盾构刀盘改造实例分析（共8篇）
盾构刀盘改造实例分析 篇1
盾构施工技术是隧道施工重要方法之一，越来越多的行业和领域采用盾构施工工艺。北京海淀500kV电力隧道Ⅲ标段工程，是北京市为缓解主城城市供电压力修建的超高压电力电缆隧道，采用中铁3号盾构施工。原中铁3号盾构在北京地铁10号线12标段，完成公主坟-西钓鱼台区间左线2.2km掘进任务。
1 中铁3号盾构原刀盘刀具介绍
中铁3号盾构原刀盘设计为满足北京地铁10线12标段公主坟-西钓鱼台盾构区间，刀盘采用面板式结构，配置中心鱼尾刀、17''寸滚刀、切刀、边刮刀、撕裂刀。具体结构如图1所示，相关参数见表1。
2 工程地质情况对比分析
2.1 公主坟-西钓鱼台区间工程地质情况
公主坟-西钓鱼台盾构区间穿越地层主要是卵石圆砾层、卵石层、砾岩层，以卵石 (7) 层(成分主要为石英砂岩、辉绿岩、安山岩、硅质白云岩，圆砾、中粗砂充填)为主，卵石圆砾、卵石层密实，其中60%的粒径为20～80mm，其间存在最大粒径不小于650mm的坚硬漂石(图2)。
赋存2层地下水，地下水类型为潜水和层间潜水，水位埋深为11.47～28.0m，透水性很好，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流方式排泄。
2.2 海淀500kV电力隧道工程地质情况
电力区间隧道覆土6～11m，主要穿越土层为细砂层、卵石层、碎石混粘土层，以卵石 (4) 层(成分以石英岩、灰岩为主，夹粘性土薄层)为主，其中70%粒径为20～40mm，个别粒径达300mm(图3)。始发后前150m范围内区间主要以黏土层为主，然后渐变至以卵石 (4) 层为主。区间无地下水出露。
2.3 对比分析
根据地层特点分析，两种地层对刀盘刀具的要求有共同点和不同点，具体如下。
1)相同点两工程区间均要求刀具有足够强度，刀盘能够提供满足掘进需要的刀盘扭矩，面板表面层有高强耐磨性，刀盘能够提供满足土仓碴土改良需要的膨润土、泡沫喷口及土仓碴土的搅拌能力。另外，要求刀具能够满足卵石层开挖掘进需求，具有足够的强度、刚度、耐磨性，抗卵石冲击能力，刀具合金含量要求高。
2)不同点公主坟-西钓鱼台盾构区间刀盘开口率为34%，刀具分层次配置，刀具高差20mm, 配置，破卵石层以滚刀为主;海淀500k V电力隧道区间有更大的刀盘开口率(≥43%)，更优的碴土改良系统，刀具具有防止结泥饼功能，较大的刀具高差，对卵石层以撕裂刀撕裂剥离掌子面。
3 中铁3号盾构刀盘、刀具改造要求
中铁3号盾构完成北京地铁10号线12标公主坟-西钓鱼台盾构区间左线2.2km任务后，刀盘刀具的出洞后情况如图4所示。
根据海淀500kV电力隧道地层特点，对中铁3号盾构刀盘刀具的适应性要求，确定了新刀盘在原刀盘的基础上进行改造，刀盘结构形式不变，合理增大刀盘开口率，提高面板、刀盘大圆环耐磨性。把滚刀换成重型撕裂刀，提高刀具的强度、韧性，及高差，增加保护刀具。
3.1 刀盘修复改造
1) 刀盘修复针对砂卵石层特点，在原刀盘面板上堆焊耐磨材料[1]，利用二氧化碳保护焊机、耐磨焊丝堆焊成网格状，原刀盘面板磨损部分利用同材质钢板，进行焊接修复，保证修复面与原刀盘面板高度一致，修复面上然后堆焊耐磨层;刀盘面板上的刀架、刀座进行焊接修复，修复按照原设计标准及要求进行。
2)刀盘改造对于海淀500kV电力隧道工程，中铁3号盾构刀盘需增大刀盘开口率，通过割除原刀盘面板6块“V”型限开口面板，开口率>43%，刀盘外圈梁40cm范围内加密耐磨网格，提高至2倍。刀盘大圆环增大耐磨性，通过在刀盘大圆环上补焊长30cm、厚2cm的硬质hardox400耐磨钢板块，然后在大圆钢板块上堆焊耐磨网格如图5所示，外圈梁与切口环相对的端面焊接旧的撕裂刀，焊接旧的撕裂刀不少于12处[2]。
3.2 刀具改造
对刀具进行全面更换，结合工程地质特点，刀具采用3层复合设计，强化先行刀高低差间隔配置，高刀与低刀之间高差25mm，低刀与切刀、刮刀之间高差25mm，原滚刀全部换成可更换撕裂刀如图6所示，中心滚刀更换为可更换中心鱼尾刀如图7所示，刀体采用高级优质合金结构钢，迎土面刀座上堆焊耐磨材料，提高刀座耐磨性能，避免刀具脱落。
4 实际应用情况
中铁3号盾构刀盘刀具经修复和改造后，改造刀盘如图8所示，经实际施工掘进检验，刀盘扭矩、刀具使用寿命、碴土改良、出碴效率等在卵石地层均取得了良好的实用效果, 月进度达500～650m。
5 总结与讨论
通过原使用刀盘改造，降低了工程成本费用，为项目施工创造了可观效益。改造的刀盘刀具不仅对工程地质更有针对性，在机械成本费用上比新加工刀盘可节约60多万元，节约设备加工制造工期，取得了多方面的效益。
中铁3号盾构不仅在刀盘刀具方面进行了更新和改造，同时针对项目工程地质特点，对多个系统进行更有利的改造，如泡沫系统改成单管单泵技术、膨润土注入系统改造、螺旋出土器尾部出碴改为下部出碴等，均取得了良好的使用效果。
参考文献
[1]蒙先君.复合式土压平衡盾构刀盘常见故障 (损坏) 原因分析及解决措施[J].隧道建设, 2004, 24 (02) :61-66.
