盾构机刀具如何选型与配置

盾构机刀具的选型与配置一、盾构机刀具概述二、盾构机刀具的选型三、盾构机刀具的结构特点与设计制造四、刀具的配置使用与发展趋势一、盾构机刀具概述1简述盾构机刀具的历史变革与发展刀具是一个很广泛的概念，在石器时代人们就尝试着利用石刀、石斧为人类服务。在现代人们的日常生活当中，人们更是广泛的利用着各种各样的刀具，在机械加工业、木工业、采矿业等工业领域，刀具都得到了很好的利用为经济社会发展服务。特别是近代在隧道工程掘进施工领域，随着盾构机施工技术的发展，更是为刀具的应用和发展带来了独特的发展空间，不论在什么地层条件下施工，掘进速度的快慢，施工成本的高低，都直接与刀具的选择是否得当和其性能好坏有着很大的关系和影响。因此，世界各国都非常重视盾构机刀具的研究和应用，特别是在盾构机施工中对各种岩层的开挖所需的刀具，各国都做了大量的研究工作，美国、日本、德国等一些工业发达国家从刀具的切削机理、切削理论计算、破岩的方式、模拟试验等方面都进行了长期的深入研究，并在不断的应用中改进和完善，形成了适用于多种地层的盾构机刀具系列和品种规格。我国对盾构机刀具的开发研究始于二十世纪六十年代，经过几十年的努力和发展，也取得了较大的进步和发展，特别是从上世纪九十年代以来，我国的经济建设进入了一个高速发展的时期，整体隧道工程盾构施工技术水平和刀具制造水平都有了较大的提升。随着国内的地下隧道工程建设大量增加，国内的盾构机施工任务也大量增加，已成为盾构机施工技术的应用大国，对盾构机设备和刀具的需求量也不断增加，从而也促使盾构机刀具的研究和发展取得了长足的进步，目前已研制出多品种、多规格、多功能且能满足于多种地层施工需要的盾构机刀具，有的刀具已达到了国际同类刀具的先进水平，国产刀具正逐步替代进口刀具,迎来一个盾构机刀具大发展的时代。2盾构机刀具的分类和切削机理2.1盾构机刀具的分类我们知道盾构机刀具（以下简称刀具）是盾构机施工中实施掘进的的关键部件，所有的掘进施工最终都要靠刀具来完成。刀具被安装在刀盘的最前面，掘进过程中随刀盘一起转动来开挖掌子面。所有安装在刀盘上的刀具目前分为两大类，一类是在掘进过程中只随刀盘转动进行开挖掌子面的刀具，如切刀、边刮刀、贝壳刀等，这类刀具统称刮削类刀具，简称刮刀；如图示贝壳刀30°13°333另一类是在掘进过程中刀具除随刀盘一起进行转动外，其刀具自身还绕刀轴进行自转，如正滚刀、中心滚刀、边滚刀、锥形滚刀等，这类刀具统称为滚切类刀具，简称滚刀：如图示锥形滚刀2.2盾构机刀具的切削机理2.2.1刮削类刀具的切削机理刮削刀具一般是通过螺栓连接或焊接在刀盘上的，在刀盘的连续旋转带动和刀盘推力作用下，刮削刀具的刀刃部分不断的嵌入（切割）掌子面，并对掌子面（或滚刀破碎后的渣土）通过刮刀前刀面向上和向两侧连续进行挤压撬动使掌子面剥落，剥落的的渣土沿刮刀的前刀面向两侧滑落进入清渣槽，这样使刮刀既具有切削的功能也具有装载的功能。因此刮削刀具是一种以切割力和挤压力来开挖掌子面的刀具，适用于表土层及软岩泥层（一般小于30MPa）的掘进施工。2.3滚切类刀具的切削机理2.3.1盘形滚刀的切削机理由于盘形滚刀本身的滚动，其磨损速度比刮刀要慢的多。加之刀刃较窄，在刀盘的相同推力下作用于岩石上的压强要大的多，因而能破碎的岩石也比刮刀要硬得多，多数的沉积岩只用盘形滚刀就能充分破碎。现阶段盘形滚刀主要用在盾构机的刀盘上，故长期以来，盘形滚刀几乎和盾构机滚刀成为同义语。小型的盘形滚刀（≤12〞）通常是把刀刃和刀体做成一体，一般是多刃的，有的刀刃上还镶嵌硬质合金；大规格的盘形滚刀（一般为14〞—19〞）刀体和刀刃通常是分离的，可以拆装以便于刀刃磨损后更换。人们习惯上又常把刀刃称为刀圈，可更换的刀圈可以是钢刀圈，也可以是在钢刀圈上镶嵌硬质合金。这要根据地层选择，镶嵌硬质合金的刀圈（也常称为球齿刀圈）更适合特硬岩层的掘进施工。