盾构机的刀具配置介绍.

盾构机的刀具配置报告人：西安地铁四号线张杰2报告内容22019/12/20盾构机、刀盘的结构形式2案例分析4盾构机的起源发展1常见盾构机刀具的配置3通讯工程、水利工程、市政工程、城市轨道交通等现代化基础设施盾构机在隧道施工中的应用32019/12/20M.I.Brunel盾构法获得专利4第一台机械化盾构产生土压平衡式日本satokogyo美、日、欧发达国家国内外历史沿革1963年1876年1818年目前2019/12/2051953年1966年20世纪80年代上海打浦路隧道网格式进入工业性试验阶段东北阜新煤矿实用性阶段20世纪90年代以来盾构机国内外历史沿革盾构机刀具发展盾构机刀具是盾构机施工实现破岩的关键部件，价格高，供货周期长消耗量大，需要经常更换等特点。并且刀具的使用寿命直接影响到盾构施工的成本和进度。国外生产盾构机的主要国家（美国、德国和日本）都有专业的破岩刀具生产厂家，对刀具进行了长期的研究，并不断改进和更新破岩刀具，使产品具有竞争力。如：滚刀直径有12英寸〞到19〞不断加大。现在的刀具均按照具体条件专门设计、制造。国内盾构机盘形滚刀的研究始于60年代，经过近30多年的发展，到上世纪90年代中期主要停留在刀圈外径400mm以下的小直径盘形滚刀，实际应用很少。由于国内盾构掘进机刀具的需求和我国整体工业技术水平的提高，破岩刀具的研究在国内得到了长足的发展，正逐渐替代进口刀具。如：洛阳久久、聊城天工、大连华锐、湖南德天、南齿等国内刀具生产厂家。7报告内容72019/12/20盾构机、刀盘的结构形式2案例分析4盾构机的起源发展1常见盾构机刀具的配置32019/12/20•盾构机分类1、手掘式盾构手掘盾构是最原始的一类盾构，其构造简单，配备较少，造价低，目前在地质条件较好的工程中仍广泛使用。2、半机械式盾构在手掘式盾构正面装上挖土机械和出土装置，即成为半机械式盾构。挖土装置有铲斗式、切削式和混合式三种形式。3、机械式盾构在手掘式盾构的切口环部分，安装与盾构直径大小相同的旋转大刀盘，对土体进行全断面开挖的盾构，称为机械式盾构。4、泥水加压盾构泥水加压盾构就是在机械式盾构大刀盘后面设置一道隔板，隔板与刀盘之间作为泥水室，在开挖面和泥水室中充满加压的泥水，通过加压作用，保证开挖面土体的稳定。5、土压平衡盾构土压平衡盾构前端有一个全断面切削刀盘，盾构的中心或下部有长筒形螺旋运输机的进土口，其出土口在密封舱外。土压平衡盾构常见盾构机模式泥水平衡盾构多圆形盾构偏心多轴盾构球体盾构子母盾构异形盾构复合地层刀盘往往设计成面板+辐条式刀盘形式比较项目面板式辐条式砂、土适应性（粒径＜15cm）由于开挖面土体受面板开口影响，渣土进入渣舱不顺畅，易粘结，易堵塞。仅有几根幅条，同时幅条后均设有搅拌叶片，土、砂流动顺畅，不易堵塞。砂卵石适应性（粒径30cmD＞15cm）卵石地层以剥离为主的切削方式，面板式刀盘碴土流动性不好，滚刀作用不大，刀具会产生二次破碎，易磨损成本高。碴土流动性好，二次破碎较弱，加装强度较高的切削刀具，加大螺旋机直径或采用带式螺旋机更适应。硬岩及软硬不均硬岩需要刀具滚刀进行破碎，可以加装更多的滚刀，适应性强。刀盘结构强度无法满足加装更多滚刀和破岩的需要刀盘扭矩刀盘扭矩阻力大，需增加设备能力，造价高，适用于硬土与岩石地层。刀盘扭矩阻力小，设备造价低，适用于淤泥质地层与砂层及粒径不大的砂卵石地层。刀盘结构形式选择2019/12/2013莞惠复合地层8.83EPB盾构机（面板+辐条）为例刀盘结构形式——复合式刀盘刀盘直径8830mm，面板厚度60mm，腹板厚度480mm，宽度640mm，从法兰盘到面板背面1590mm。整个刀盘由6个面板+6个辐条焊接而成，法兰盘和内圈板通过6根厚壁钢管焊接在一起，主要传递大扭矩和大推力的作用。刀盘面板双刃刮刀188把，双刃滚刀5把，滚刀54把，边缘弧形刮刀24把，边缘保护刀12把，超挖刀1把。