[2]陈馈, 洪开荣, 吴学松.盾构施工技术[M].人民交通出版社, 2009.
分体式盾构机刀盘的加工 篇2
进入新世纪以来，随着经济的发展，许多大城市加快了地铁建设的步伐，国内出现了一大批生产制造盾构机的厂家，盾构市场的竞争越发激烈，盾构机的生产制造质量和生产周期将成为我们占领国内及国际市场的有力武器，本文简单描述了我公司为新加坡项目生产的分体式刀盘加工的工艺方法.
一、刀盘的总体要求及组成
该刀盘由四部分组成，分为刀盘体01、刀盘体02、刀盘体03及刀盘连接法兰，各部刀盘体最终所形成的刀盘整体需要经过多道工序及多工种穿插协作完成，刀盘的加工精度要求非常高，刀盘幅板毛坯面的平面度要求达到4mm以内，各刀盒的半径全部符合图纸要求的公差2mm以及刀盘中心与刀盘法兰中心同心的要求。这对我们加工制造的要求难度非常大，针对这些严格的制造要求，我们采取了整体检测分步加工的方法，以确保图纸要求的精度。
二、刀盘体的单瓣加工
以刀盘体01为例，首先将刀盘的幅板面朝上，水平擺放到平台上，并用水准仪及千斤顶将工件按上端毛坯面调整好水平，调整水平所用的测量位置需在焊接件形成后做好标记，以保证工件在加工时的状态与焊接件的状态保持一致，达到平面度3mm以内，此步调整结束后再检查刀盘上各刀盒孔的半径尺寸，并根据半径尺寸确定法兰的加工量，加工量确定后需在刀盘上端面划出加工线及十字中心线，并在刀盘体外侧划出水平找正线，供机床加工时调整水平及垂直。刀盘体01的加工，需将刀盘体01上端幅板面朝上，首先根据已划的加工找正线调整好工件的水平垂直，根据之前划好的加工线将把合法兰的加工面加工到图纸要求的尺寸，法兰上的把合光孔需根据数控编程的程序加工达图，以法兰上端面为加工基准。
由于刀盘体03的结构基本与刀盘体01相似，加工方法同刀盘体01.刀盘体02的加工，刀盘体02是连接刀盘体01与刀盘体03的中间幅条，起到连接过渡的作用，刀盘体02加工的精度直接影响整体的平面度及刀盒的半径尺寸，所以在加工此件时需要提高重视，尤其是把合面上的螺纹孔，我们采用整体组对，用水准仪整体调整刀盘平面度的方法，并将三瓣刀盘体用临时焊块连接成一体，在把合螺纹孔及销孔加工前先将把合螺纹孔及销孔的位置确定下来，并在刀盘体上打好标记，方便正式把合时作为参考基准，这样既可以满足刀盘体平面度不大于4mm又可以满足刀盒半径尺寸达图纸要求。确定刀盘体02把合螺纹孔的位置后，根据标记位置加工出图纸要求的螺纹孔及销孔。
三、刀盘体的组对
三瓣刀盘均加工后，按照标记位置将各瓣刀盘把合成整体，用水准仪检测刀盘上端面的平面度，在平面度达到要求后方可将把合螺栓及定位销按图纸要把合牢固。为确保各瓣在吊运及翻转过程中不会变形，需在合适的连接位置处增加临时焊块。
刀盘体的加工，刀盘体幅板背面朝上，根据图纸的要求加工图纸所示位置的加工面和把合孔以及与刀盘法兰相配合的把合面，在此道工序一并加工达图，唯有四个把合面上螺纹步需要加工，原因是考虑到刀盘体与法兰把合后需保证刀盘法兰与刀盘整体的同心问题。
四、刀盘法兰的加工
刀盘法兰的加工，刀盘法兰的结构相对简单，但仍需考虑到与刀盘体的整体性，首先加工与刀盘体把合的四个把合面，考虑到焊接件的变形尺寸，我们根据每个把合面的均匀性来确定把合孔的位置，然后进行加工把合孔。
五、刀盘整体组对及加工
刀盘体与刀盘法兰的组对，准备工作：为确保刀盘体与刀盘法兰的同心性，首先在刀盘幅板面的中心标记处钻出φ2的小孔，做为刀盘翻个组对时的中心。将刀盘幅板面朝下水平朝上，按已加工的把合面调整好水平，然后将刀盘法兰与刀盘本体组对，利用垂线法保证刀盘法兰的中心与刀盘体的中心重合，调整合适后利用刀盘法兰上的把合光孔标记出刀盘体上的把合螺纹孔位置。将两件拆开，按标记位置钻铰刀盘上的把合孔，把合孔加工后将刀盘体与刀盘法兰把合到一起。这样刀盘的总体结构初步形成了，最后根据图纸要求整体加工刀盘法兰及法兰上的各把合孔，结束全部的刀盘加工，保证了刀盘的平面度和刀盒半径尺寸以及法兰与刀盘体的同心度要求。
盾构刀盘改造实例分析 篇3
苏州地铁2号线II-TS-05标是苏州轨道交通2号线的重难点工程。由于盾构穿越洞门处连续墙 (采用玻璃纤维筋施工) , 现有的资料及相关经验显示, 玻璃纤维筋的抗剪强度≥150MPa, 抗拉强度≥600MPa, 弹性模量≥45GPa, 混凝土强度等级C30。因其强度高, 盾构刀盘原有设计无法满足通过连续墙要求, 为确保安全顺利地施工需对刀盘进行改造。
2 刀盘改造方案
