m)不能布置切削刀，为改善

11、中心部位土体的切削和搅拌效果，可考虑在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,(4) 鱼尾刀,鱼尾刀示意图,24,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,根据经验，鱼尾刀的设计和布置可应用两个技巧：其一让盾构机分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面(直径约1.5 m)土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其他切削刀不在一个平面上，一般鱼尾刀超前600 mm左右，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

12、动的基础上，又增加一项翻转运动(如同犁地一般)：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，又大大提高盾构机整体掘进水平。,鱼尾刀切削土体示意图,25,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,(5) 仿形刀,盾构机一般设计两把仿形刀(一把备用)，布置在辐条的两端。施工时，可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从辐条两端径向伸出和缩回仿形刀，达到仿形切削的目的。仿形刀伸出最大值一般在80130mm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、对周边土体干扰小的条件下，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏。,2

13、6,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,根据广州及深圳地铁建设经验，随着城市轨道路网的延伸及建设力度的加大，盾构区间不仅需穿越常见的软弱地层，同时还需在部分硬岩地段中通过。因此在刀具选择上既要考虑在软岩中开挖的需要，也要考虑在硬岩中的要求。一般认为刮刀适用于土层及部分软岩，盘形滚刀适用于硬岩，其中单刃滚刀能用在强度很高的岩石中，国外曾有在抗压强度超过200 MPa岩石中应用的工程记录。,(6) 滚刀,盘形滚刀圈 盘形滚刀,27,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,安装在刀盘上的盘形滚刀在千斤顶的作用下紧压在岩面

14、上，随着刀盘的旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。滚刀在刀盘的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圆沟槽。当推力超过岩石的强度时，盘形滚刀刀尖下的岩石直接破碎，刀尖贯入岩石，形成压碎区和放射状裂纹;进一步加压，当滚刀间距S满足一定条件时，相邻滚刀间岩石内裂纹延伸并相互贯通，形成岩石碎片而崩落，盘形滚刀完成一次破岩过程。目前，破岩滚刀中使用较多的是盘形滚刀。,28,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,硬岩滚刀破岩主要分为以下几个步骤：,1) 挤压阶段：滚刀在高推力作用下，切入岩石表面(切入深度110/15mm，取决于岩体强度

15、)，同时岩面产生局部变形及很高的接触应力。并在此应力作用下，刀刃与岩石接触部分的岩体产生粉碎区，即应力核心区。此核心区深度越深、范围越大对提高破岩效率越明显。,29,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,2) 起裂阶段：沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉强度或抗剪强度时，便产生张拉裂缝。该裂缝是滚刀能否破岩的先诀条件。在应力核心区下层是应力过渡区，该区为应力衰减区，对岩体裂缝的产生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂缝，由于其方向与破岩方向一致，因此也不能显著地提高破岩效率，但能加大下个循环中压入阶段应力范围。,30,石家庄铁道学院,Shijiazhuan

16、g railway institute,3)破碎阶段：当相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互连通时，表面部分岩体便被裂缝分割，形成碎片并脱离开挖面。,31,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,1) 岩石硬度： 在刀具挤压阶段，必须保证刀具硬度要高于岩石硬度，才能切入岩石表面，形成必要深度的应力核心区。2) 抗压强度：刀具切入岩石表面后，当应力大于岩石抗压强度(单向应力条件)或抗压强度与地层主应力组合值(三向应力条件)时才能形成粉碎区，以保证裂缝产生位置具有一定深度。3) 抗拉强度：是裂缝形成的力学原因。,影响裂缝能否形成的直接因素有：,32,Shij

17、iazhuang railway institute,根据以往工程实践及试验数据，影响破岩效率的因素有： 1) 脆性/塑性:是对抗压强度、抗拉强度的综合评价，适用于抗压强度较大(小)，而抗拉强度较小(大)岩石。有关文献资料显示在同样条件下，脆性岩体在挤压阶段所需时间远远小于塑性岩体(约八分之一)。 2) 耐磨性:本指标直接关系到盾构机掘进效率，是承包商进行刀具寿命及备品估算、工期筹划的主要依据。根据国外资料统计在耐磨性小的岩石中，更换刀具时间占总停工时间的3%，而在高耐磨性岩石中有20%之多；以每掘进1米时间计算，耐磨性小的岩石为0.020.05 hr/m，而高耐磨性岩石则可高达0.2hr/m