盘形滚刀的切削原理是当刀盘在纵向油缸的巨大推力作用下，使安装在刀盘上的盘形滚刀压入岩石；同时刀盘在旋转装置的驱动下给滚刀施加滚动力矩带动滚刀绕刀盘中心轴公转，在滚刀公转的同时，由于掌子面对滚刀的摩察力作用，使滚刀还绕各自的刀轴自转，这样就使得滚刀在岩面上连续滚压。刀盘施加给刀圈的推力和滚动力矩的结果是：推力使滚刀刀圈压入岩体，滚动力矩使滚刀刀圈滚压（剪切）岩体。通过滚刀刀圈对岩体的连续挤压和剪切，使安装在不同刀位的滚刀在岩面上滚切出一系列的同心园槽。（见下图）滚刀滚压岩石的破碎效果随着推力的不同而不同。有试验证明岩石的破碎一般分为三个阶段：即研磨、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，岩体破碎是在摩擦力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：当滚刀受到的推力逐渐增大，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下，岩层沿滚压方向会分布一定的压应力，岩体会沿压力线产生疲劳裂纹，进而发生破碎。有效体积破碎：当滚刀受到的推力足够大，刀圈对岩体的挤压力大于岩体的极限强度时，刀刃贯入岩层使岩体产生内应力，迫使岩体产生跳跃式的裂纹直接破碎，破碎块度增大，破碎速度加快，并随刀盘压力的增加而线性增加（但受其它条件的制约，压力不能无限增大）。岩面被盘形滚刀挤压破裂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。该工况下破岩速度快刀圈磨损小，岩石破碎过程所消耗的比能也小。实际掘进过程中，破岩效果和刀盘推力、滚刀刀圈间距、刀圈刃口型状、岩层特性等有关，很难完全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切向圆周公转、滚刀自转和沿掘进方向的切深挤压运动外，还有沿刀盘径向的滑移运动，且在同样转速下半径越小滑移越大，因此滚刀正常情况下磨损最严重且容易出现弦磨的部位是靠近刀盘中心滚刀的刀圈，滚刀受到岩层的侧滑力的方向是沿半径背离刀盘轴心方向。2.3.2锥形球齿滚刀的切削机理锥形球齿滚刀的刀齿是镶嵌于锥形刀体表层的硬质合金球柱（齿柱），这种齿柱是由粉末冶金制成，两种主要的材料是碳化钨和钴，钴是起粘结剂的作用，并控制压入齿柱的物理性能（抗磨和抗弯）。还添加一些其他的微量金属。压入齿柱的抗压强度根据不同岩层的使用条件约为2600-3100MPa，硬度一般为HRA80-90，齿形一端以半球面者居多,所以常称球齿，也有锥形等其它形状的(见图2.2)。由于这些特点,球齿滚刀适用于掘进硬岩地层,球齿滚刀是靠压碎和研磨作用来进行破碎岩石的。压入齿柱的形状和伸出刀体的高度可根据岩层条件的不同而有所不同，目前盾构机不常用。二、盾构机刀具的选型1首先要考虑地层的多样性刀具的选用是否适用于该项目的地层条件是影响使用效果的关键因素之一，因此选用刀具时首先要考虑该项目的具体地质条件。施工中各工程遇到的地层条件是千变万化的，但不管其怎样变化，其主要地质状况不外乎土层和岩石两大类或两类地层的不同组合形式。就土层而言，是以各种沙土、粘土、填土、胶结泥等形式或者以它们的不同组合呈现在掌子面，它们的硬度都比较低，强度特性较弱，比较容易被撬动和剥落，一般抗压强度在30MPa以下，用刮削类刀具即可完成掘进施工。就岩层而言，是岩石以各种不同的强度和固体形状或以它们的不同组合形式呈现在工作面，它们的强度特性较高，（常以单轴抗压强度来表达）抗压强度一般在30MPa以上，必须用滚切刀具或用滚刀和切刀的组合来完成掘进施工。常见的岩石单轴抗压强度参考值如下：岩石种类抗压强度(MPa)岩石种类抗压强度(MPa)花岗岩98～245石灰岩29～245石英片岩69～178闪长岩177～294玄武岩147～294大理岩98～245片麻岩49～196云母片岩59～127砂岩19.6～196板岩98～196泥灰岩12～98页岩9.8～98从上述岩性对比可以看出，在不同的地层进行施工所适用的刀具是不同的，但所有的刀具也都是围绕怎样切割、剥落各种岩层和土层来进行施工的。