刀盘原配置有中心刀1把, 仿形刀2把, 主切刀120把, 小先行刀12把, 保径刀4把。综合了现场地连墙混凝土取芯的强度检测结果和原有刀盘结构资料, 提出的改造方案是在原有刀盘的基础上加装40把切削先行刀、53把贝壳刀、中心刀重新设计更换, 刀盘的动力装置不做改变。刀盘改造前后对比示意见图1。本方案刀盘的刀具设计布局, 考虑了全断面破地下连续、地下连续墙等地段掘进时对切刀和刮刀的保护, 采用的贝壳刀和切削先行刀安装后高出原有主切刀20～35mm而达到保护目的。
3 盾构刀盘改造工艺及要求
3.1 施工工艺流程
盾构刀盘改造施工流程见图2。
3.2 盾构刀盘改造前准备工作
3.2.1 场地要求
为了满足刀盘改造的要求, 整个刀盘改造现场的长不小于20m, 宽不小于15m, 为了保证施工不受影响, 场地周围应设铁丝网隔离, 并按照规范布置灭火设备。
3.2.2 人员、设备、材料要求
整个刀盘改造过程需要的人员、设备、材料见表1。
3.3 刀盘刀具焊接
3.3.1 刀具焊接位置的确定
加装刀具的坐标位置见图3, 取刀盘回转轴中心为坐标系的中心原点;按照设计图的坐标现场测定标记, 标记误差不得超过5mm。刀具焊接时标记坐标点对应刀具焊接面的中心位置。
3.3.2 刀具的焊接
1) 焊接方法采用CO2气体保护焊。其具有热输入低可控制裂纹的产生。
2) 焊接设备采用KR-500CO2/MAG型焊机。
3) 焊接材料选择Ф1.2mm的ER50-6焊丝, CO2气体纯度>99.5%。
4) 焊前准备:严格清扫焊接坡口周围50mm范围内的油污、铁锈和油漆等。并用砂轮机对焊缝两侧50～100mm的范围进行打磨。
5) 工艺措施: (1) 焊前采用氧气乙炔预热, 预热温度100～200℃, 目的是减少温差, 降低焊接应力, 防止产生裂纹; (2) 采用小热输入多层多道焊接工艺时要求焊枪直线运动, 控制每道焊缝的尺寸, 每道焊缝厚度小于5mm; (3) 每道焊接完成后要及时清除焊接面药皮; (4) 焊接前, 焊接中和焊接后都要保持焊接部位温度与焊接件预热温度一致, 焊接后及时使用氧气乙炔对焊缝周围进行加热, 加热温度200～250℃, 并用石棉瓦覆盖缓慢冷却。
3.3.3 刀具焊接质量的检查
焊接完成后对所有焊接刀具的全部焊缝逐一进行着色探伤, 要求达到JBT-6061-1992《焊缝磁粉检验方法和缺陷磁痕的分级》2级标准, 对探伤存在问题的焊接部分要求进行补焊或者重新焊接。
3.3.4 盾构的组装调试和试推进
全部刀具焊接完成并检验合格后, 使用吊车配合将刀盘安装回主机, 刀盘螺栓的紧固必须按照厂家技术手册规定的扭矩值进行。组装完成后, 全面检查刀盘外观, 是否有变形部分, 之后开启刀盘空载正反转观察。以上各项检查完毕后开始试推进, 掘进施工中的刀具管理的是很重要的一个内容, 如果施工中刀具管理不到位会直接增加换刀次数, 影响施工进度, 严重时会对刀盘造成破坏。刀具管理主要包括以下几个方面:
1) 控制油缸推力在一定范围内。如果推力太大则会使刀圈受力过大, 导致刀圈断裂, 如果太小, 作用在刀圈上的摩擦力小, 导致刀具不能转动, 产生偏磨。
2) 控制刀盘的转速。在地下连续中掘进时如果刀盘转速过大, 则会使刀盘在经过破地下连续交界面使刀具受到冲击力过大, 造成刀具损坏。
3) 控制掘进速度。如果速度过快, 则刀具贯入量过大, 会导致刀具过度的磨损。
4) 注入足够的泡沫剂。在施工中泡沫剂除了改良碴土的作用之外, 还能够在掌子面上形成泥膜, 对刀具起到保护作用。
盾构应缓慢推进接触掌子面, 严密监视刀盘扭矩和盾构推力的变化情况, 如有超负载时应立即停止。
4 盾构刀盘改造效果及总结
按照此次方案实施刀盘改造后, 盾构目前已2次顺利通过了1 200mm的地下连续墙, 完成了天筑路站—金民东路站左右线区间的盾构施工, 改造后已累计掘进1.3km, 各项工作参数均在原设计范围内。刀盘改造后刀具的增加并没有对盾构推进时的刀盘扭矩和推进阻力产生较大影响, 同等地质下扭矩的增大量在10%以下, 推力变化只增加了约5%。以上结果证明了此次改造方案是合理的, 基本满足了现场施工对刀盘的要求。本次改造方案实施过程中有以下几点是特别值得重视的。
1) 刀盘焊接时一定要保持均匀的速度进行, 不能盲目求快, 现场工程师必须对焊接过程进行全程监控。
2) 进场的每把刀具都应做过耐压测试并出具检测证明, 保证刀具的质量。
3) 刀具焊接完成后必须对所有刀具逐一进行探伤检测。
4) 专职焊工进场作业前必须进行专项技术指导和交底。
参考文献
[1]邱友胜, 邓明龙, 李莉, 等.成都地铁盾构刀盘刀箱焊接工艺[J].研究与应用, 2011, (04) :51-52.