18、。,石家庄铁道学院,影响破岩效率的因素：,33,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,(7) 齿刀,在岩石较软的情况下掘进时，由于盘形滚刀与岩石掌子面之间不能产生一定的附着力，将导致滚刀不能滚动而产生弦磨，滚刀不能滚动将失去有效的破岩功能。因此，在较软的岩层中应将部分盘形滚刀更换成齿刀，利用齿刀进行破岩。由于齿刀上装有2个切削刃，因此刀盘正反转时齿刀都能进行破岩。,齿 刀 破 岩 机 理图,34,刀具布置有两种方式： 第一种为刀具整体连续排列方式，因其切削阻力较大，盾构机密封舱内土体流动性差，现已很少使用，仅偶尔在切削阻力小的淤泥质地层中采用； 第二种为

19、刀具牙型交错连续排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌而被广泛使用。目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。 刀具选择与布置： 盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。根据不同地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合，实现刀具配置的灵便性，提高刀盘的开挖效率。目前盾构机上常用的主要刀具有切刀、刮刀、齿刀、双刃滚刀、单刃滚刀、扩孔刀等。,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,6 刀具布置与配置,35,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,刀具的示意图和实物照片,滚刀,小松盾构刀盘,海瑞克

20、盾构刀盘,齿刀,刮刀,36,7 某盾构施工的刀具配置,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,这里介绍广州地区某大型地下工程盾构法开挖过程中的刀具配置。选用盾构机为德国海瑞克公司生产的土压平衡式盾构机，刀盘为面板式，刀盘的开口面积占刀盘总面积的28%左右。刀盘采用液压驱动，并配备了泡沫注入系统、膨润土注入系统和压缩空气系统，具备良好的渣土改良功能。,37,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,软土地层刀具配置,配置了3种软土刀具:切刀64把、弧形刮刀32把、齿刀14把(齿刀与盘型滚刀可以互换安装，但刀盘周边的5把滚刀

21、不能更换为齿刀)。 在粘土地层刀具寿命较长，在砂性地层寿命相对较短。 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以便于更换，软土地层刀盘结构相对简单。,切刀,滚刀,齿刀 刮刀,38,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,由于刀盘需要正反旋转，因此切刀也布置在正反方向。同时，为了提高切刀的可靠性，在每个轨迹上布置了2把切刀。由于周边工作量相对较大，磨损后对盾构切口环尺寸影响较大，因此在刀盘周边布置了较多的切刀和刮刀。 在切刀、刮刀刃口镶嵌有合金耐磨材料以延长刀具的使用寿命，切刀的破岩能力为20MPa，可以顺利通过加固地层的开挖。切刀伸

22、出刀盘面板的高度可保证碴土的有效流动，防止刀盘面板与土舱间产生泥饼。,39,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,上软下硬复合地层刀具配置,在区间含硬岩的复合地层，刀盘除配置切刀、刮刀、齿刀这些切削型刀具外，还配置了双刃盘形滚刀，用于破碎硬岩，因而刀盘结构相对复杂。双刃盘形滚刀单个刀刃的允许承载能力为250KN，破岩能力相对于单刃滚刀而言较低，适应破碎抗压强度小于80Mpa的岩石。刀盘上配备了足够数量的滚刀(19把)，以取得合适的滚刀间距(每把双刃中心滚刀的刀间距为10Omm)，达到了较好的破岩效果。 对于复合地层中的硬岩，首先通过盘形滚刀进行破岩。双滚