刀具的研发也是如此，经世界各国多年的研究和施工实践，目前所使用的盾构机刀具主要还是刮削类刀具和滚切类刀具。对于不同地层的掘进施工，应采用不同型式的刀具。在确定刀具形式之前必须对施工地层进行勘察取样与试验，制定出详细的地质报告，一般地层都是以组合地层条件出现的，也有单一地层的情况，然后根据地层的分布特性和岩石抗压强度选择刀具。2选择刀具一般应遵循以下原则2.1根据经济性选择刀具(1)掘进速度快、效率高；(2)单位进尺刀具消耗费用少；(3)尽可能适应多种地层掘进要求；种类少，备件费用低：(4)掘进单位进尺动力消耗少，综合费用低；2.2根据地层条件选择刀具对于软土层来讲是比较好选择的，只要耐磨性好、排渣好的刮削刀具一般就能满足需要；对于岩石地层，则主要考虑岩石的如下特性（1）岩石的强度岩石的单轴抗压强度是影响掘进效率的关键因素之一。一般盾构机最适合掘进抗压强度为30-150MPa的中软岩地层。刀具的费用部分地取决于岩石的强度。在较软岩石中，抗压强度是一种较可靠的衡量标准。但在中硬岩石中，岩石的抗压强度与实际可破性往往不成正比。这是由于某些中等抗压强度的岩石有弹性或韧性。在掘进过程中，它对掘进的阻力大于岩石抗压强度所表示的阻力。弹性表现为岩石的韧性，当刀具压入时，岩石变形而不碎成岩渣。在这类岩石中掘进，其困难程度大于抗压强度虽然大但其脆而易碎的岩石。世界各地都在研究，寻求能表示岩石可破性的可靠指标。但地层往往是复杂的，刀具的选择一定要考虑其复杂性。（2）岩石的耐磨性选择刀具还必须考虑的第二个因素是岩石的耐磨性。岩石的硬度和耐磨性越高，刀具消耗和施工成本就越高，造成停机换刀次数增加，影响掘进速度，在相对不耐磨的岩石中即使抗压强度很高，采用盘形滚刀或楔齿滚刀往往效果很好。反之在耐磨性大、抗压强度小的岩石中往往要用硬合金球齿滚刀，以免频繁换刀造成停工。（3）岩体的结构面发育程度岩体的结构面发育程度即岩体裂隙化程度与掘进效率有很大的关系。抗压强度、硬度、耐磨性相同或相近的岩体，若结构面发育程度不同，掘进机的掘进速度的差异明显。由于各种刀具的结构型式、破岩机理和破岩部位地质的不同,每一种刀具只能适应于一定的掘进地层。表3.1是美国瑞德公司推荐的几种刀具的使用范围。表3.1几种刀具的推荐使用范围分类抗压强度MPa典型岩石刀具型式软土层软岩＜30页岩粘土泥岩刮刀;齿刀;楔齿滚刀中软岩30--85石灰岩砂岩大理石火山岩凝灰岩盘形滚刀;楔齿滚刀中硬岩85—180白云石片麻岩花岗岩片岩长石硬质合金楔齿滚刀；盘形滚刀；盘形球齿滚刀表3.2各类刀具的主要破岩机理刀具类型刮刀球齿滚刀盘形滚刀主要破岩机理刮削☆剪切☆挤压☆☆研磨☆☆龟裂☆运动形式滑动滚动+微滑滚动刀齿形状刨刀状球面状楔状（4）复合地层刀具的选择对于地层条件不一致的复合地层，如沙卵石地层，土层、胶泥层以及岩石层等层叠分布的地层，施工和选择刀具都是有一定困难的，这时一定要综合考虑各种地质特性，选用部分既要能适合土层、胶泥层掘进的刮刀，也要选用一部分能对付岩石层的滚刀，并交错布置刀具，互相能够补偿，充分发挥其应有的潜能。在刀具制造时，也要采取相应的措施。如在刮刀制造时充分考虑其耐磨性，在刀具的结构形式上既要有利于刮削，也要有利于帮助滚刀清理岩渣和胶泥团的刮刀；在滚刀制造时，既要考虑破岩的需要，有足够的强度和硬度，又要考虑沙卵石地层对滚刀的磨损，在刀体外表面和刀座外表面堆焊耐磨材料或其它耐磨措施，防止过早磨损失效，同时还要控制滚刀的启动扭矩不要过大，以免滚刀在通过沙卵石层和土层时不能自转，产生弦磨破坏失效。三、盾构机刀具的结构特点与设计制造1刮刀的性能结构特点及设计制造1.1刮削类刀具特点刮削类刀具一般是通过相对滑动来切割软岩和土层的，它由刀体和刀刃和安装座两组成，安装座一般焊接在刀盘上。刮削刀一般用于软土层和胶结地层的开挖，有时在复合地层施工中也作为辅助刀具装在滚刀的后面使用。但此时的安装要低于