盾构刀盘掘进数值模拟分析 篇4
为了保证刀盘安全性, 须对刀盘强度进行强度计算分析, 但是传统计算分析大多是通过力学计算模型进行计算, 随着计算机技术的发展, 计算机模拟分析逐步替代了传统的计算方式, 虽然也有很多专家学者使用计算机对刀盘受力状况进行了模拟, 如采用计算机模拟了刀盘与岩石相互作用, 分析刀盘与岩石刚度对刀盘参数的影响、对刀盘在静态环境下应力有限元分析、刀盘运动数字仿真, 采用有限分析方法对刀盘进行有限元设计等, 但是这些研究主特点是把刀盘刀具考虑为静态情况进行单一受力分析, 与盾构实际掘进工况相差较远, 远远不能够科学合理的设计盾构刀盘。
以某项盾构现场掘进参数及基础, 结合现有有限元分析在刀盘刀具分析方面的应用状况, 采用Ansys Workbench完成盾构刀盘准动态掘进分析。通过研究刀盘在不同地质条件下的应力应变情况, 为盾构刀盘设计和现盾构掘进参数控制提供指导。
1 工况背景
某项目盾构直径6 280mm, 刀盘表面和开口部位焊接有耐磨层, 外圈焊接有耐磨板。为适应粘土地层, 防止中心部位粘结泥饼, 刀盘开口率为35%, 刀盘开口部分设计为便于流动的楔形结构, 开口逐渐变大, 利于碴土流动。在刀盘背面的支撑臂和搅拌臂将注入的泥水和开挖碴土在刀盘后面进行充分搅拌。刀盘通过法兰安装在主轴承的内齿圈上, 通过液压马达驱动。刀盘设计为双向旋转, 其转速可无级调节, 转速范围为1~6r/min。为了适应本隧洞工程的地质, 在刀盘上安装了不同形式的刀具, 共有15把17寸单刃边滚刀, 16把17寸单刃正滚刀、4把17寸双刃滚刀和64把切刀。
针对项目特点, 选取地层结构较为复杂地段进行分析。该段地层包含人工填土、淤泥、砂质粘性土, 砾质粘性土、粉砂、混合岩、花岗岩等各种岩土层, 为典型的软硬不均地层.在盾构掘进过程中不但会对刀盘造成受力不均, 而且会对刀盘造成一定冲击, 并且容易造成地表沉降, 地层立面剖视图如图1所示。
盾构施工过程中, 推力与扭矩的控制随着地层变换而变化, 粘土、填土等地层由于土体抗压强度较小, 较小的推力便能产生较大贯入度, 但是土体的阻力, 刀盘驱动扭矩会比较大。在硬岩地层, 由于岩石抗压强度较高, 需要较大推力方能破岩, 并且刀具贯入度较小, 因此刀盘驱动扭矩较小。图1所示地层中50环管片对应的盾构推力、扭矩如图2、图3所示。
2 分析思路
盾构刀具掘进数字化分析总体分为验证性分析和探索性分析。验证性分析主要针对已知的掘进数据进行分析验证, 如图4所示, 通过设置地层边界条件和盾构边界条件, 对刀盘和地层进行有限元分析, 如果刀盘的应力应变、震动频率没有超出设计值且地层没有出现过大沉降、隆起等, 认为掘进参数可以使用。探索性分析为只设置地层边界条件、盾构边界条件、盾构初始掘进参数和最大施工风险条件。通过掘进分析判断, 如果施工参数没有达到施工风险点, 则系统自动修正掘进参数, 直至达到施工临界风险点, 即通过有限元系统自动计算出最佳施工参数。本文主要针对验证性分析进行研究。
盾构刀盘掘进过程验证性受力分析主要包含刀盘震动模态分析和不同地层条件下刀盘应变分析。根据项目盾构刀盘参数, 以Ansys Workbench为平台, 完成刀盘刀具整体震动特性分析。根据岩土物理性能试验, 获取地层岩土物理性能参数, 结合项目刀盘刀具参数和掘进参数完成盾构刀盘掘进分析, 获取刀盘应力应变数据 (图5) 。
3 盾构刀盘有限元分析
盾构刀盘有限元分析主要以项目施工数据为基础, 以Ansys Workbench为平台, 采用准静态方法完成盾构刀盘在不同地层掘进过程中应力应变分析, 获取盾构刀盘应力应变数据。
通过有线元分析, 获取刀盘最大等效应力和变形。应力表示有很多种方法, 有限元的最大应力是根据材料力学第四强度理论, 采用mises等效应力表示, 变形量采用等效变形表示。在50环掘进过程中, 刀盘等最大效应力变化曲线与应力云图如图6所示, 在掘进过程中最大等效应力为281.54MPa;最大变形量变化曲线如图7所示, 掘进过程最大等效应变为其中最大变形为3.3796mm。
由有线元分析结果可知, 在该段地层掘进过程中, 盾构刀盘最大应力和变形没有超出设计值, 满足盾构安全性能需求, 由此也证明了在该段地层此盾构掘进参数比较合理, 在类似地质工程中可使用此掘进参数, 既能保证盾构安全掘进, 又能发挥盾构最大效率, 实现快速掘进。
4 工程应用
完成盾构刀盘应力应变分析后, 采用获得的应力应变变化情况与刀盘设计相关技术标准进行对比, 进而完成对刀盘优化设计并确定刀盘在掘进过程中合理的推力与扭矩。通过对刀盘进行动态掘进有限元分析, 从理论分析角度确定了在盾构施工中刀盘掘进控制参数, 为盾构实际施工参数控制提供指导, 保证盾构安全高效掘进。
5 小结与展望
通过对刀盘准动态应力应变分析, 得到刀盘在不同地层条件下应力应变分布情况, 为盾构刀盘设计和现场施工过程对刀盘转速控制提供了数据基础。但是, 本文只是研究了在不同地质条件下刀盘受力状态, 缺少掌子面受力分布研究, 因此, 还需针对岩机动态耦合过程分析, 不但获取刀盘最优设计参数, 掌握刀盘应力应变分布情况, 还要获得在掘进过程中刀盘掘进控制参数, 获取在盾构扰动条件下地层沉降参数, 保证盾构安全、高效施工。O
参考文献
[1]宋克志.盘形滚刀与岩石相互作用研究综述[J].铁道工程学报, 2005, (6) :72-75.
[2]张照煌.盘形滚刀与岩石相互作用理论研究现状及分析 (一) [J].工程机械, 2009, (9) :25-28.
