盾构刀盘刀具在在不同地层刀盘刀具应用

盾构及掘进技术国家重点实验室1李凤远盾构及掘进技术国家重点实验室2014年06月郑州盾构刀盘刀具管理与不同地层刀盘刀具应用中铁隧道集团有限公司盾构及掘进技术国家重点实验室2二、盾构刀盘刀具管理纲要一、盾构刀盘刀具概述二、盾构刀盘刀具及地质适应性三、盾构刀盘刀具管理四、盾构滚刀选型与损坏分析五、刀盘动态掘进实验试验分析六、盾构带压进仓技术盾构及掘进技术国家重点实验室一、盾构刀盘刀具概述3盾构及掘进技术国家重点实验室41、一般盾构刀盘分类按照掘进机纵向形状一般分类：目前使用的掘进机的刀盘形状,根据掘进机纵剖面的形状,可分为垂直平面型,锥型和弓型三类：垂直平面型刀盘掘进中是呈平面对掌子面进行作业开挖的,作业平面可使掌子面稳定。锥型刀盘即刀盘形状类似麻花钻,刀盘中心有一突出的钻头,此种形状可保持开挖方向性,提高开挖效率。弓型刀盘用于硬岩掘进机,适合砾石层和微风化岩层的开挖。盾构及掘进技术国家重点实验室51、一般盾构刀盘分类掘进机的刀盘根据前部面板形状分面板型和轮辐型两种。硬岩刀盘：面板型刀盘可防止过多德坍塌，有利于掌子面的稳定；软岩刀盘：轮辐型刀盘可减低刀具实际负载力矩，有利于渣土的流动，并可将土仓内土压有效传递到作业面。复合型刀盘：针对复合地层，刀具互，基本为面板式刀盘。盾构及掘进技术国家重点实验室6制造商海瑞克盾构机面板式刀盘盾构及掘进技术国家重点实验室7制造商NFM公司盾构机面板式刀盘盾构及掘进技术国家重点实验室8制造商维尔特TBM面板式刀盘盾构及掘进技术国家重点实验室9辐条式刀盘（日本小松、IHI）盾构及掘进技术国家重点实验室102、刀盘支撑的形式隧道掘进机刀盘支撑的形式一般有中心轴式，中间支撑方式，周边支撑方式等几种。1）中心轴式一般使用于小直径的盾构机；2）中间支撑方式一般实用于大中型直径的掘进机，此种方式一般采用双数横梁进行支撑，广州地铁二、三号线的德产“先锋号”盾构机就使用了这种支撑方式，此方式缺点是在软岩条件下，容易在横梁中间形成泥饼，影响刀具机械性能和掘进速度；3）周边支撑方式，刀盘由框架支撑，机内中间空间大，有利于大块岩石和障碍物的处理，此种国内所使用的掘进机基本少见。盾构及掘进技术国家重点实验室•刀盘支承方式有3种：1）中心支承式（适用于中小型直径盾构）2）中间支承式（适用于中大型直径盾构）3）周边支承式（适用于小型直径盾构）①中心支承方式②中间支承方式③周边支承方式盾构及掘进技术国家重点实验室123、刀具类型刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层的开挖，主要刀具按刀具结构分常见类型有：单刃滚刀，双刃滚刀、中心滚刀、齿刀、切刀、弧形刮刀和仿形刀。双刃中心刀用于硬岩掘进，在软土中可以换装齿刀。双刃滚刀用于硬岩掘进刀刃距刀盘面175mm，可换装齿刀。中心齿刀用于软土掘进，替换滚刀，更换后可以增加刀盘中心部分的开口率。盾构及掘进技术国家重点实验室133、刀具类型正齿刀用于软土掘进。切刀软土刀具。同时可用做硬岩掘进中的刮渣。弧形刮刀软岩刀具。同时在硬岩掘进下可用作刮渣。盾构及掘进技术国家重点实验室143、刀具类型仿形刀用于局部扩大隧道断面单刃滚刀用于硬岩掘进刀刃距刀盘面175mm，可换装齿刀。盾构及掘进技术国家重点实验室154、硬岩滚刀刀圈分类刀具的种类平头型刀具楔型刀具A楔型刀具B形状特征从新品到报废刀刃都保持一定的宽度。能用于多种岩石。适用于龟裂少的硬岩及混有卵石的岩层。使用初期切入性很好，但磨损较快。适用于石灰岩、泥岩等磨损较少的堆积岩等。盾构及掘进技术国家重点实验室164、硬岩滚刀刀圈分类盾构机滚刀具按刀圈外径规格一般分为12英寸，15.5英寸，17英寸，19英寸等系列，目前国内地铁盾构机所用刀具主要为17英寸，以下是四种系列刀具的特征参数。