（机械制造及其自动化专业论文）地质适应性刀盘方案设计方法与流程研究.pdf

盾构刀盘是盾构机完成掘进功能的主要载体，是决定隧道施工质量的关键部 件。选择设计出与开挖地层相适应的盾构刀盘就成为了盾构机设计的关键。盾构 刀盘的地质适应性设计是一个多输入多输出的复杂过程，涉及的参数不仅包括刀 盘系统参数、地质参数，还包括盾构施工参数，怎么将这些相关参数联系起来完 成刀盘的设计流程是关键。因此，本文开展了盾构地质适应性刀盘设计方法与流 程方面的研究。 本文的主要研究内容如下。 ( 1 ) 通过对盾构刀盘功能和施工问题的分析研究，确立了刀盘设计的功能用 户需求；以功能需求为中心，通过分析地质参数、施工参数与刀盘系统结构分别 和功能需求的影响关系，建立了从地质参数到刀盘结构参数的映射关系。为刀盘 的地质适应性设计提供了基础依据。 ( 2 ) 通过蹿相关文献及工程实例数据的研究，总结了刀盘设计的经验规则， 为盾构刀盘的设计提供了重要的方法与依据，通过实例验证设计规则的有效性与 实用性。 ( 3 ) 核心内容是建立了基于b p 神经网络的刀盘开口率预测模型，由于盾构 刀盘设计过程的复杂性、非确定性和非线性，所以本文将神经网络方法运用到刀 盘设计中，通过实例验证了预测模型的准确性与可行性。 ( 4 ) 建立了基于a h p ( 层次分析法) 的c b r ( 基于实例推理) 刀盘设计模 型，利用层次分析法对刀盘设计相关影响参数进行了权重计算，克服了计算参数 权重过程中利用经验的困难，通过实例验证了模型的准确性与实用性。 ( 5 ) 通过对机械产品设计流程及刀盘设计方法的研究，建立了基于正、逆向 工程相结合的地质适应性刀盘设计流程，通过实例验证了流程的实用性。 ( 6 ) 对刀盘设计方案进行了参数化建模，并把三维模型导入a n s y s 分析软件 中进行了刀盘结构强度的分析，为刀盘的数字化设计和数字化设计平台的构建提 供了基础。 关键词：盾构机刀盘设计方法设计流程 a bs t r a c t b e i n gt h em a i nc a r r i e ro fs h i e l dm a c h i n et oc o m p l e t et u n n e l i n gc a p a b i l i t i e s ，t h e c u r e rh e a di sac r u c i a lf a c t o ri ni n f l u e n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo fs h i e l dm a c h i n e i ti sa k e yt ot h es h i e l dm a c h i n et od e s i g n i n gt h ec u t t e rh e a dt h a ti s c o m p a t i b l ew i t h s t r a t i g r a p h i ce x c a v a t i o n t h ed e s i g no ft h ec u t t e rh e a di sac o m p l e xp r o c e s st h a t i n c l u d i n gm u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u ti n v o l v i n gn o to n l yt h ec u r e rs y s t e mp a r a m e t e r s ， b u ta l s og e o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dt h ec o n s t r u c t i o n p a r a m e t e r s a n dt h ek e yi sh o w t o l i n kt h e s ep a r a m e t e r st o c o m p l e t et h ec u r e rh e a dd e s i g np r o c e s s t h e r e f o r e ，t h i s a r t i c l em a k e sar e s e a r c ho nt h eg e o l o g i c a ls u i t a b i l i t yc u t e rh e a dd e s i g nm e t h o