复合地层下盾构刀盘的扭矩分析 篇5
关键词：复合地层,刀盘,扭矩计算
0 引言
在隧道开挖过程当中, 盾构会遭遇各类不同地质情况, 从淤泥、黏土、砂层、砾石到软岩及硬岩等[1]。而刀盘扭矩作为盾构开挖过程中的一个重要参数, 其大小直接影响隧道挖掘工程的进度和完工质量。若选择了过大或过小的盾构刀盘扭矩, 以及与实际地况不符的掘进方法, 将严重降低盾构机的掘进效率, 增加施工成本。
1 地质情况分析
一般情况下, 可以采用数值分析的方法, 按照盾构外径来预估刀盘扭矩T (kNm) :
其中:a为比例因子, 泥水式盾构a=9~15, 土压式盾构a=14~23, 机械式盾构a=8~14, 考虑到复合盾构可能出现的卡死工况此处取a≥22[2];D为刀盘的外径, m。
式 (1) 对刀盘扭矩的核算只能做参考, 在实际地况中, 不能够有效地反映刀盘不同部位对刀盘搅拌扭矩所产生的影响, 因为它忽略了刀盘开口率、盾构机与地层间的相互关系、埋深盾构机施工地层的地质特性、刀盘转速以及盾构机的推进速度等因素的影响。
由于刀盘上承受着来自地层多方位的挤压, 因此, 随着刀盘的掘进, 盾构机在掘削地层中旋转前进过程中, 地层会对刀盘产生一定的阻力, 这也造成了不同的摩擦力矩。在复合地层中, 我们将盾构机设计扭矩分为3个部分, 其构成可归纳如下[3]:
其中:T1为地层对刀盘正面的摩擦力矩;T2为地层对刀盘侧面的摩擦力矩;T3为刀盘掘进土体时的抗力扭矩。
2 复合地层刀盘扭矩的计算
2.1 地层与刀盘正面的摩擦力矩
如图1所示, 土体将地层1和地层2划分为上、下区域。为了精确计算刀盘正面与土体的摩擦阻力矩, 本文将刀盘与土体的接触摩擦阻力分为3个部分:刀盘A部分与地层的摩擦阻力矩、刀盘B部分与地层的摩擦力矩和刀盘C部分与地层的摩擦力矩。参考文献[4]给出了这3部分力矩的计算方法。
(1) C部分与地层摩擦力矩T11由下式计算:
其中:μ为土与钢的摩擦因数;K为侧向土压力系数;γ2为开挖仓内地层2土体的容重, kN/m3;η为刀盘的开口率;H为刀盘上部距地表的距离, m;r为刀盘上一点到刀盘中心的距离;α为刀盘上一点与水平面的夹角;α0为刀盘B部分右侧边线与水平面的夹角。
(2) 刀盘B部分与地层的摩擦力矩为T12:
(3) 刀盘A部分与地层的摩擦阻力矩T13为:
其中:γ1为开挖仓内地层1土体的容重, kN/m3。
根据式 (3) ~式 (5) 求得3个力矩之后, 可得到复合地层中刀盘正面与地层的摩擦力矩:
2.2 刀盘侧面与地层的摩擦力矩
复合地层下的刀盘与土体的摩擦力为:
其中:μi为区域i的地层与刀盘的摩擦因数;FNi为区域i的地层作用在刀盘径向的作用力, kN;为刀片与土体接触面的平均摩擦因数;W为刀盘重量, kN。
摩擦阻力与刀盘中心的距离, 故可得刀盘侧面与地层的摩擦力矩:
2.3 刀盘掘削土体时的抗力扭矩
软土地质情况下, 土体的抗力扭矩为刀盘切削土体时土体的抗力扭矩。在复合地质情况下, 因为刀盘装配了盘型滚刀, 复合刀盘切削土体时的抗力扭矩T3应由两部分构成, 即:
其中:T31为刀盘掘进土体产生的土体抗力扭矩;T32为滚刀掘进土体造成的抗力扭矩。
图2为滚刀破岩力示意图。滚刀掘进土体造成的土体抗力扭矩可照下式进行计算:
其中:n1为刀头数;Rd为滚刀的轴向半径, m, 通常取;Fr为盘形滚刀的平均滚动力, kN。
滚动力Fr按H.P.Sanio和Ewendt的方法计算, 公式如下:
其中:Fn为滚刀的轴向力, kN;p为贯入率, mm/锤击次;d为刀盘平均回转直径, mm。
滚刀的轴向力由下式计算:
其中:Is50为岩层的平均载荷, kN/mm2;s为刀头间隔距离, mm;ε为切线夹角, (°) 。
3 结语
(1) 复合地层中往往包含多种地质条件, 对盾构机械的磨损较为严重, 尤其在地层的软硬交界部, 一旦掘进力过载, 易使刀盘因为扭矩过载产生磨损或变形。因此, 必须在对施工中所遇到的各种地质条件进行合理研究的前提下设计刀盘结构, 使刀盘结构及配置适应各种地质环境。
(2) 刀盘在软土层中旋进时, 以切刀或刮刀结合使用的软性岩石刀具结构为主;在硬岩层中旋进时, 对刀片的硬度刚度要求较为苛刻, 因此, 在选择刀具组合时, 须选择滚刀为主的硬岩刀具结构来进行挖掘。
(3) 在计算扭矩时, 通过对盾构刀盘工作原理的分析, 考虑各种可能因素对刀盘掘进性能的影响后, 确定刀盘扭矩的构成, 并运用数学公式及力学原理求解出刀盘扭矩各分量的计算方法, 使得刀盘的扭矩计算更加符合实际地况, 以设计出强度能满足各种地层要求的刀盘, 在施工过程中有效地降低掘进风险。
参考文献
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盾构刀盘改造实例分析 篇6
1 刀盘结构
工程始发掘进的800m左右为软土地层,之后逐渐进入岩石地层。为满足工程地质条件的要求,刀盘结构由8块辐条和相应的幅板所组成,分块数量3块。刀盘结构和驱动装置之间的连接通过8 个梁来连接,这8 个梁位于刀盘面板横梁和用螺栓连接于驱动部分的重型环圈之间。横梁将刀盘面板部分连接至辐条。刀盘将采用合格的S355J2G3 / Q345B/16MnR 材料制作。刀盘正面同时安装有双层刮刀和滚刀。在始发初期软土地层施工时,刀盘上安装的双层刮刀参与掘进工作;当掘进至岩石地段时,滚刀继续掘进,滚刀高出第一层刮刀30 mm,以便适应岩石地层。刀盘的中心部分由中心刀做成半个小锥体,有较大的开口,便于泥渣进入开挖室内。所有的刀具以及滚刀都能从刀盘后部进行拆卸和更换。提供有起吊机具便于换刀的操作。刀盘上还安装有仿形刀和泥浆喷嘴等装备,以及所有必需的管道和刀具磨损检测装置的管路。
在刀盘每条不同半径的切削轨迹上安装2～16把双层特殊刮刀,每个轨迹间距离100～120 mm,刮刀宽度为120 mm,因此刮刀能够切削到整个开挖面。在刀盘切削轨迹上最多有32把刮刀在切削地层,其中正反转2个转动方向上各有16把,大大延长了刀具的使用寿命。刮刀的刀齿为双层碳钨合金刀齿,硬度高、耐磨性强。
2 寿命分析
T=K×λ×10-3,
λ=2π×R×L/(10×Pe),
Pe=V/N.
