异形盾构刀盘创新设计（精选3篇）
异形盾构刀盘创新设计 篇1
盾构是集机、电、液、光、计算机技术为一体的大型地下工程建设装备，是大规模开发利用地下空间的前提条件，盾构代表了隧道掘进装备的发展方向。随着国民经济和城市建设的快速发展，地下空间的开发利用越来越迫切，对盾构的市场需求日益剧增，我国正在成为世界上掘进机需求量最大的国家。
传统盾构切削出的断面为圆形，但从实际应用和隧道结构来看，异形断面的隧道更为合理。异形盾构刀盘作为异形盾构的开挖土体部件，是异形盾构的重要组成部分，它直接影响着隧道断面的切削轨迹，在盾构施工中起着非常关键的作用。本文创造性地提出了根据混合输入变异五杆机构的运动学和动力学原理，在盾构机的前部安装变异五杆机构，在变异五杆机构上布刀，从而实现不同轨迹的异形断面切削的学术构想，通过调整杆长和刀头的位置与角度，就可以切削出椭圆、矩形或拱形等形状的断面。
异形盾构的刀盘结构较为复杂，所以一直以来未得到很好的应用。本文探讨了不同类型盾构刀具的切削机理，并在此基础上设计了变异五杆切削机构刀盘，实现了刀具的最优化布置，可以解决切削出椭圆、矩形或拱形等形状断机的难题，为变异五杆切削机构在异形盾构中的应用提出了独创性的设计构想，是对传统刀盘的改进和创新。
1 盾构刀具切削机理
适用于不同地质条件的土压式盾构刀具，其开挖方式与切削机理各不相同。
1.1 开挖方式与切削机理
目前盾构常用刀具的开挖方式有切削式、破碎式和挠取式三种。
1)切削式刀具是利用刀刃对土砂施压，土砂受到的剪切力达到极限破坏应力时产生剪切变形，并以土屑形式沿刀具前面流出，实现土体开挖。土压盾构的主切削刀一般均为切削式刀具，可通过改变前角和后角来变换切削刀的形状：在土体抗压强度较小的地质条件下，适合装配前角及后角较大的切削刀，以增加刀具的锐利程度;而在土体抗压强度较大的地质条件下，适合装配前角及后角较小的切削刀，以增加刀具的耐用度。
2)滚刀是常用的破碎式刀具，利用刀刃滚压岩石，在盾构推进力的作用下，排列在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的运动，在岩面被碾压出一系列大小不同的同心轨迹，当超过岩石的受力极限时，两个同心轨迹之间的岩石即被碾裂破碎。土压盾构一般不选用滚刀作为掘削刀具。
3)挠取式刀具主要用来分离土砂颗粒，疏松土体。用于砂卵石掘进的先行刀是典型的挠取式刀具，它是一种介于切削刀和滚刀之间的刀具形式，同时具有两种刀具的部分功能。先行刀可以看作是不能转动的滚刀，也可以看作为刀具刃口前后角较小的切削刀。
1.2 土屑的形态
切削式刀具开挖的土屑具有不同的流动形态，常见的土屑形态有流动型、裂断型、剪断型和剥离型四种。
1)流动型在含水黏性土层中，随着切削刀的运动，土体从刀刃起产生连续的剪切变形，土屑沿前刀面连续流动，呈流动型土屑。此时，切削阻力很小并且比较稳定，刀具耐用度高。
2)裂断型在黏性颗粒少、含水率低土层中，切削刀的运动使土压缩，土屑先从刀刃处发生微裂，继而断裂，形成裂断型土屑。此时，作用于切削刀的切削阻力呈脉动状态，易导致刀盘振动，并使盾构外表面于土体的摩擦阻力减少，这是引起盾构发生旋转的重要因素。
3)剪断型当土的硬度高或切削刀前角小时，随着切削刀的运动，土产生压缩变形，进而从刀刃起沿某平面产生剪切变形，土屑呈剪断型。该状态是裂断型向流动型过渡的状态。
