盾构刀具大解析

1北京铁城建设监理北京铁城建设监理有限责任公司2目录一、盾构刀具二、盾构开挖面的变形与破坏分析北京铁城建设监理有限责任公司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。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综述某刀盘实物照片北京铁城建设监理有限责任公司4北京铁城建设监理有限责任公司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5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地层的刀具。刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常重要的内容。刀具布置方式及刀具形状是否适合应用工程的地质条件,直接影响到盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。北京铁城建设监理有限责任公司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。北京铁城建设监理有限责任公司2盾构刀具的分类按运动方式分类按安装方式分类7北京铁城建设监理有限责任公司按安装位置分类1-8号中心齿刀8北京铁城建设监理有限责任公司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9北京铁城建设监理有限责任公司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北京铁城建设监理有限责任公司切削刀的实物照片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11北京铁城建设监理有限责任公司切削刀的实物照片k)牛角刀l)羊角刀m）三棱刮刀12北京铁城建设监理有限责任公司注：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%。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δb/MPa伸长率δz(%)硬度(HB)CMnSi(≦)S(≦)P(≦)A0.14-0.220.30-0.650.0350.0500.045F,b，Z375-40021-26180-220B0.12-0.200.30-0.650.045C0.180.30-0.650.0400.040ZD0.170.035TZ13北京铁城建设监理有限责任公司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)WC0CE190120087～904～85～6E289140085～895～105～6E388160083～877～125～6盾构刀具E487170082～868～135～6盾构刀具E586200078～859～175～6砂层刀具超硬钢的种类及特性14北京铁城建设监理有限责任公司海瑞克齿刀由刀体、端部硬质合金刀片和背部球齿构成。15北京铁城建设监理有限责任公司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。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。北京铁城建设监理有限责任公司一种铁基刀具刃口堆焊材料的化学成分和性能化学成分硬度（HRC）CCrNiSiMnMoFe0.1-0.35-101-310.5-20.5余量50-55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)。北京铁城建设监理有限责任公司4刀具的选择卵石层(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185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，β(前角)与α(后角)值随切削地层特性不同变化，取值范围在5～20度之间，粘土地层稍大，砂卵石地层稍小。北京铁城建设监理有限责任公司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。北京铁城建设监理有限责任公司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切削刀协同切削土体的示意图见左下图。北京铁城建设监理有限责任公司(2)超前刀(也称先行刀)超前刀21北京铁城建设监理有限责任公司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。北京铁城建设监理有限责任公司(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1.5m)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。北京铁城建设监理有限责任公司(4)鱼尾刀鱼尾刀示意图24北京铁城建设监理有限责任公司根据经验，鱼尾刀的设计和布置可应用两个技巧：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1.5m)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600mm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北京铁城建设监理有限责任公司(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80～130mm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北京铁城建设监理有限责任公司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200MPa岩石中应用的工程记录。(6)滚刀盘形滚刀圈盘形滚刀27北京铁城建设监理有限责任公司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。28北京铁城建设监理有限责任公司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1～10/15mm，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北京铁城建设监理有限责任公司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北京铁城建设监理有限责任公司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北京铁城建设监理有限责任公司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)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北京铁城建设监理有限责任公司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。根据国外资料统计在耐磨性小的岩石中，更换刀具时间占总停工时间的3%，而在高耐磨性岩石中有20%之多；以每掘进1米时间计算，耐磨性小的岩石为0.02~0.05hr/m，而高耐磨性岩石则可高达0.2hr/m。影响破岩效率的因素：33北京铁城建设监理有限责任公司(7)齿刀在岩石较软的情况下掘进时，由于盘形滚刀与岩石掌子面之间不能产生一定的附着力，将导致滚刀不能滚动而产生弦磨，滚刀不能滚动将失去有效的破岩功能。因此，在较软的岩层中应将部分盘形滚刀更换成齿刀，利用齿刀进行破岩。由于齿刀上装有2个切削刃，因此刀盘正反转时齿刀都能进行破岩。齿刀破岩机理图34刀具布置有两种方式：第一种为刀具整体连续排列方式，因其切削阻力较大，盾构机密封舱内土体流动性差，现已很少使用，仅偶尔在切削阻力小的淤泥质地层中采用；第二种为刀具牙型交错连续排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌而被广泛使用。目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。刀具选择与布置：盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。根据不同地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合，实现刀具配置的灵便性，提高刀盘的开挖效率。目