式中:T为刀具的磨损量,mm;K为刀具硬质刀片磨损系数,mm/1 000 km;λ为刀具运转距离,km;R为最外周刀具的安装半径,m;L为掘进距离,m;Pe为刀具的切深,Pe=V/N,m/rev。
刀具的磨损系数如表1所示。
系数选取原则:
磨损系数值在冲积层取中央値以下,洪积层取中央值以上;
砂砾的场合如砾率、砂砾强度大等取磨损系数大值;
通常N值为0～20,磨损系数取中央值以下,20～50以上取中央值以上;
硬质刀片材料一般使用E-5,且长距离掘进时使用;
E-3材料可以适用砾径Φ 300 mm以下。
3 磨损类型
3.1 刀具磨损主要形式
3.1.1 滚刀磨损
1)正常磨损。
刀具的破岩效率与滚刀的刃口宽度有关,随着刀圈磨损量的增加,刃口的宽度增加到一定范围时会影响掘进速度,甚至不能再掘进。滚刀的正常磨损是指刀圈刃口宽度超过规定值的均匀磨损,是刀具失效的主要形式,如图1所示。
2)平刀圈。
平刀圈也称弦磨,是由于土体太软,滚刀不能转动或因刀具的轴承损坏而引起的。因滚刀不能在隧道开挖面上滚刀,使刀圈呈现单侧磨损。如果没及时发现,不但会加速这把刀的磨损,而且会造成相邻滚刀过载失效,从而迅速向外扩展,直到整个刀盘上的刀具全部失效,如图2所示。
3)刀圈碎裂。
刀圈表面掉落整块的碎片,而整个刀圈没有断裂,称为“刀圈碎裂”,也称“刀圈剥落”。刀圈碎裂是由于刀圈表面产生疲劳裂纹,逐步扩展导致微观断裂,因磨损而剥落。如果剥落块小,一般不影响刀具的正常运转,如图3所示。
4)旋转刮刀磨损。
由图4所示,旋转刮刀已经遭到严重磨损,由于当前掘进速度低,且掘进状态不稳定,若继续掘进,刀盘会有因受力不均而产生更严重的磨损和扭曲变形的风险。
3.1.2 刀具边刮刀磨损
由图5判断,刀盘外周刀已遭到严重破坏,继续掘进会使刀盘中心刀具及正面面板受损,进而损坏刀盘的主体结构。
3.2 刀具发生磨损原因
1)由于地质发生了变化,从软岩地层进入上软下硬地层,可能出现孤石或有局部硬岩侵入隧道洞身范围,造成盾构在掘进时扭矩发生变化;
2)滚刀、刮刀出现磨损、脱落、崩裂等,特别是刀盘外周的刀具磨损(损坏)严重,刀具无法破岩,造成掘进速度低;
3)弧形刮刀与切刀已开始径向压力,部分刮刀可能已脱落,弧形边刮刀出现严重磨损,承压在刀盘下面或边缘与切口环之间,刀盘的异响可能为脱落的刮刀或滚刀刀圈与切口环干摩擦引起。
3.3 减小刀具磨耗提高使用寿命建议
1)使用硬度大、抗剪性好的超硬钢材制作刀刃,在切削砂土时,可沿刀具向后流动所经过的刀具表面实施硬化堆焊,以便提高刀具自身的耐磨性。
2)考虑采用长短刀具并用法切削土体,其基本思想是利用长短刀具不同的切削高度差(高差值约为20～30 mm),延长刀具使用寿命。当长刀具磨损后,短刀具开始接替长刀具掘削。这样,延长了刀具的磨损长度,大大提高了刀具整体抗磨损能力。
3)增加刀具的数量,即增加刀具的行数和每一行的刀具布置数。
4)选择种类合适、注入方式合理、注入量足够的改良剂进行碴土改良,并要研究解决“为防止喷涌加入添加剂”与“加入添加剂以后滚刀效率有可能降低”的矛盾。
5)合理确定磨损量限值。一般而言,依据地质情况的不同,边缘滚刀磨损量可设定在7.5～15 mm,正面滚刀磨损量可设定在20～35 mm,中心滚刀磨损量不宜超过滚刀与刮刀的最大刀具差40 mm。
4 结束语
1)刀盘是盾构机掘进的重要设备,应采取各种措施减小其磨损。前期勘察或土体加固过程中,有可能掉人钻头、钻杆等金属构件,如果这种情况发生,则必须将其打捞出来,避免盾构机的非正常磨损,并加强对刀盘外周及其边缘侧板的处理,以提高刀盘的使用寿命,减少修复次数。
2)刀具的刮刀磨损形式以偏磨为主,在刀体表面磨损形成凹槽;滚刀磨损形式以弦磨和刀圈碎裂为主,弦磨不是很严重,刀圈碎裂情况比较严重,刀圈周边均出现较大的裂口。滚刀磨损量应在20～30 mm之间,小于最大磨损量30 mm,所以磨损量符合要求。发生磨损的原因主要由地层的结构特性和刀具的安装位置所引起。
3)刀盘的结构配置必须根据地质情况研究分析,在硬岩掘进时,要及时检查更换刀具,避免滚刀刀圈严重磨损或刀圈裂断,特别是边刀要勤检查,磨损过量时会导致刀盘磨损,轻则造成掘出来的隧道直径偏小,使盾构推进困难;重则造成刀盘严重变形,最终使刀盘报废。
参考文献
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土压平衡盾构机刀盘故障原因分析 篇7
1 盾构机刀盘的工作原理
土压平衡盾构机是在刀盘和压力隔板之间建立压力土仓, 使土仓内和螺旋输送机内充满开挖渣, 依靠盾构机推进油缸的推力给土仓内的开挖土砂加压, 并作用于开挖面以使掌子面稳定。刀盘作为盾构机的重要组成部分, 是用来切削围岩和稳定掌子面的有力工具, 主要是通过液压马达或电机驱动, 进而使刀盘不断旋转, 同时对掌子面与土仓隔板之间渣土进行加压。
