复合式刀盘（共3篇）
复合式刀盘 篇1
摘要：在隧道掘进过程中, 刀盘扭矩的计算关系到工程的进度及质量, 由于复合地层地质情况多变, 其扭矩计算比软土地层更为复杂, 软土地质情况下的公式仅适用于计算叶片的搅拌扭矩, 然而复合地层中复杂的软硬地质变化会同时影响刀盘与地层的摩擦阻力矩、地层的抗力扭矩和刀盘正面与地层的摩擦力矩。为了更进一步完善复合地况下的盾构刀盘扭矩计算方法, 针对复合地质情况进行了一定的研究分析, 并以此为依据制定了复合地层下的扭矩计算方法。
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
[1]王瑶.复合地层大直径盾构刀盘及扭矩计算[J].城市轨道交通研究, 2010 (11) :74-81.
[2]仝哲.盾构刀盘的受力分析及结构优化[D].郑州:郑州大学, 2012:1-56.
[3]全代伦, 战卫侠.基于ANSYS硬齿面刮削刀盘结构参数的优化[J].青岛建筑工程学院学报, 2003, 24 (2) :60-62.
[4]姬广彬.盾构刀盘的设计研究[D].天津:天津大学, 2009:41-42.
复合式刀盘 篇2
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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[8]党军锋,高伟贤.国内首台海底对接泥水平衡盾构机[J].建筑机械,2008(4):107-110.
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[10]管会生,高波.盾构切削刀具寿命的计算[J].工程机械,2006(1):25-26.
[11]闫岢宏.复合地层中大直径盾构刀盘刀具的选型与优化[J].工程机械与维修,2008(2):104.
TBM刀盘设计研究 篇3
TBM刀盘设计的主要技术就是滚刀在刀盘上的平面布置问题, 这一问题对刀具的破岩率、刀盘的稳定性、刀具负载的均匀性等指标产生重要的影响。TBM刀盘设计既要考虑岩石的边界是否完整, 又要考虑刀盘的制造工艺, 而且在刀盘设计过程中必须要统筹考虑各项技术性能指标, 这样才能达到工程实用的要求。在具体实践过程中, 由于TBM刀盘设计技术含量非常高, 我国在这项技术的研究上仍有缺失, 那么, 在短时间内实现对TBM刀盘技术的深入研究并应用, 提高国内在装备制造业的研发水平, 具有一定理论及现实意义。
1 TBM刀盘布局设计
TBM刀盘布局设计主要包括合理布置刀具、铲斗、入孔通道、喷水孔等。其中, 刀具的布置决定了整个刀盘的性能, 对挖掘机的性能也起到了至关重要的作用。刀盘的布局设计主要是在有限的刀盘上合理布置各种工具, 进而提高挖掘机的掘进性能, 而合理的刀具布局也关系到刀盘的破岩效率、刀具的寿命、挖掘机的噪音等等, 刀具的合理布局能够有效降低挖掘机的掘进成本。
1.1 TBM刀盘直径确定
敞开式TBM, D=D1+2 (h1+h2+h3) , D为理论上的直径;D1为实际直径;h1为预留变形量, 约为16cm;h2为首次支护厚度, 约为8cm;h3为二次支护厚度, 约为28cm。
护盾式刀盘直径D=D1+2 (h+T) , D为刀盘理论直径;D1为实际直径;T为管片外壁厚度;h为灌浆的实际厚度。护盾式TBM的直径取决于管片的外直径、掘进机的类型、开放盾尾设计类型、护盾厚度以及刀具的磨损范围等等。
1.2 TBM刀盘结构
目前, 广泛采用的TBM刀盘结构形式主要有平面型、球面型等。其中平面型结构的刀盘能够减少对岩面的摇动, 阻力较小, 非常适合不够稳定的地层, 能够有效减小摩擦, 能够顺利的挖掘不良地质地段。此外, 平面型刀盘结构也适用于挖掘砂砾层、块状围岩等。球面型刀盘结构主要适用于小型掘进机, 能够增强机体的稳定性, 但不适合挖掘不良地质。