4)剥离型在混有沙砾的土层或砂砾地层，切削刀的运动将沙砾从土中剥离或将砾石从砂中剥离，形成剥离型土屑。
土屑的形态除取决于土砂的组成成分及其性状外，还与切削角度、切削速度和切削厚度有关。土屑的流动状态会随土质、切削角度、切削速度和切削厚度变化而发生改变。土中含水率低时，若提高切削速度，土屑会由裂断型向流动型转变;切削刀的前角减小或切削厚度增大时，土屑会由流动型向裂断型转变。
2 异形盾构刀盘的结构设计
2.1 切削式刀具的种类与适用条件
切削式刀具主要由矿山用硬质合金刀片和刀体组成，刀片焊接在刀体上，根据刀片的焊接方式和刀具的安装形式进行分类。
2.1.1 按刀片焊接方式分类
按刀片的焊接方式不同，分为附着式和嵌入式，如图1所示。
1)附着式亦称板式，刀片平焊于刀体上，切削时，刀片的切削面全部暴露在土砂中，如图1a所示。多适用于黏土、粉土、粉砂等地层;采用特殊形状刀片制造的强化型板式刀具，耐冲击性能显著提高，越来越多地用于砂卵石地层。
2)嵌入式刀体上开槽，刀片嵌入槽内并与刀体焊接，仅参与切削的部分刀片暴露在槽外，如图1b所示。刀具耐冲击且刀片不易脱落，适用于砂卵石地层。
2.1.2 按刀具与刀盘连接形式分类
按刀具与刀盘连接形式不同，可分为栓接式、销接式和焊接式，如图2所示。
1)栓接式用螺栓将刀具安装在刀盘上，便于更换，但必须采取措施防止螺栓松动和磨损。适用于需要掘进中途更换刀具地场合。
2)销接式用圆柱销将刀具安装在刀盘上，刀具能围绕圆柱销适当转动，当刀盘回转切削时，用于相反方向回转切削的刀具脱离开挖面，以避免磨损，且便于更换，但必须采取措施，防止紧固圆柱销的螺钉松动和磨损。适用于需要掘进中途更换刀具地场合。
3)焊接式刀具直接焊接在刀盘上，安装牢固，不易脱落，但更换不便。适用于在黏土、粉土、粉砂等地层掘进且中途不需要更换刀具的盾构上。
2.2 异形盾构变异五杆切削机构刀盘设计
异形盾构变异五杆切削机构，可以根据不同的轨迹要求切削出不同的断面。在实施切削过程中，刀盘结构要在传统圆形刀盘的基础上有所改进和创新，才能满足不同的切削要求。
如图3所示，主电机即常速电机1驱动内齿轮(相当于变异五杆机构中的杆AB)做匀速运动，内齿轮将运动传递给杆BC(刀盘)，可控电机5则驱动杆DE按照对应的轨迹方程实现对应给定的位置，与杆AB的匀速运动合成为刀盘工作点P点的运动。具体学术构想是在盾构机的前部安装变异五杆机构，在变异五杆机构杆BP上布刀，从而实现不同轨迹的异形断面切削。
1-常速电机;2-刀盘;3-盾体;4-防护罩;5-可控电机;6-内齿轮;7-机架;8-推进油缸;9-螺旋输送机
在异形盾构掘进施工过程中，在盾构推进力的作用下，排列在刀盘边缘的切削刀紧压工作面，随着刀盘的运动，在掘削面上切削出一系列大小不同的同心异形轨迹，其轨迹遍布整个掘削面，从而实现整个异形断面的切削。刀盘工作点P点的运动轨迹最大。其他位置刀具的轨迹是较小的相似异形轨迹。随着盾构机的推进，即可掘削出不同的异形断面隧道。
决定异形盾构刀盘设计的因素大致主要有地质条件、隧道条件和环境条件。要在全面分析的基础上，确定刀盘形式、刀具的选择与合理布置。