d sa l l p r o c e s s s o m ea c h i e v e m e n t sw e r em a d ei nt h ep r e s e n t s t u d ya sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef u n c t i o n sa n df a i l u r e t h eu s e rd e m a n do ft h e c u t t e rh e a dd e s i g nw a se s t a b l i s h e d i na na d d i t i o n ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ng e o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r sa n dt h ec u t t e r s y s t e ms t r u c t u r e ，t h em a p p i n gf r o mt h eg e o l o g i c a lp a r a m e t e r st ot h ec u t t e rs t r u c t u r e w a se s t a b l i s h e dt h r o u g ht h eu s e rn e e d sa st h ec e n t e r t h e r e f o r e ，i tp r o v i d e st h e t h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h ec u t t e r - h e a d d e s i g n i n g ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e l e v a n tl i t e r a t u r ea n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n , t h er u l eo fc u r e rh e a dd e s i g n i n gw a se s t a b l i s h e d t h e r e f o r ei t p r o v i d e si m p o r t a n t m e t h o d sa n db a s i sf o rt h ec u t t e r - h e a dd e s i g n i n gf o ri t se f f e c t i v e n e s sa n dp r a c t i c a l i t y ( 3 ) t h ec o r ec o n t e n ti st oe s t a b l i s ht h em o d e lo fp r e d i c t i o no f t h ea p e r t u r er a t i o o ft h ec u r e rh e a db a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k b e c a u s eo ft h e c o m p l e x i t y , n o n d e t e r m i n i s t i ca n dn o n l i n e a ri nt h ep r o c e s so ft h ec u r e rh e a dd e s i g n ，t h i sp a p e r a p p l i e sb pn e u r a ln e t w o r ki n t h ec u t t e rh e a d d e s i g n a n d i td e m o n s t r a t e st h e c o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo f t h i sm o d e lb ye x a m p l e s ( 4 ) ac a s e b a s e dr e a s o n i n gc u r e rp r e d i c t i o nm o d e lu s i n ge x p e r i e n c eb ya