23、刀一般允许磨损量为25mm，边滚刀为15mm，因此滚刀的伸出高度一般比切刀要大，海瑞克盾构设计时滚刀的伸出高度为35mm，保证滚刀在磨损情况下仍能避免切刀进行破岩，保证切刀使用寿命。,40,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,a.当岩石抗压强度较低，盘形滚刀破岩效果不理想时，则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地破碎软岩。 b.刀盘直径应考虑刀具磨损后开挖直径仍能大于盾构切口环的直径，以保证盾构姿态的调整。边滚刀的允许磨损量为15mm，因此开挖洞径的允许变化量为3Omm。当边刀不采用滚刀时

24、，盾构开挖洞径的允许变化量为20mm。 c.在曲线半径小的隧道掘进时，为了利于盾构的调向，需要有较大的开挖直径，因此根据地质情况的差异，可在刀盘上选择配置扩孔刀或滚刀型、齿刀型的仿形刀。,刀具配置的其它注意事项,41,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,刀具布置的防泥饼措施,盾构机通过粘性土层时容易在刀盘中心区和土舱中心区形成泥饼。刀盘中心区的泥饼会造成刀盘能够转动，但是盾构机却不能掘进的现象。土舱中心区的泥饼，则会造成刀盘转动负荷加大，甚至停止转动，同时导致舱体内温度急剧升高，影响主轴承密封的寿命，甚至毁坏轴承密封。 为了提高碴土的流动性，防止上述现

25、象的发生，刀具布置采取了针对性较强的防泥饼措施，即确保刀具凸出刀盘的较大间距。所有正面滚刀都高出刀盘面175mm，为开挖面破除下来的碴土留出了足够的出碴空间；齿刀高出刀盘面16Omm，刮刀高出刀盘面140mm。,42,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,这样盾构在复合地层中掘进时，能使刀盘前方切削下来的碴土有较大的流动空间，有利于刀盘前方碴土的流动。同时，由于滚刀高出刮刀35mm，齿刀高出刮刀20mm，因此，在硬岩地段掘进时刮刀受到滚刀和齿刀的保护，正面滚刀的最大磨损量为可达50mm，切刀的最大磨损量则为20mm。,43,石家庄铁道学院,Shijiaz

26、huang railway institute,8 盾构刀具磨损机制概述,磨损的机理大致可分为如下表所示五种类型，,44,1)显微切削：硬颗粒或硬凸起与材料产生相对运动，引起的材料损伤。当磨粒的形状与运动方向合适，有利于切削时，磨粒在切向力的作用下，在料表面刮起一层薄片，形成一次切削，脱离材料表面。这种切削沟的宽度和深很小，切屑也非常小。,磨料磨损的基本损伤形式,石家庄铁道学院,45,2)疲劳(微观犁皱或微观压入 ): 表面微观部分受循环变应力产生重复变形 导致裂纹形成，最终使表面产生破损。,压入,石家庄铁道学院,46,3)粘着：两接触表面局部的粘着使材料由一表 面转移到另一表面所引起的磨损。

27、,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,47,4)龟裂：材料表面受到垂直应力的反复作用，产生显微裂纹,裂纹,压入,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,48,9 海瑞克盾构刀具失效分析,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,北京地铁某线砂卵石地层中石英含量高达45%以上，石英砂是“很好”的磨料，使刀具磨损速度加快。该线应用的德国海瑞克盾构机的刀盘转速可以达到3rpm，直径6m刀盘外围刀具的线速度可以达到1m/s。北京地区地层中含有大量不同粒径的卵石，使得刀具的刃口部位承受很大

28、的冲击荷载。,北京地铁 某线盾构 试验段 砂卵石 地层渣土,49,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,如北京地铁某线盾构试验段雍和宫站至张自忠站左线1510m隧道掘进为砂卵石及粘土混合地层,掘进过程中更换了5批刀具；而在北京地铁某线16合同段宋家庄站至刘家窑站右线隧道1320m的粉质粘土为主地层掘进则没有更换过刀具，这充分表明了砂砾、乱石对盾构刀具的巨大破坏作用。盾构试验段盾构机刀具磨损和折断严重，开仓后刀具的形貌见下图。,硬质合金刀片折断 的齿刀,使用意大利庞万利公司周边刀掘进70米后磨损情况,周边刀磨损后 的形貌,50,石家庄铁道学院,Shijia