刀盘形式的选择主要依据开挖面土压平衡控制的可行性与地质条件的适应性进行考虑。为减小推进阻力、并考虑到曲线(或纠偏)掘进，刀盘的切削直径应适当大于盾构外径，两直径的差值取决于地质条件、曲线掘进的曲率半径以及是否配置超挖刀或仿形刀(用于曲线掘进)等因素。
刀盘旋转方向的合理切换，可以有效地限制盾构在掘进过程中绕水平轴旋转，因此要求盾构刀盘能够正、反两方向回转，并使刀具成对布置在刀盘上。为保证全断面开挖，刀盘上的每一个区域至少配置一把刀具。因刀盘外周区域切削距离长，为提高刀具寿命，刀具密度可适当大些。
根据以上原则设计出变异五杆切削机构的刀盘，其结构如图4所示。
1-刀盘盘体;2-先行刀;3-周边刀;4-切削刀总成
在刀盘盘体的径向边缘布置周边刀，即在变异五杆切削机构刀盘所在的BCP杆工作点P点处布置周边刀，其结构如图5a所示;在BCP杆之间的刀盘上以中心线为对称轴布置先行刀，其结构如图5b所示;在刀盘轴向边缘以中心线为对称轴布置切削刀，其结构如图5c所示。
周边刀亦称保径刀，由超宽的切削刀构成，采用焊接双嵌入式刀片结构，用于切削外周土体，保证开挖断面切削轮廓;先行刀采用在国内外盾构施工中被广泛应用的贝壳刀，在开挖面分层切削，预先疏松土体，减小切削阻力，降低切削刀的冲击载荷，提高切削刀刀具寿命;切削刀采用销接式双刀片结构，在切削过程中，主要承担切削任务，起主要的切削作用。与传统的圆形盾构相比，变异五杆切削机构刀盘不仅要轴向进给切削，还需径向进给切削，轴向和径向切削是同时进行的，所以在刀盘设计时省去了中心刀，这也是对变异五杆切削机构刀盘结构的改进和创新。
3 结语
传统盾构切削出的断面为圆形，但从实际应用和隧道结构来看，异形断面的隧道更为合理。目前，异形盾构的刀盘结构较为复杂，所以一直未得到很好的应用。本文探讨了不同类型盾构刀具的切削机理，并在此基础上设计了变异五杆切削机构刀盘，实现了刀具的最优化布置，为变异五杆切削机构在异形盾构中的应用提出了独创性的设计构想，是对传统刀盘的改进和创新。
摘要：异形盾构是盾构技术发展的一个主要方向,设计合理的刀盘是开发异形盾构的核心技术。探讨了不同类型盾构刀具的切削机理,并在此基础上设计了变异五杆切削机构刀盘,实现了刀具的最优化布置,是对传统刀盘的改进和创新。
关键词：异形盾构,刀盘,刀具,设计
参考文献
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长春地铁盾构选型与刀盘设计初探 篇2
拟建中的长春地铁1号线位于长春市区中部,一期工程起点为长春市人民大街北环城路,沿人民大街向南经火车站至规划中的南部新城,然后向西到达终点南绕城高速。线路主要经过宽城区、朝阳区、南关区、南部新城。线路长19.9km,共设车站18座。
2 地质概况
2.1 工程地质
场地地层主要由道路结构层和人工堆积杂填土层、第四系冲积粘土和冲洪积砂土、下伏白垩系泥岩组成。
盾构隧道穿越的地层主要为粉质粘土(2)4层、粘土(2)5层、粗砂(2)6层、全风化泥岩(3)1层、强风化泥岩(3)2层。
2.2 水文地质