刀盘根据地质条件不同大致分为面板式、辐条式两种。面板式刀盘适合硬岩地层掘进, 以滚刀为主刮刀为辅;辐条式刀盘适合软土地层掘进, 以刮刀为主滚刀为辅。无论哪种形式的刀盘都应满足足够的强度及刚度;保证一定的开口率;足够的耐磨强度, 搅拌装置及土壤改良注入口。刀盘刀具除了滚刀、刮刀外还有撕裂刀、周边保护刀、仿行刀、超挖刀等。根据实际地质情况选择刀具的布置。刀盘分为三个区域分别是中心区、正面区和边缘区。中心区有较大开口以达到土壤有效流动;正面区配有8个泡沫注入孔;边缘区焊有耐磨板以保护刀盘。
2 土压平衡盾构机刀盘故障及其原因
由于复式土压平衡盾构机的工作环境恶劣, 经常出现一些刀盘故障, 对施工造成了不良的影响, 通常来说刀盘出现的故障包括以下几个方面:
2.1 刀具磨损
由于受到工作环境的影响, 盾构机的刀具出现磨损是常见的故障之一, 在盾构机的刀具磨损中, 滚刀和刮刀的磨损形式不同, 刮刀的磨损或者损坏, 主要是指刀头被磨平或者是刀具在受到重力作用下的刀具解体, 滚刀的磨损或者损坏主要表现在刀圈极限磨损、刀圈弧磨损、刀圈脱落、刀体损坏以及轴承的损坏等几个方面。
2.2 泡沫孔阻塞
盾构机的刀面中一般有八个泡沫口, 是在旋转的作用下, 将泡沫剂通过立柱内的泡沫管喷入掌子面, 进而有效的提高渣土改良的效果。在实际的施工中, 经常出现泡沫孔阻塞的现象, 同时在旋转高温的作用下, 渣土粘结阻塞了泡沫孔, 这样就使得刀盘的扭矩增加, 同时加快了刀具的磨损速度, 制约了盾构机的掘进速度。
2.3 立柱焊缝开裂
在盾构机中, 用于连接刀盘和主轴承的是立柱, 但是在长期的使用中, 立柱的焊缝开裂是一个不可忽视的问题, 一般呈现出裂缝的长度大、连续性强以及分布交叉的特点, 严重的影响了盾构机的使用。出现裂缝多是焊量较小和焊接交叉点多的原因, 在使用的过程中产生较大的推力。造成刀盘的过度扭矩, 造成了开裂。
2.4 刀座与面板磨损
在盾构机的掘进中, 通常会对刀座和面板进行多重保护, 但是由于材质的限制及地层影响, 在刀具受到磨损后就降低了对刀座和面板的保护, 致使刀座和面板直接与硬岩接触, 对于耐磨性较差的刀座和面板而言, 将会受到严重的磨损。
3 复式土压平衡盾构机刀盘故障应对措施
鉴于复式土压平衡盾构机在掘进方面发挥了重要的作用, 并且在实际的应用中出现一系列的刀盘故障, 这就需要以其工作原理为依据, 采取有针对性的措施, 解决使用过程中的刀盘故障。为了实现对盾构机的有效保护, 提高掘进速度, 需要从以下几个方面着手:
3.1 做好现场处理工作
盾构机的一些刀盘故障是在使用过程中不可避免的, 这就需要加强对现场的管理, 将损坏控制在最小。由于刀具是盾构机掘进工作的最终执行者, 对掘进的效率起着关键性的影响, 这就需要在掘进过程中加强对刀盘的保护, 对磨损程度较严重的, 需要立即更换, 以免影响掘进的效率。其次, 要进行泡沫孔的疏通, 可以根据地质条件的好坏决定疏通方式, 一般可以拆除旋转接头, 利用高压水枪或者是管道疏通机进行疏通。与此同时, 对待立柱焊缝开裂的问题, 需要采用先进的焊接工艺, 根据连接件的尺寸决定开坡口的大小, 保证焊接的质量。此外, 对于刀座的磨损, 要及时的进行焊接, 对于磨损严重的, 需要采用一定的维修方法进行修复。
3.2 技术改进
对于技术的改进要从盾构机使用的整体情况着手, 既要对施工的技术进行改造, 还要对设备进行相应的改进, 既改善工作的环境, 延长设备的使用寿命, 又提高了设备的性能。
对于施工技术的改进主要从以下几个方面着手:提高地质预报的准确性, 为设备的使用提供根据;对工作环境对设备的损坏有明确的把握和认识, 便于选择合适的工具;做到灵活施工。选择合理的掘进参数, 包括掘进推力, 刀盘转速、扭矩、推进速度、出土量等。提高操作人员的技能, 最大限度的减少人为因素对盾构机的破坏。
对于设备的改进主要是从提高设备的适应性着手, 因为盾构机的工作环境较为复杂, 工作条件恶劣, 多是在高强度的硬岩地段或者是地质结构不均衡的地段, 这就导致设备使用存在较大的风险, 因此需要对设备进行改进, 最大限度的降低施工的风险, 提高设备的使用寿命。
结束语
总之, 土压平衡盾构机是进行隧道掘进工作的主要设备, 对地铁、市政建设等的施工起着至关重要的影响, 需要在使用过程中对刀盘故障表现形式以及原因进行分析和研究, 并寻找解决故障的有效方法。可见, 处理做好对掘进现场的管理以外, 关键是技术方面的改进, 这样可以提高设备的使用寿命, 并且能够提高施工的效率, 便于盾构机的长远应用。
摘要：土压平衡盾构机在铁路隧道施工中得到了广泛地应用, 并发挥了重要的作用, 刀盘作为盾构机最重要的组成部分之一, 在使用的过程中容易发生故障。由于盾构机工作环境的限制, 修复工作复杂。本文笔者立足于盾构机的实际应用, 分析了盾构机工作的原理, 指出了刀盘故障出现的原因, 并根据故障原因探讨了相应的对策, 目的是为盾构机的合理使用提供指导和借鉴。
