盾构机刀具(第四章)

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1、 石家庄铁道学院石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute xxx 副教授1目 录一、盾构刀具一、盾构刀具二、盾构开挖面的变形与破坏分二、盾构开挖面的变形与破坏分析析石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 2一、盾构刀 具v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4 8,尤其掘削设备的装备扭 矩是盾构机最基本的参数之一。v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

2、面的面板，出土槽 口，转动或摇动的驱动机构，轴 承机构等构成。 1 1 刀盘综述刀盘综述石家庄铁道学院某刀盘实物照片 Shijiazhuang railway institute 3石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 搅拌棒某 刀 盘 主 驱 动主 轴 承刀 盘 驱 动 系 统 示 意 图 刀 盘 搅 拌 结 构4vv关于盾构机的刀盘、驱动机构等将在后关于盾构机的刀盘、驱动机构等将在后边介绍，因此这里主要介绍盾构机掘削边介绍，因此这里主要介绍盾构机掘削地层的刀具。地层的刀具。vv刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常重要

3、的内容。刀具布置方式及刀具非常重要的内容。刀具布置方式及刀具形状是否适合应用工程的地质条件形状是否适合应用工程的地质条件, ,直接直接影响到盾构机的切削效果、出土状况和影响到盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。掘进速度。石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 5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 2 盾构刀具的分盾构刀具的分 类类按运动

4、方式分类按安装方式分类6Shijiazhuang railway institute 石家庄铁道学院 按安装位置分类1-8号中心齿刀 7石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 种类名称用途 设置部位 固定刀具掘削掘削面面板正面 旋转刀具掘削掘削面面板正面 超前刀具超前掘削面板正面 导向钻头破碎地层面板正面 外沿保护刀具保护刀盘外沿面板正面外沿 修边刀具 减小推进阻力面板外沿 背面保护刀具保护背面面板面板背面 加泥嘴保护刀具保护加泥嘴加泥嘴部位 掘削障碍物刀具掘削障碍物面板正面外围刀具按掘削目的、设置位置和用途的分类8石家庄铁道学院Shijiazhuang r

5、ailway 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9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10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 11Shijiazhuang railway institute 注：等级A、B、C、D，从左至右，质量依次提高

6、；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等 级化学成分 脱氧方法抗拉强度 b/MPa伸长率 z(%)硬度 (HB)CMnSi ()S ()P () A0.14- 0.220.30- 0.650.0350.0500.045F,b，Z375-40021-26180- 220 B0.12

7、- 0.200.30- 0.650.045C0.180.30- 0.650.0400.040Z D0.170.035TZ12Shijiazhuang 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。种 类特性值化学成份（%）用途硬度 (HRA)抗弯强度 (MPa)WC0CE190120087904856 E2891400858951056 E3881600838771256盾构刀具 E4871700828681356盾构刀具 E5862000788591756

8、砂层刀具超 硬 钢 的 种 类 及 特 性 13Shijiazhuang railway institute 石家庄铁道学院海瑞克齿刀由刀体刀体、端部硬质合金刀片和背部 球齿构成。14Shijiazhuang 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。15v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

9、和性能化学成分硬度 （HRC） CCrNiSiMnMoFe 0.1-0.35-101-340)砂砾卵石 (10N40)洪积土 (砂质土) (10N25)冲击粘土 (0N10)标准贯入锤击数175 5 刀具的作用及切削机理刀具的作用及切削机理v(1) 切削刀v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 18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

10、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 19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

11、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20石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 21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，

12、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22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 23石家庄铁道学院Shijiaz

13、huang railway institute 根据经验，鱼尾刀的设计和布置可应用两个技巧两个技巧：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 24石家庄铁道学院Shijiazhuan

14、g 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。25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

15、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26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 。27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