实测地下水初见水位埋深2.8m～12.2m。沿线场地地下水赋存于第四系粘土和砂土层中,含水层的厚度在8.0m～35.0m。其中粉质粘土(2)1层至粉质粘土(2)3层透水性中等,渗透系数为3.47×10-6m/s～5.79×10-6m/s;粉质粘土(2)4层至粉质粘土(2)5层透水性差,基本为不透水层,渗透系数为0.58×10-6m/s～1.16×10-6m/s;粗砂(2)6层透水性良好,并具有一定的微承压性,渗透系数为1.74×10-6m/s;其下部的泥岩可视为不透水层。
3 盾构选型建议
根据欧美等国的盾构施工经验,当地层的渗透系数小于10-7m/s时,可选用土压平衡盾构;当渗透系数在10-7m/s和10-4m/s之间时,既可选用泥水盾构,也可选用土压平衡盾构;当地层的渗透系数大于10-4m/s时,则宜采用泥水盾构。
土压平衡盾构是依靠推进油缸的推力给土舱内的开挖土碴加压,使土压作用于开挖面使其稳定,主要适用于粘稠土壤的施工,掘进时,由刀盘切削下来的土体进入土舱后由螺旋输送机输出,在螺旋机内形成不透水的土塞,保持土舱压力稳定。土压平衡盾构施工中,土舱内的碴土起着平衡开挖面水土压力,支撑开挖面的作用,应具有良好的塑性变形、内摩擦角小及渗透率小等特点。当碴土中的含砂量超过某一限度时,碴土的塑流性明显变差,土舱内的土体因固结作用而被压密,导致碴土难以排送;需向开挖面注入添加剂,以改善土体的塑流性。
根据长春地铁1号穿越的地层特点,宜选择土压平衡盾构。
4 盾构的地质适应性设计
4.1 盾构设计要点
根据盾构隧道穿越的地层,盾构设计时,其总体设计应以满足所有地层为基本点。其中,盾构的基本设计及主要参数,包括刀盘转速扭矩,推力及推进速度,铰接及转向机构,螺旋输送机及输送带装置、管片吊机及后配套辅助系统等应按照满足国内所有地层进行设计。盾构掘进能力一般应满足600m/月,最小曲线半径满足300m。
盾构可按照三种不同的掘进模式工作,以适于在不同的地层中掘进。能够自稳的无水地层适于采用敞开模式掘进;渗透系数小且无水的地层适于采用气压平衡模式掘进;其余地层应采用土压平衡模式掘进。
根据管片直径宽度及分块形式,盾体需进行不同的推进油缸分组布置及设计。
不同结构型式的刀盘,分别适应不同的地层。在同一区域因不同的地质时,可采用同一刀盘配置不同的刀具来满足。在不同的区域因地质差异较大时,则采用同一盾构配置不同的刀盘来适应不同地层,以满足地铁施工需要,并最大限度地节省设备资源。
4.2 刀盘结构与地质的关系
刀盘是盾构的核心部件。在粉质粘土、粘土、粗砂、泥岩地层中,可配置辐条式或面板式刀盘。在刀盘上配置软土刀具可满足软土地层的切削要求;安装滚刀后,可在风化岩地层及卵砾石地层掘进。
1)四辐条式刀盘最简单的辐条式刀盘,刀具数量较少。适用于中软粘土以下土层、粉土及粉质粘土地层。优点是开口率最大,形成泥饼的可能最少;进碴及传递土压效果好,所需的切削及搅拌力矩小。缺点是结构强度低。见图1。
2)六辐条式刀盘刀具数量适中。适用于硬土以下土层、粉土及粉质粘土层、砂层、圆砾层地层。优点是开口率大,形成泥饼的可能小;进碴及传递土压效果好,所需切削及搅拌力矩小。缺点是结构强度较低。见图2。
3)八辐条式刀盘刀具数量足够。适用于硬土以下土层、粉土及粉质粘土层、砂层、圆砾层、较小卵石层。优点是开口率较大,形成泥饼的可能较小;进碴及传递土压效果较好,结构强度好。缺点是搅拌阻力增大。见图3。