关键词：盾构机,刀盘,原因分析
参考文献
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盾构刀盘改造实例分析 篇8
盾构核心部分是刀盘主驱动, 在掘进作业中充当主要的工作装置, 其技术以电液比例控制为主, 总的设计是闭式液压系统。在具体的工作中, 其功能有开挖、稳定、搅拌等, 但是随着掘进面积之增大, 深度之增加, 其功率也会发生相应变化, 因而作为液压系统能够有效的满足这些条件, 所以倍受青睐, 本文就以此展开详细讨论。
1 刀盘驱动液压系统设计
本文讨论的是适合于中国具体情况的小排量泵。
(1) 刀盘主驱动泵控制模块。双向变量泵:A4VSG750HD型, 2台, 750m L/r, 局部控制模块如下图1所示。
主要功能:系统过载保护功能, 其中2个安全阀做到了有效保证;在换油功能方面, 单向阀2个, 三位液动 (1个) 换向阀组成闭式回路, 达到换油控制;溢流阀调节控制可按远程比例实现压力控制, 反馈簧经转换可控制压力, 从而达到泵排量、控制压力间的线性比例, 从而使变量达到控制;电磁换向阀控制压力油导入方向, 可以切换象限 (主驱动泵变量机构的工作象限) , 吸油与压油出现切换, 即可实际使刀盘的转向得到控制。
(2) 刀盘转速控制。变量泵、变量马达一起可组成闭式容积调速回路, 也即是实现转速控制的主要方法。通常来讲, 刀盘转速大小与以下所述关系明确:
qp——刀盘主驱动变量泵的排量;zp——刀盘主驱动变量泵的数量;qm——刀盘主驱动变量马达的排量;zm——刀盘主驱动变量马达的数量;i——刀盘主驱动装置减速器与大齿圈的总减速比;ndm——刀盘主驱动电机的转速;
以上所述都决定着转速, 并对其进行着控制。在通常情况之中, 以上数字代码zp、zm、i、ndm均作为常数, 所以从中可以看出, 需要调节的变量只是qp、qm。因此, 可以通过调节变量泵、马达排量来进行实时调节。一般采用的方法是调节泵排量, 即, 调节远程电液比例溢流阀压力, 主要是针对于上面所说的类型泵, 因而当其排量调节到比原来降低三倍值时, 其主要受电控系统控制, 所以, 马达调速仅仅是补偿性的再发挥作用;当然, 如果在软岩工况与硬岩工况条件下, 对于前者, 应低速大扭矩, 对于后者应高速小扭矩, 这两套方案经经验证实完全有效, 而且较为实用。
(3) 刀盘制动控制。要求:停机状态有可靠制动;具备自动缓冲功能;当制动松开时, 平稳, 无冲击;制动动作完成, 提供主驱动加载触发信号。注意:换向阀, 停机、掉电都处于复位;制动过程压力需过阻尼孔流回油箱, 刹车片延时抱闸、缓冲制动;节流阀、蓄能器联合作用, 可使松开制动过程控制实现, 而且可以达到平衡无冲击的要求;触发信号, 主要是利用制动控制油路的压力升高来实现, 当然, 制动回路减压阀也有一定的作用, 尤其是在制动压力限定方面、调节制动缓冲方面作用明显。
2 刀盘驱动系统调试安装
(1) 安装前准备。首先使系统中的各零部件保持清洁, 如油箱、管路、接头等, 保证其无损、无污染, 尤其是对于集成阀方面应该进行细致清洗, 使其中的加工部位保持干净。其次, 对于油液污染度、湿度应该进行检查, 并使液压油保持清洁, 主要是在加油时, 应该使用过滤器, 从而使其不受异物污染, 还应该选用相容的涂层, 从而使油箱与油液保持不发生反应; (2) 安装过程的实施。首先应该有保护管理系统的意识, 防止强力, 正确将软管布置到其中, 注意不要扭管、防止其擦伤、磕碰;一切应严格按照标准行事, 保证密封无渗漏; (3) 投入运行调试前的注意事项。为了保护马达液压元件、泵。应该在初始启动方面严格执行规程操作:一是安装压力表, 使补油压力得到检测;二是将泵保持在中位状态;三是启动电动机时应该采用低转速;四是补油压力建立后, 应将转速进行调整, 一般至额定转速, 但应该及时参看压力表的数值, 当不符合时应该采限关闭措施, 然后找原因, 解决问题后再重新操作;五是输入控制信号, 将系统导入工作状态, 注意应同时检查系统正反向的工作状况, 并使其交替工作不小于五分钟;最后, 应该注意, 防止油液中气泡产生的问题, 所以应该待其消失, 后再起动电动机, 可按具体情况进行反复操作, 最终使其完全达到工作标准即可。
3 结束语
总之, 液压系统优势明显, 能耗低、结构紧凑、易实现无级变速。经上面分析, 可大致了解到盾构刀盘主驱动闭液压系统的构建思路, 并通过对其几大方面的说明, 主要将其系统设计中的液压系统进行解构, 并从其泵控制、转速、制动、泵马达几方面分析, 通过这种细分更易于理解如何调试安装, 并可以根据这一理解将后续的分析全面化。液压系统更好的适应了其在当下的发展, 因而更能说明其功能性较强, 应该继续对其开展应用方面的研究。
参考文献
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