n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s si sp r o p o s e d t h em o d e lo v e r c o m e st h ed i f f i c u l t yo fm e a s u r i n g e x p e r i e n c ef o rd e t e r m i n i n gt h ew e i g h t so fa t t r i b u t e s i th a sb e e nv e r i f i e db ye x a m p l e s t h a tt h em o d e lu s i n gt h e a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sw a sa c c u r a t e ，r e l i a b l e ，a n d e x p l a n a t o r yf o rs o l v i n gn e wp r o b l e m su s i n ge x p e r i e n c ef r o mp r e v i o u sc a s e s ( 5 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed e s i g np r o c e s so fm e c h a n i c a lp r o d u c t sa n d d e s i g nm e t h o d s ，ap r o c e s so ft h ec u t t e rh e a db a s e do nt h es e q u e n t i a le n g i n e e r i n ga n d r e v e r s ee n g i n e e r i n gw a se s t a b l i s h e d a n di t s f e a s i b i l i t yh a sb e e nv e r i f i e dt h r o u g h e x a m p l e s ( 6 ) t h ec u t t e rh e a dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lw a se s t a b l i s h e d a n dw em a d et h e a n a l y s i so f s t r u c t u r a ls t r e n g t ho f t h ec u t t e rh e a du s i n gt h ea n a l y s i ss o t i w a r e t h e r e f o r e ， i ta l s of o u n d e dat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e p l a n e to f t h ed i g i t a lt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：s h i e l d ，c u a e r - h e a d ，d e s i g nm e t h o d ，d e s i g np r o c e s s 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一旱殖记 新中国成立以来，特别是改革开放三十多年以来，我国经济获得飞速发展， 一跃成为世界第二大经济体。经济的迅速发展加快了城市化进程，特别是进入新 世纪以来，随着国家西部大开发战略，中部崛起战略和振兴东北老工业基地战略 的实施，需要投入大规模的基础设施建设。由于地面空间资源的限制和城市日益 严峻的交通问题，地下市政管线的改建、扩建工程都极大的促进了隧道及地下工 程建设的发展和应用。2 1 世纪将是中国地下空间开放利用高速发展的时期。 盾构掘进技术就是一项用于地下隧道工程建设的先进的技术，它具有施工质 量好、施工速度快、施工安全、自动化程度高、对环境影响小等特点。因而，盾 构掘进技术越来越多的应用于公路隧道、地铁隧道、铁路隧道、市政管道、水电 隧道的工程建设。所谓盾构技术是利用盾构掘进机挖土排土并修筑隧道的施工方 法【1 1 。 