4)六辐条薄面板式刀盘刀具配置数量足够。适用于硬土层、粉土及粉质粘土层、砂层、圆砾层、中等卵石层。优点是进碴及传递土压效果较好,中心部位开口率较大,在刀盘中心形成泥饼的可能较小;结构强度好,可限制进碴粒径。缺点是开口率较小,搅拌阻力增大。见图4。
5)六辐条式强化刀盘优点是刀具足够,开口率较大,形成泥饼的可能较小;进碴及传递土压效果较好;结构强度好,同时可限制进碴粒径;由于周边安装滚刀,强化刀盘结构和刀具配置,除适用于硬土层、粉土及粉质粘土层、砂层、圆砾层、较大卵石层外,还可用于全风化及强风化岩。缺点是比四辐条和六辐条式刀盘相比,搅拌阻力增大。见图5。
6)面板式刀盘优点是结构强度好,可安装滚刀(滚刀刀座在不安装滚刀时可换装重型撕裂刀),能限制进碴粒径。缺点是开口率较小,搅拌阻力增大;刀盘中心部位开口率小,可能形成泥饼。安装软岩刀具时适用于硬土层、粉土及粉质粘土层、砂层、圆砾层。安装滚刀时适用于较大密实的卵石层及中风化或微风化岩地层施工。见图6、7。
4.3 适用于长春地质的刀盘建议
针对长春地铁的地质条件,可选用图5所示的六辐条式强化刀盘,也可选用图6或图7所示的面板式刀盘。如果区间隧道为单一的粉质粘土层或粉质粘土、粘土、粗砂的互层时,可选用图2、图3、图4所示的刀盘。
粉质粘土、粘土地层,流动性低,黏性较大,易结泥饼,不易建立土仓压力,施工中要对碴土进行充分改良。可通过加水、加泡沫、膨润土,并充分搅拌。盾构设计应充分考虑刀盘的开口位置和开口率。如采用面板式刀盘时,易结泥饼,且刀盘旋转阻力较大,推荐采用辐条式刀盘。
在区间隧道部分地段,盾构隧道的底部基层为强风化泥岩局部夹薄层砂岩,强度较高,致密,盾构设计需采用滚刀进行破碎。采用辐条式刀盘时,因同时需采用滚刀破岩,刀盘设计时应强化其结构强度。因此,推荐采用图5所示的六辐条式强化刀盘。采用该结构型式的刀盘时,开口率较大,进碴及传递土压效果好,不易形成泥饼,结构强度好。周边安装滚刀破碎泥岩;中心安装撕裂刀和切刀松动并切削粘土。软硬不均地层,应考虑滚刀和撕裂刀的互换。
5 盾构施工技术要点
粉质粘土、粘土地段施工时,黏性较高,应合理使用添加剂进行碴土改良,以增加土体的流动性。
粗砂层,透水性强。颗粒主要由石英、长石组成,自上而下颗粒逐渐变粗,强度增加,中密-密实状态,泥质弱胶结,底部有薄层砾石。隧道掘进过程中应注意防喷涌及引起开挖面失稳和地面沉降的问题。需采用合理添加剂进行碴土改良。
盾构施工影响范围内粗砂层内的地下水具有微承压性,掘进过程中易发生突发性的涌水和流砂,可能造成地下空洞,严重时会随着地下空洞的扩大引起地面大范围的突然塌陷,必要时应采取注浆加固措施。
当掘进开挖面进入粉质粘土层、粘土层、粗砂层、全风化泥岩、强风化泥岩、中风化泥岩等地层组成的复合地层时,应注意推进油缸分组的压力控制。
上部土层为可塑状态,局部为软塑状态,围岩易坍塌下陷及变形。应控制好注浆压力,注浆压力应大于土压力的0.5bar。
参考文献
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异形盾构刀盘创新设计 篇3
1 南京地铁4号线
南京地铁4号线D3-XK02标东流站-青龙站区间左线长2 177m, 右线长度为2 189m。盾构施工地段主要穿越三叠系中风化泥质砂岩及下侏罗系中风化的泥质砂岩, 岩石的石英含量高。地下水以孔隙潜水和裂隙水为主, 渗透系数2×10-5m/s。