29、zhuang railway institute,硬质合金刀片折断 的齿刀,周边刀磨损后 的形貌,使用意大利庞万利公司周边刀掘进70米后磨损情况,从图中可以看到，盾构刀具的刃口部位镶嵌的硬质合金刀片存在同程度的折断破坏，即所谓“崩刃”；对于硬质合金刀片，由于硬度很高，相应的韧性较差，冲击断裂是其主要的失效形式；除了刃口部位承受冲击之外，刀具迎土面还有犁沟式磨粒磨损和碾压磨损。,在右图所示位置切制1#、2#样，实验室条件下通过扫描电镜对其磨损形貌分别进行分析。,51,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,周边刀刃口坡口处（内侧）磨损形貌,从扫描电镜照片可以

30、看出： 刃口位的斜坡（内侧）为典型的犁沟式磨损。,52,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,从扫描电镜照片可以看出： 外侧硬质合金球齿失效形为脆性塌陷+犁沟式磨损。,球齿表面磨损形貌,53,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,从扫描电镜照片可以看出： 外侧的球齿镶嵌部分的磨损形式为犁沟式+碾压磨损 。,周边刀刀体迎土面磨损情况,54,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,将北京地区盾构刀具的上述磨损情况归纳为下表所示特征。,通过对进口盾构刀具在砂卵石地层的磨损特点分析，得

31、出的结论是：盾构刀在砂卵石地层施工中，主要的失效形式为：冲击破坏、犁沟式磨粒磨损和碾压磨损。,55,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,10 其它刀具磨损照片,56,11 减少盾构机推进阻力的措施,Shijiazhuang railway institute,根据不同地质条件，以及N(标准贯入锤击数)值的大小，切削刀最大切削轨迹外径、刀盘盘圈外径和盾构机外径三者的尺寸之间有细微的差别，若处理不当，将增大推进阻力，给盾构机整机推进性能带来较大影响，其原因在此不赘述。针对北京地区地层特点，为减少盾构机推进阻力，除盾构机设有加泥加泡沫系统外，还应在刀具的布置

32、上采用以下两项措施：(1)设计主切削刀最大切削轨迹外径略大于盾构机外径，既减少盾构机刀盘盘圈和盾构机外周的摩擦阻力，又不会影响盾构机控制土体沉降的能力和效果。,57,Shijiazhuang railway institute,(2) 调整刀具切削土体深度，合理设置刀盘盘圈刀具(贝型刀)，减少切削阻力。根据刀盘盘圈刀具切人土体深度的计算公式，可计算出刀具切入土体的深度。,58,Shijiazhuang railway institute,由上表可知，刀具布置可显著影响刀具切削土体的深度。为减少推进阻力、切削噪音和切削振动，应选择合适的刀具切削深度。根据经验，盾构机高速推进时，切削深度以1015

33、mm为好；一般速度推进时，切削深度则以48mm为好。故在刀盘盘圈上布置57把刀具较为理想。,刀具 切人 土体 深度,59,Shijiazhuang railway institute,12 小节,本节主要介绍了以下内容：1.刀具的分类；2.刀具的材料;3.刀具的选择；4.刀具的作用及切削机理;5.刀具布置与配置及实例；6.盾构刀具磨损机制概述及实例分析；7.减少盾构机推进阻力的措施。,60,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,二、盾构开挖面分析,本节简要介绍国内普遍采用的土压式盾构施工中支护压力控制引起的开挖面变形与破坏问题。,61,石家庄铁道学院,S