盾构技术起源于英国，后来相继传入美国、法国、德国、日本、苏联等国家， 特别在2 0 世纪6 0 8 0 年代期间，盾构技术不断发展完善，开发了以泥水式、土 压式盾构工法为主的多种新型的盾构工法【2 。 图1 - 1 盾构机结构图 第一章绪论 进入新世纪以来，盾构机已经成为集机、液、电、气于一体的大型专用施工 设备，盾构工法已经成为了隧道施工的主要工法。由于对于盾构机的使用与研究 起步比较晚，基础比较薄弱，所以目前国内对于盾构机的生产技术与科研水平还 比较低。国家也很重视我国的自主创新能力建设，对盾构机等复杂装备的生产研 发课题投入了很多的资源。 盾构机由刀盘、推进装置、管片装置、动力装置、控制系统等部分构成，如 图l 一1 所示。刀盘作为盾构机掘进的关键部件之一，对盾构掘进机的掘进性能和 施工效率起到关键的作用。刀盘位于盾构机的最前端，作为与土体直接接触的部 件起到开挖土体、支护围岩、搅拌排土的功能，是盾构掘进的直接完成者。所以 刀盘系统设计的好坏直接影响盾构施工进度和盾构施工的经济效益，更能影响盾 构施工的安全性及国家利益。2 0 0 5 年，正在广州珠江底施工的两台盾构机分别 发生了严重的刀盘开裂和解体事故。其中一个刀盘近l 3 结构性解体，造成了严 重的经济损失。正是由于施工中使用的盾构刀盘设计不合理，不能适应地质的要 求，导致了刀盘破坏，影响了施工进度，造成了严重的后果。所以，刀盘设计的 是否合理是直接关系到盾构施工效率和工程质量的关键问题，是亟待研究解决的 实际问题。因为隧道施工是在一定的地质施工环境( 工程地质、基础地质、水文 地质等) 中进行的，所以，合理的刀盘设计就是能够适应各种地质条件要求的刀 盘设计，不同的地层对应不同的刀盘，即刀盘的地质适应性设计。目前，与一些 发达国家相比，我国在这方面的技术水平还存在很大差距。为了提高我国复杂机 械装备的自主研发能力，提高盾构施工的经济效益，进行刀盘地质适应性设计的 研究是非常重要的【3 】。 1 2 国内外研究现状 不少学者通过分析地层性质对地质分类，进行刀盘的选型设计及刀具的配 置，取得了不少有价值的成果 4 “1 0 】。为了能够找到地质参数与刀盘结构参数之间 的关系，研究出更有效的刀盘设计方法，不少学者都把目光投向了工程实例数据 l 【l 】1 4 】 l o 不少学者都对刀盘选型设计进行了研究，如何小娥，宋克志等对面板式刀盘 和辐条式刀盘在刀盘土舱结构、土压管理、泥饼、负载及磨损、结构特点、设备 维护、对恶劣环境的适应性等方面进行了对比，为刀盘选型设计提供了重要的指 导意义 1 5 1 6 ：宋克志，袁大军，王梦恕等人介绍了目前刀盘上配置的常用刀具 型式及其切割技术，对刀具的配置设计有很大价值【l 7 】；李建斌介绍了进行刀盘 设计时，分别考虑刀盘的结构形式、刀盘开口率、刀具的布置等因素对地质的适 第一章绪论 应性，对确保开挖面稳定，提高掘进速度具有重要参考价值【l8 】；郑晓燕针对某 盾构区间的地质情况，分析了盾构刀盘的结构设计和刀具配置，认为刀盘的结构 与刀具的配置关系到盾构能否顺利掘进，不同的工程地质需要选用设计不同的刀 盘结构，配置不同的刀具【l9 1 。 通过研究分析已经取得的成果可以看出，这些研究主要集中在对刀盘实例的 分析研究上，通过分析刀盘刀具工作机理得出对刀盘改进方法或者刀具配置方 法。而对于不同地质条件下刀盘的设计，也集中在总结一些经验规则方面，比如 典型地层条件下刀盘型式的选择和刀具配置方法【2 0 也1 1 。而对于体现地质适应性 的刀盘设计还没有形成比较科学的、完整的刀盘设计工作流程和方法。为此加强 这方面的研究对于自主开发具有重要的意义。 目前对盾构掘进机相关课题进行的研究，主要有以下几个方面【2 2 2 7 1 。 ( 1 ) 刀盘设计影响因素的研究，对影响刀盘设计的地质因素、施工因素等 参数进行了研究，并且通过工程实例或者实验数据对有关参数对刀盘设计的影响 关系进行了分析研究，取得了一些有价值的成果。 ( 2 ) 盾构刀盘结构型式的研究，总结分析了盾构刀盘的不同结构型式，并 从结构特点、施工效率、压力控制等各方面对不同型式的刀盘特性进行了对比分 析，为刀盘设计提供了依据。 ( 3 ) 盾构刀盘设计经验规则的研究，从工程实际施工过程中，总结了一些 有关刀盘选型设计的经验规则，这些经验规则是通过实践检验的，为盾构刀盘的 选型设计提供了重要的依据。 ( 4 ) 有关盾构刀具切削机理的研究，利用实验、有限元分析对刀具的切削 机理及受力情况进行研究，建立了很多的刀具受力模型及磨损模型，进而进行了 有关刀盘布刀规律的研究，取得了一定的研究成果，为刀具的选择布局提供了基 础。 ( 5 ) 工程实例的研究，通过研究分析施工参数变化情况和刀盘磨损情况等 状态参数，利用回归拟合等方法对工程数据进行处理，希望找到参数之间的影响 关系，也取得了一些有价值的成果，特别是关于施工参数与刀盘受力之间的影响 关系，建立了一些有实际应用价值的公式模型。 综上，关于盾构机刀盘的研究已经开展的比较全面了，通过大量的研究也取 得了很多的成果，但是这些研究还只是比较零散的分散在刀盘的不同方面，没有 对刀盘结构的整体设计进行研究。 第一章绪论 1 3 本文主要研究内容 本文研究的主要内容是地质适应性刀盘方案的设计方法与流程。本课题是国 家9 7 3 项目一全断面大型掘进装备设计制造中的基础科学问题子课题之一“岩土 切削机理与刀盘设计理论”的一部分。通过建立地质到刀盘结构及施工参数之间 的映射关系，运用正向设计与逆向设计相结合的方法，把有关刀盘设计技术串联 起来，形成了地质适应性刀盘的设计流程。 第一章阐述了课题研究背景，对该领域研究现状和存在问题进行总结分析， 提出本文的研究内容。 第二章在分析刀盘功能和常见失效形式的基础上，提出了刀盘设计的用户 需求；分别总结分析了刀盘结构、地质参数与用户功能需求的关系，通过刀盘的 功能需求建立了地质到刀盘结构的映射关系。为地质适应性刀盘设计流程的建立 提供整体框架和前提。 第三章研究基于实例的设计过程，通过对刀具配置进行基于实例推理的设 计，把得到的方案作为刀盘设计的整体方案，并通过实例进行了验证。 第四章通过总结工程实例数据，利用神经网络算法对数据进行统计处理， 对地质参数对盾构刀盘选型设计的影响关系进行量化，建立了利用地质参数计算 刀盘开口率的模型，为开口率设计提供参考。 第五章地质适应性刀盘设计的主流程研究。利用质量功能配置方法和神经 网络算法建立了地质参数映射到刀盘型式的计算模型，利用基于实例推理的方法 对刀具配置进行选择调整，最后通过评价体系和有限元分析对方案进行评价，指 导刀盘方案的调整设计，从而完成地质适应性刀盘的设计流程。 4 第二章刀盘功能结构分析 第二章刀盘功毹结构分析 2 1 盾构机类型及工作原理 目前最为常用的盾构类型有土压平衡盾构与泥水平衡盾构。通过向切削下 来的渣土中加入不同的添加剂材料，使渣土通过螺旋机或者泥浆管道排出。对 于不同的地质条件，施工的效率和施工的安全与选择哪种盾构方式密切相关， 根据地层性质、施工条件等因素选择合适的盾构方式是进行刀盘设计的重要前 提【2 8 2 9 1 。 2 1 1 土压平衡式盾构机 由于盾构技术的不断改善，土压平衡盾构机通过土体改良技术已经能够适 应多种环境和地层的要求，已经广泛用于隧道工程中。以德国海瑞克土压平衡 式盾构机为例分析盾构机的工作原理【3 0 】。 2 1 2 土压平衡式盾构机工作原理 开 图2 1 土压平衡式盾构机的工作原理图 盾构机掘进时，旋转的盾构刀盘在千斤顶的推力下带动刀具贯入土层实现 对土体的切削，切削下来的渣土流过刀盘开口充满压力舱和螺旋输送器，通过 螺旋输送器把泥土舱内的渣土排出，同时通过调节螺旋输送器转速控制排土 量，来控制压力舱内的压力以平衡开挖面土层的水、土压力；同时通过调节盾 构推进速度来控制土体开挖量，使流入泥土仓内的渣土量和螺旋输送器排出的 第二章刀盘功能结构分析 渣土量保持动态平衡，以保持开挖面土体的稳定和防止地面变形。如图2 1 所 示。 通过控制泥土仓内渣土的压力与前方地层水土压力的动态平衡，保持前方 土体稳定，这就是土压平衡式盾构机的工作原理。 2 1 3 刀盘系统功能分析 刀盘位于盾构机的最前端，是盾构机掘进的重要工作部件，主要具有以下 三大功能。 ( 1 ) 开挖功能：盾构刀盘在旋转的同时向前推进，带动刀盘上的各种刀具 对前方土体进行开挖，使切削下来的渣土顺利通过刀盘上设计预留的开口，进 入土舱内。 ( 2 ) 支撑稳定功能：通过刀盘上的非开口部分实现对前方土体的支撑稳定 作用，防止土体塌落及地表变形，尤其是在土压不容易控制或者土体缺乏自立 稳定性的情况下，刀盘面板就要起到很大的稳定支撑作用。 ( 3 ) 搅拌功能：为了有利于渣土排出和保持土压平衡，土舱内的渣土需要 有很好的流塑性，由于开挖地层一般满足不了流塑性要求，所以需要通过向土压 仓内注入添加剂材料和刀盘的搅拌才能满足要求。 2 1 4 刀盘失效分析 盾构掘进过程是盾构机刀盘，开挖地质和施工参数三者匹配耦合的过程， 如果刀盘设计不适应地质要求或者施工参数设置不合理都会影响施工效率，影 响施工质量，严重时还可能出现施工事故，造成人员和经济损失。