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1、1,2009年3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 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,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
3、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,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
4、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 railway 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
5、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
6、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 institute,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
7、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
8、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
9、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
10、 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
11、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
12、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。,26,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
13、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
14、碎片而崩落，盘形滚刀完成一次破岩过程。,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)，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
15、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,Shijiazhuang 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)
16、 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,Shijiazhuang 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