34、hijiazhuang railway institute,盾构施工过程中由于对土体的开挖和挠动破坏了土体的原始应力状态，使土体单元产生了应力增量，引起周围地层的位移。盾构隧道的施工变形是一个不断累加的过程，以隧道轴线地表点的经时变位曲线为例，地表点的地层移动经历五个阶段 。,1 盾构掘进对周围地层的扰动,62,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,a. 先期沉降，盾构尚未到达该点时的变位，表现为地表下沉。对于砂质土，其可能是由于地下水下降引起，对于极软粘性土，则沉降可能是由于开挖面过量取土引起的；,盾构 通过 时地 基变 形的 分类,63,石家庄铁道学

35、院,Shijiazhuang railway institute,b. 开挖面前方地基变位，盾构机前方刀盘即将到达之前发生的变位，表现为地表隆起或下沉。其主要是由于盾构机对开挖面土层施加的支护压力过大或过小，致使开挖面失去平衡状态，从而发生地基变位；,盾构 通过 时地 基变 形的 分类,64,石家庄铁道学院,c. 盾构机通过时地基变位，指从盾构开挖面到达该地表点的正下方开始，直至盾尾即将脱离该点为止的发生的地基变位，表现为地表隆起或下沉。产生这部分地基变位的原因，主要是盾壳对土体的摩擦力，破坏了土体的结构强度，另外超挖及盾构机姿态的非水平向也加剧了地基变位；,盾构 通过 时地 基变 形的 分类

36、,65,石家庄铁道学院,d. 盾构机尾部脱离时变位，指盾尾空隙形成至注浆结束为止的那段时间内的下沉或隆起。管片从盾尾脱离之前，盾壳对土体有一约束力，方向指向土体，一旦盾尾脱离，盾构机壳土体之间产生空隙，如果在盾尾脱离后未能及时注浆或填充率不足，则空洞断面就会向内缩小，引起应力释放力，产生地表沉降，相反，如果注浆压力过大，则会导致地表隆起；,盾构 通过 时地 基变 形的 分类,66,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,e. 后期沉降，指从注浆结束开始，直到下沉停止的那部分下沉，引起这部分沉降的原因，主要是蠕变变形与固结变形，在软粘土地基表现尤为明显。,盾

37、构 通过 时地 基变 形的 分类,67,2 盾构掘进开挖面支护压力控制原理,Shijiazhuang railway institute,盾构掘进过程中，通过各方面信息的反馈，控制盾构机完成从隧道的开挖至衬砌安装一系列过程，作为施工主体盾构机的控制是工程成败的关键，盾构机控制主要涉及以下几个方面:开挖控制、轴线控制、注浆控制及衬砌安装控制。,68,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,开挖面支护压力对盾构掘进的施工效果影响极为重要。 开挖控制主要为开挖面支护压力管理，控制压力舱内泥土压力稳定在要求的目标范围内，它是一个动态的过程，一方面提供支护压力的渣土

38、不断在刀盘切削下进入压力舱，然后由排土装置排出，另一方面又要恒定地维持压力舱内的泥土量来提供支护压力，支护压力的控制通过螺旋输送机的转速控制调整压力舱内泥土量的多少来得以实现。,69,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,土压平衡式盾构的开挖面支护压力管理，目的在于控制开挖面的稳定，为此必须使地层的水土压力和压力舱内的泥土压力相当。盾构机掘进时支护压力及螺旋输送机的取土量与开挖面稳定控制之间的关系参下图。,压力控制、 体积控制 与开挖面 稳定之间 的协调关 系,70,3 砂土地层开挖面变形与破坏数值分析,Shijiazhuang railway institute,以下简介利用有限元对砂土地层开挖面变形与破坏进行的分析。假定隧道开挖直径(D)为6m，隧道埋深(C)为12m，模型尺寸如下图所示，模型除地表面为自由面外，四周采用变形约束条件。计算中土体为莫尔库仑材料。,计算模型示意图,71,石家庄铁道学院,Shijiazhuang railway institute,引入支护应力比的概念，由下式定义：,72,Shijiazhuang railway institute,不同 支护 压力 下开 挖面 附近 土体 位移 及塑 性区 开展,a.不同支护压力下开挖面附近土体位移及塑性区开展,73,石家庄铁道学院,Shijiazhua