2019/12/2014刀盘结构形式——形式选择2019/12/20西安单一老黄土地层6.28EPB盾构机（辐条）为例刀盘结构形式——辐条式刀盘本刀盘为辐条+小面板中心支持式，开挖直径6.28m，刀具配置：中心鱼尾刀1把，切刀82把，先行刀54把，保径刀20把，横向保径刀6把，超挖刀2把。16报告内容162019/12/20盾构机、刀盘的结构形式2案例分析4盾构机的起源发展1常见盾构机刀具的配置3掘进刀具切削破岩刀具滚压破岩刀具齿刀切刀球齿滚刀楔齿滚刀盘形滚刀辅助刀具超挖刀刮刀常见刀具形式双刃单刃常见刀具工作原理和使用条件刀具类型适应条件工作原理滚刀单刃滚刀双刃滚刀硬岩刀盘向前的压力及旋转的惯性力破坏岩石切刀刮刀软土地层通过刀刃切割土体并具有装载作用齿刀中心齿刀正齿刀软岩软土使岩体固结性能变差、破坏岩体的结构2019/12/2019复合式盾构机的开挖系统（一）2019/12/20双刃刮刀撕裂刀实物图双刃刮刀和撕裂刀安装示意图双刃刮刀实物图2019/12/20周边保护刀边缘刮刀复合式盾构机的开挖系统（二）边缘刮刀示意图各种滚刀以及刀箱里的安装示意图复合式盾构机的开挖系统-刀具安装位置目前我们在地铁盾构施工中遇到的代表性地层主要有：以广州地层为代表的硬岩及软硬不均的复合地层；以上海、天津为代表的淤泥质土层；以北京、沈阳为代表的砂砾复合地层；以西安为代表的黄土地层；以成都为代表的卵石地层；以深圳为代表的漂石地层。地铁施工的代表性地层232019/12/2023刀盘结构形式——形式选择（举例）西安地铁盾构刀盘、刀具分析表序号项目铁建重工中铁装备/海瑞克1刀盘支撑形式中心支撑中间支撑2刀盘形式辐条加小面板形式辐条形式3刀具配置中心鱼尾刀1把（刀高450mm）1把（刀高400mm）切刀64把（刀高110mm）+18（刀高90mm）62把（刀高110）先行刀54把（刀高140mm）41把（刀高145mm/160mm/220mm)保径刀20把6把横向保径刀6把0把超挖刀2把1把4泡沫口数目6个（泡沫和膨润土共用）3个泡沫+2个膨润土5开口率66%60%6分析一、刀盘采用中心支撑形式降低了密封的复杂性，且降低了HBW的消耗；二、采用刀盘加小面板的形式在提高刀盘强度的同时，使得线速度较大的外周能够布置更多的刀具以保证刀盘的长距离掘进适应性且提高了切削效率；三、采用了横向保径刀能够有效提升刮刀的使用寿命；四、采用双超挖刀设计降低超挖时间提高效率；五、切削刀具总数和分项数目均大于中铁装备有效的提高了刀盘的切削能力；六、6个泡沫和膨润土共用的泡沫口更能契合不同地质对于渣土改良的需求；241、广州地层为代表的硬岩及软硬不均的复合地层，应配置面板式复合刀盘，刀盘可装滚刀用于破岩，也可以全部更换为软土刀，用于软岩的掘进，开口率30%左右。2、上海、天津为代表的淤泥质地层可选用面板式软土刀盘，也可选用辐条式软土刀盘，全部配备软土刀具开口率可适当放大。3、以北京和沈阳为代表的砂砾复合地层建议用辐条式软土刀盘，配备强度较高的软土刀具，如贝壳刀。4、以西安为代表的黄土层，可配置辐条式和面板式软土刀盘，刀具配为软土刀具。5、以成都为代表的卵石地层，可配置面板式复合式刀盘，配置强度较高的撕裂刀，实践证明在此种地层中滚刀的做用并不大，刀具的主要作用是剥离而非破碎。6、深圳的漂石地层，可以说目前没有能应对漂石而设计的刀盘，只能靠辐助措施破碎。应采用面板式复合刀盘，配置滚刀和切削刀具，与广州刀盘类似。不同地层的刀盘刀具滚刀破岩机理（三）滚刀滚压岩石随着推力的不同，岩石的破碎一般分为三个阶段：研磨、疲劳破碎和有效体积破碎。研磨：当滚刀受到的推力很小时，刀圈对岩体的挤压力远小于岩体的极限强度，岩体破碎是摩擦力的作用下引起的表面磨损，破碎的颗粒小，刀圈磨损严重，对岩体的破碎速度慢。疲劳破碎：当滚刀受到的推力增大，但刀圈对岩体的挤压力仍小于岩体的极限强度，通过刀圈对岩体的多次碾压，岩体产生疲劳裂纹，进而发生破碎。