TBM刀盘除了要求有效稳定的切割破岩外, 还要求快速排出岩渣, 减少渣土对刀盘的磨损, 提高刀盘的使用寿命。为了实现排渣的目的, 必须要综合考虑渣槽的位置设计、布置数量、结构尺寸等方面的因素, 最好在每把刀具后侧都安装排渣槽。此外, 为了使岩石渣能够比较容易排出, 在设计出渣槽时尽量将其加宽。但是由于受岩石破碎随机性以及刀具在刀盘上布置位置的不均匀性等因素的影响, 排渣槽的尺寸不能统一, 要与破岩量随时间变化相协调, 然而由于刀盘空间有限, 这也使出渣槽与刀具的布置相互受到影响。
2 TBM刀具的选择
2.1 TBM刀具破岩机理
TBM破岩过程由两个阶段组成, 分别为滚刀侵入岩体和两滚刀之间形成岩石碎片。具体机理如下:在推力的作用下滚刀会贯入岩石并在刀具侧面形成放射状裂纹, 裂纹会在推力和转矩的作用下逐渐扩展, 压碎区扩大。当裂纹扩展到与相邻滚刀造成的裂纹贯穿时就会形成岩石碎片。综上所述, 我们可得出TBM刀具破岩受到刀削力、刀间距、贯入量、力学属性等多种因素的影响, 这些也是刀盘设计过程中的重要依据。
2.2 刀具的选择
TBM刀盘上刀具的选择主要根据掘进隧道直径进行选取, 具体如下:
1) 掘进隧道直径为2m~3m时, 盘形滚刀直径12″;
2) 掘进隧道直径为3m~4m时, 盘形滚刀直径15″;
3) 掘进隧道直径为5m~9m时, 盘形滚刀直径17″;
4) 掘进隧道直径为10m~12m时, 盘形滚刀直径17″或19″。
目前, 大直径滚刀在掘进工程中越来越被广泛应用, 因为面对大断面硬岩, 只有采用大直径滚刀才能提供较大的推力, 进而增加刀具的贯入深度, 最终提高刀具的破岩能力, 实现快速掘进的目的。此外, 通过引进大直径滚刀还可以降低刀具的磨损, 降低成本, 延长刀具及刀盘的使用寿命, 提高TBM设备的利用率。
2.3 刀具布置设计
首先确定滚刀数量及刀间距, 滚刀间距受岩石类型、岩石力学属性和岩体等多种因素影响。刀盘上滚刀数量可按照如下公式计算:N=D/2S其中, N为滚刀数量;D为理论掘进直径;S为刀间距。
TBM刀盘在掘进时的平衡性主要受刀盘上刀具的位置影响, 在刀盘上布置盘形滚刀时应遵循如下的原则:在布置盘形滚刀时必须使刀盘受力均匀, 而且不能受径向载荷的影响;在TBM掘进过程中尽可能使滚刀对刀盘产生的作用力矩的代数和趋于零。盘形滚刀在刀盘上的布置方法主要是同心圆布置法, TBM生产厂商目前根据各自的刀盘结构、施工经验等都形成了各自的布刀理念, 应用到不同TBM中。
3 刀盘转速确定
刀盘转速受刀盘直径影响, 随着刀盘直径的增加而减小, 主要原因如下:首先, 在掘进过程中, 刀盘线速度应控制在150m/min之内;其次, 刀具在压力的作用下90%的能量将用于岩石裂纹, 10%的能量用于岩石裂纹的扩展, 进而使刀间距之间的裂纹连通而形成岩渣;最后, 排渣过程中, 如果刀盘半径处的转速按照一定比例超过重力长数, 就会使岩渣不能被完全排出, 随着刀具转速逐渐升高, 在推力不变的情况下会直接降低刀具轴承的寿命。
4 结论
TBM的关键部件就是刀盘, 而刀盘又对掘进效率起着至关重要的作用。目前, 我国在TBM刀盘设计上并未形成一套完整的理论体系, 但是随着社会的发展, 相关隧道工程项目对提高TBM施工的精确率、掘进效率、降低施工成本等方面提出了更高的要求, 这就需要我们不断的去探索、去研究TBM刀盘的设计技术, 形成一套适用于多种地质条件, 提高掘进速度的完整理论体系, 具有一定的理论及现实意义。
参考文献
[1]吴波, 阳军生.岩石隧道全断面隧道掘进机施工技术[M].1版, 合肥:安徽科学技术出版社, 2007, 8.