刀具尺寸（刀圈外径）12英寸（305mm）15.5英寸（394mm）17英寸（432mm）19英寸（483mm）刀具质量（kg）（正面刀）60~80125~170135~180180~210应用范围(断面直径）2~3m3~5m5m以上8m以上盾构及掘进技术国家重点实验室175、盾构刀具的受力机理1）滚刀滚压原理由于刀盘推力和驱动扭矩的存在，刀圈轴向受力挤压岩层，刀盘推力使刀具隧道轴向承受推力，只要达到岩石的强度极限，便可挤压破岩；同时刀具的驱动回转力矩使刀具滚动径向受力，从而克服来自掌子面的摩擦力矩。盾构及掘进技术国家重点实验室185、盾构刀具的受力机理2）软岩刀具破岩原理软岩的切削主要是刀具直接对土层进行剪切破坏来进行切削的。软土刀具切削机理示意图盾构及掘进技术国家重点实验室二、盾构刀盘刀具及地质适应性盾构及掘进技术国家重点实验室20（一）软土刀盘刀具地质适应性对于如上海地区、天津、西安、郑州等均一的软土地层，通常只使用刮刀类刀具就可以了。这类刀盘结构相对简单，通常称为辐条式刀盘。刀具也主要以软土切削型刀具为主，适用于未固结成岩的软土地层和某些全风化或强风化的软岩地层，一般破岩能力在单轴抗压强度20Mpa以下。盾构及掘进技术国家重点实验室特点：老黄土密实，水含量少；砂砾石粒径小（0.1～30mm），水含量少，粘性颗粒少。第二部分复合盾构施工技术西安老黄土、砂砾石地层：盾构及掘进技术国家重点实验室CRECNo.16盾构直径6280mm驱动类型FrequencyConverter驱动功率660Kw总推力37000KN最高日进度13.5mCRECNo.6盾构直径6280mm驱动类型Hydraulic驱动功率630Kw总推力37000KN最高日进度15m中国中铁6、16号与西安的黄土及砂层地质盾构及掘进技术国家重点实验室•地层以粒径0～20MM,20～40mm中粗砂、砂砾、圆砾石为主；•地下水水位在掘进断面以下1m左右.沈阳无水砂卵石地层：CRECNo.8盾构直径6280mm驱动类型Hydraulic驱动功率630Kw总推力34000KN最高日进度20.4m盾构及掘进技术国家重点实验室3号线10标地表点沉降示意图-60-40-20020400100200300400500600700800900水平距离/m累计沉降值/mm地表深降小于3mmCRECNo.1盾构直径6400mm驱动类型Hydraulic驱动功率630Kw总推力34000KN最高日进度21.6m中国中铁1号与天津的粉土、淤泥地质成功穿越价值50亿的瓷房子天津液化淤泥层：盾构及掘进技术国家重点实验室25（二）硬岩刀盘刀具地质适应性针对硬岩地层，刀盘选择一般滚刀破岩为主，一般对于铁路、公路、水利、引水大埋深隧道，通常均在基岩中掘进，刀盘也主要以面板式为主，采用中间支撑方式。开口率较小。目前刀具主要以17〞盘型滚刀为主，对于大直径的硬岩刀盘，刀具有向大直径发展的趋势。盾构及掘进技术国家重点实验室开挖直径刀间距中心刀正滚刀边滚刀扩挖刀刮板齿刀5930mm约65mm641315×612盾构及掘进技术国家重点实验室27（三）复合型刀盘刀具地质适应性由于我国地域广阔，各地方地层千差万别，就是同地区地层也呈现不均质的态势，单纯的软土刀盘刀具及硬岩刀盘刀具已经不能满足我国地下工程建设的需要。正是由此，复合型刀盘刀具随之产生。复合型刀盘特点主要体现两方面：一方面在刀盘结构强度刚度兼顾软土、硬岩，一般以面板式为主，结构形式复合。另一方面安装刀具复合，刀盘刀具安装设计兼顾软土剪切型刀具及硬岩滚压型刀具安装，根据盾构掘进地层情况，可以进行部分硬岩刀具安装、部分软土刀具安装及全软土刀具安装及全硬岩刀具安装。盾构及掘进技术国家重点实验室特点：圆砾石10～60mm占60%,还有少量大卵石，地层密实。地下水在底板以下。第二部分复合盾构施工技术北京圆砾石地层盾构及掘进技术国家重点实验室CRECNo.3盾构直径6280mm驱动类型frequencyConverter驱动功率660Kw总推力37000KN最高日进度21.6m盾构设计适应地质：大卵石地层；破岩设计思路：以排为主，排破结合；盾构特点：带式螺旋输送机，刀盘面板与辐条结合；大功率电驱。