有效体积破碎：当滚刀受到的推力足够大，刀圈对岩体的挤压大于岩体的极限强度时，刀尖贯入岩石，岩体产生跳跃式的直接破碎，破碎块增大，破碎速度增大，并随轴压的增加而线性增加，岩面被盘形滚刀挤压破碎而形成多道同心圆沟槽，随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，相邻同心圆沟槽间的岩石成片崩落，完成盘形滚刀的破岩过程，改工况下破岩速度高，刀圈磨损小，岩石破碎过程所消耗的比功小。滚刀破岩机理（一）刀盘在纵向油缸的推力下，使其面板上的滚刀压入岩石：刀盘在旋转装置的驱动下带动滚刀绕刀盘中心轴公转，同时各滚刀还绕各自刀轴自转，使滚刀在岩面上连续滚压。刀盘施加给刀圈滚动力和推力，推力使刀圈压入岩体，滚动力使刀圈滚压岩体，通过滚刀对岩体的挤压和剪切使岩体发生破碎，在岩面上切出一系列的同心圆。滚刀破岩机理（二）刀具的磨损一般是由内向外呈逐渐增大的趋势，由于刀每刀具公转的角速度是相同的，但各刀具所在的半径不同，刀就是各把刀具线速度不同，在相同时间内外部刀具所走过的行程就多，切削的任务量就重，磨损的速度也就相应增加。但到边刀部位由于刀尖距加密，每把刀的破岩工作量相应减少，磨损的速率也相应降低。刀位磨损量10.220.230.240.250.560.570.580.591101211112101310141015101615171318101913201421162213231524152515261027152817291530163115322033203420352036153715381639160102030405060123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839异常磨损量异常磨损量刀具磨损分析——滚刀（一）29刀具的严重磨损会在同一区域重复出现，这是由于该区的部分切削条件被破坏无法或未能恢复导致。0102030405060708090100110120130140123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839刀具磨损情况图刀具磨损情况图磨损量0102030405060708090100110120130140150160170180190123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839磨损量刀具磨损分析——滚刀（二）实际掘进过程中，破岩效果和刀盘推力，滚刀刀圈间距，刀圈刃口形状、岩层特性等有关，很难完成达到最佳的体积破碎，往往是各个阶段都有。此外，在掘进过程中，盘形滚刀在刀盘上的运动除绕刀盘中心的剪切圆周运动和沿掘进方向的切深挤压运动外，还有沿刀盘径向的滑动运动，因此滚刀实际的破岩机理和受力情况是很复杂的。滚刀破岩机理（四）非正常研磨颗粒31刀具异常磨损的预防措施(一）合理选择掘进推力：根据滚刀的数量和每把刀可以承受的最大径向力可以算出刀盘最大承受力，再加上土压反力、磨擦力、后配套拖力及尾刷阻力就可以算出作用在油缸上的最大推力，因此可以通过控制这个最大推力来防止刀具过载。32合理控制贯入度：根据盾构机贯入度计算方法Pe=V/n，贯入度越大则刀具受力越大，在100Mpa以上的岩石地层掘进时贯入度不大于4mm。软岩掘进时贯入度建议不大于25mm。及时更换保护刀具及损坏刀具：个别滚刀损坏可能导致周边刀具的连带损坏，因此在条件充许的情况下及时检查和更换损坏的滚刀，安装过渡刀时相临刀具高差不大于5mm。同时要及时更换切削刀具。确保碴土改良效果确保添加剂的加入效果，保证碴土流动性，可以有效的防止泥饼产生，减少刀具被泥饼抱住的危险。刀具异常磨损的预防措施(二）33报告内容332019/12/20盾构机、刀盘的结构形式2案例分析4盾构机的起源发展1常见盾构机刀具的配置3刀盘刀具损坏的案例在掘进过程中一定要及时检查刀具，发现刀具磨损后一定要第一时间更换，不要报有侥幸心理，自认为想到达预定地点再换。刀具在发