通过隧道由经区域取样点的岩石强度试验分析, 岩石单轴抗压强度平均为30~40MPa, 最大单轴抗压强度可达80~90MPa, 岩石强度较高。
根据地层地质情况和渗透系数, 设备选型为土压平衡盾构, 南京地铁四号线穿越的是基岩层, 且岩石强度较高, 刀盘应采用复合式刀盘, 并配备滚刀以破碎岩石, 地层主要由中风化的泥质砂岩组成, 易结泥饼, 因此要兼顾刀盘开口率, 在保证强度的同时, 尽量增加开口率, 而且地层含三叠系岩层, 石英含量较高, 因此刀盘的防磨、耐磨性要好。基于以上分析, 刀盘的设计如图1所示。
刀盘采用4辐条+4辐板结构, 开挖直径 钢板材料Q345B, 总重57t, 保证了刀盘具有足够的刚度和强度, 而且这种结构形式的刀盘开口率较大, 能达到34%, 并辅助以泡沫系统进行土壤改良, 可以防止结泥饼和减少刀盘堵塞的风险, 刀盘上配备有40把17″盘型滚刀、76把刮刀和8把周边刮刀, 滚刀的刀间距为100mm, 起到了良好的破岩效果。在刀盘面板上焊有Hadox耐磨板, 其它易磨损位置进行网格状耐磨堆焊, 刀盘圆周焊接硬质合金条。刀盘背面设置4个搅拌棒, 可以实现碴土充分搅拌, 使碴土顺利通过。刀盘上布置5路独立的泡沫注入口, 起到很好的碴土改良效果。此结构刀盘已在南京现场施工, 效果良好。
2 长春地铁1号线
以长春地铁1号线解放大路到自由大路站、北京站到人民广场站区间为例, 长春地层主要为软土地层, 并含有大量泥岩层, 且围岩不稳定, 易塌方, 选择土压平衡盾构软土刀盘最为合理。刀盘设计不再是“破岩”, 而是“切削”土体, 软土刀盘受力较小, 结构简单, 刀具采用撕裂刀和刮刀配置较为合理, 图2为长春地铁1号线刀盘结构及刀具布置。
刀盘采用6辐条+6辐板结构, 开挖直径6.28m, 钢板材料Q345B, 总重46t。为了更好有效的切削土体, 中心刀采用鱼尾刀, 刀盘正面布置26把撕裂刀, 撕裂刀刀间距为96mm, 为了更好地提升刮刀的耐磨性以及抗冲击能力, 刀盘布置了60把宽刃刮刀, 在辐条周围布置了12把周边刮刀。由于地层的磨蚀性不强, 出于设备成本的考虑, 仅在圆周部位焊有Hadox耐磨板, 刀盘面板为网格状耐磨堆焊。当刀盘挖掘泥岩地带, 很容易造成刀盘处结泥饼, 堵塞刀盘, 设计上采取了以下的应对措施防止泥饼形成。
1) 将刀盘开口率增加至36%, 特别是加大刀盘中心部位开口, 防止物料滞留。
2) 刀盘背部设有5个动态搅拌棒, 加强物料的搅动。
3) 刀盘上布置6路泡沫注入口, 可以有效地进行土体改良。
4) 中心隔板配备高压冲水口, 一旦中心处结泥饼, 可以通过喷射高压水进行缓解和治理。
3 莞惠城际GZH-6隧道
莞惠城际GZH-6隧道地质主要由微风化的混合片麻岩构成, 岩石的单轴抗压强度最大值为83MPa, 岩石较硬, 选择土压平衡盾构的复合式刀盘较为合理。刀盘主要配备滚刀和刮刀, 刀盘结构见图3。刀盘开挖直径8.83m, 材料Q345C, 重量91t, 刀盘采用12辐条+6辐板结构, 为了达到最好的破岩效果, 配备54把17″单刃滚刀, 刀间距92mm, 188把刮刀及24把周边刮刀, 刀盘设有8路独立泡沫注入口, 起到很好润滑土体效果, 有利于减少刀具磨损。
4 结论