中国中铁3-5号盾构及掘进技术国家重点实验室广深港狮子洋隧道盾构及掘进技术国家重点实验室三、盾构刀盘刀具管理31盾构及掘进技术国家重点实验室321、刀盘刀具管理的主要意义刀盘刀具是隧道掘进机（TBM、盾构）的核心部件和掘进载体。1)、计划性实施刀盘刀具检查和更换，能及时了解、掌握和分析刀具使用状况，有效利用刀具和保护刀盘。2)、建立准确、详尽刀具台帐和完善刀盘刀具维护、修理工艺，能最大限度地降低刀具的使用成本。3)、掌握并熟练运用刀具检查、更换的方法，加强对刀盘的监控，能避免刀具非正常原因的大面积损坏，保证施工顺畅，降低施工风险。（一）盾构刀具管理的意义盾构及掘进技术国家重点实验室332、不重视刀盘刀具管理的后果（一）盾构刀具管理的意义刀具管理无计划；不良地层影响，要更加重视刀具管理：TBM受特殊的断层破碎带、富水地段等不良地质段影响等；刀具管理要充分考虑地面建（构）筑物的影响；不及时对刀具出现的磨损、损坏采取措施处理的，不但会降低掘进效率，还会导致刀盘出现不同程度的磨损，严重的会影响刀盘的主体结构，影响工程工期，造成工程风险，给施工造成很大影响。盾构及掘进技术国家重点实验室34设备风险：刀盘损坏施工风险：无计划换刀，地表塌陷盾构及掘进技术国家重点实验室案例一：（未计划的换刀造成后果）深圳地铁某盾构工程地质主要为全/强风化地层，在掘进过程中，前后三次遇到地质突变，一次为上软下硬的地质不均地段，两次为孤石侵入隧道洞身范围。掘进过程中，初期遇到地质突变未引起施工方足够的重视，待盾构机掘进遇到困难，无法推进时才想到开仓处理，此时刀盘已遭到严重的磨损。由于地质条件影响，停机位置已不具备开仓条件（在无地层加固的辅助措施下进行开仓作业将导致地表沉降不可控制），不得不先后两次停机一个月进行地层加固处理，后开仓维修刀盘、更换刀具。此工程因为刀盘需要检修而导致工期滞后达半年之久。盾构及掘进技术国家重点实验室其中第二次遇孤石损坏：(未提前祥勘处理造成后果)刀盘前方靠外部出现高强度高达156Mpa，最大外形尺寸达到2500mm（掘进方向长度）×2700mm（宽）×1800mm（高）不规则形状的孤石。刀盘面板14处被磨穿；滚刀遭到严重的弦磨和损坏，其中外围的滚刀刀体弦磨超过200mm；所有刮刀、外部切刀损坏。盾构及掘进技术国家重点实验室刀盘维修后掘进再次遇到孤石，因不具备开仓和从地面进行加固处理的条件，强行推进出洞。盾构及掘进技术国家重点实验室案例二：某TBM工程施工，边刀与刮板均接近磨损的极限需要更换时，未引起管理者的重视，不是选择仔细的跟踪检测或立即更换刀具，而是决定继续掘进待后处理，结果导致刀盘边缘结构遭到磨损，刮板座及边刀座因过度磨损无法继续使用而停机修复边缘刮倒座。盾构及掘进技术国家重点实验室案例三：软土掘进时，也应重视刀具管理。图示为某盾构工程因刀盘中心结泥饼而导致刀盘中心磨损。盾构及掘进技术国家重点实验室40目前国内使用的隧道掘进机类型主要有：适用于硬岩掘进的敞开式TBM、双护盾TBM以及适用于软土和复合地质的土压盾构机、泥水盾构机。（二）隧道掘进机类型及刀具管理的差异盾构及掘进技术国家重点实验室41由于TBM与盾构机在工作环境和方式上存在一些差异，在刀具管理方面存在不同点。1、TBM工程一般施工距离相对较长，基本均具有停机检查刀具的条件（特殊的断层破碎带、富水地段等除外），易建立定期检查刀盘刀具的制度。由于TBM施工的岩层相对较硬，刀具成本在工程成本中占很大比例，单位距离对刀具的磨损大，关注并加强刀具管理工作，非常重要。刀具管理机型的差异盾构及掘进技术国家重点实验室422、盾构工程一般施工距离相对较短，且受地面建筑物及地质条件的影响，很难做好刀具定期检查工作，对其管理的难度相对更大。盾构工程地质条件不同，其刀具消耗及关注程度和方式也不同。刀具机型差异盾构及掘进技术国家重点实验室43(1)软土：南京、上海、杭州等华东地区，其地质条件主要以淤泥、粘土及粉质粘土为主，刀具类型以切刀为主，在整个隧洞掘进过