在工程实际 中，常见的施工问题见表2 1 。 由表可知，工程实际中容易出现的常见施工问题分成了几类，并且对于不 同的地质条件，出现的施工问题有很大的侧重性，对刀盘系统的适应性也有很 大的侧重性。这些问题都是经过大量的工程实践总结出来的，是影响施工效率 与质量的重要因素，也是施工用户最为关心的问题。这些问题也是我们刀盘设 计时要避免出现的问题，所以是我们确定刀盘用户需求的重要依据，为刀盘设 计提供了重要基础 3 1 1 。 第二章刀盘功能结构分析 通过以上认真分析研究，本文认为刀盘的用户需求是：开挖功能、支护稳 定功能、搅拌排土功能、泥饼的预防、刀盘使用寿命、刀盘掘进性能及刀盘的 可维修性。 2 2 刀盘系统选型分析 刀盘系统是刀盘功能实现的直接载体。对于同一地质，不同结构型式的刀 盘，对不同功能需求的实现程度不同，所以我们首先对影响刀盘需求功能实现 的刀盘结构型式进行分析。 2 2 1 刀盘型式分析 刀盘主要有三种型式：辐条式、辐板式、面板式。 常见的三种刀盘型式如图2 2 所示。 第二章刀盘功能结构分析 司验 嘲斛j 聪ij d e f 图2 2 常见的盾构刀盘形式 图a 武汉地铁面板式刀盘；图b 武汉地铁面板式刀盘：图c 天津地铁辐板式刀盘；图d 南京地铁地铁面板式刀盘：图e 广州地铁辐条式刀盘；图f 北京地铁辐条式刀盘 图e 、f 所示，辐条式刀盘结构简单，主要由轮缘、辐条及布设在辐条上的 刀具组成。辐条多少是辐条式刀盘型式的主要区别，刀具布置在辐条的两侧。刀 盘开口率一般为6 0 9 5 ，属开敞式。 图a 、b 、d 所示，面板式刀盘一般为焊接箱形结构，与辐条式刀盘相比增加 了面板，结构较复杂。其上设置刀座、刀具、开1 1 、添加剂注入口及与主轴承 连接部件。切刀布置在面板上开v i 的两侧，滚刀布置面板是刀座。刀盘开口率 较小，一般为2 5 4 0 ，属闭胸式。 第二章刀盘功能结构分析 图c 所示，辐板式刀盘介于面板式和辐条式之间，兼有面板式和辐条式刀盘 的特点，由较宽的辐条和小块幅板组成，切刀和滚刀分别布置在宽辐条的两侧 和内部，开口率约为3 5 5 0 。 2 2 2 刀具型式分析 刀具是盾构施工的重要部件。盾构刀盘的开挖性能主要是通过刀具的选择 和布置来保证，不同的地层选择不同类型的开挖刀具。目前，盾构机上常见的刀 具有：滚刀、切刀、刮刀、先行刀、仿形刀等3 2 瑚】。 海瑞克公司常用刀具类型如表2 2 所示。 表2 - 2 海瑞克盾构常用刀具 刀具种类1 7 ”双刃中心刀 1 7 ”单刃滚刀1 7 ”双刃正滚刀 用于硬岩掘进，最用于硬岩掘进，刀刃距用于硬岩掘进，最大 大设计破岩能力离刀盘面1 7 5 r a m ，掌设计破岩能力 适应地质8 0 m p a ，刀刃高度子面与刀盘面间渣土空8 0 m p a ，刀刃距离刀盘 1 7 5 r a m ，背装式，间大，利于流动，可换面1 7 5 r a m ，背装式， 可换装齿刀装齿刀 可换装双刃齿刀 重咀i 。一h ，急 舞拦。黪慧魅盘 图示 囤 以 ur 雾 ? l圈蛐幽 刀具种类中心齿刀正齿刀切刀 皤大设计破岩能力 ( 、。世。台匕 = 曼八凳翼口一侧，设计破岩能 髓顺勰：嚣字兰辫翼m 一，同勰喜 可换装中心滚刀 儿叫耿衣上l 愀j 掘进中可用来刮渣 豁、 图示；零髓 笔r 铥。 j l = = 一 ：学t 裁 餐匿饕 z ，基： 刀具种类刮刀滚刀型仿形刀 刀盘弧形周边软土 适应地质刀具，同时在硬岩 掘进中可用来刮渣 用于局部扩大隧道断 面，行程8 0 m m 图示 嗵 越 第二章刀盘功能结构分析 2 2 3 刀盘i 开口 作为渣土进入土压仓的通道，刀盘开口的设计很重要。在不同地质中需要 选择设计相适应的刀盘开口。在粘性土中要预防泥饼的形成，刀盘开口在满足 强度、刀具布置等要求的情况下应尽量大；在软土等自立稳定性差的地层中要在 防止生成泥饼的同时还要满足刀盘支撑稳定开挖面的作用，防止开挖面失稳。在 砾石地层中，刀盘的最大开口尺寸要满足砾石的最大颗粒直径，保证能够顺利通 过刀盘开口进入泥土仓，但有时也会通过配置盘形滚刀，对开挖面的砾石进行 破碎，从而满足刀盘开口的尺寸。 2 2 4 刀盘支承形式 如图2 3 所示，刀盘支承形式可分为中心支承式、中间支承式和外周支承式 三种类型。其中，中心支承式结构简单，多用于中、小直径的盾构，机内空间狭 小，处理粒径大的颗粒比较困难。中间支承式结构平衡性好，主要用于大、中 直径的盾构。外周支承式机内空间较大，砾石的处理较为容易，但外周部分容 易粘附土砂，在粘性土中掘进时，应注意防治结饼的问题。刀盘的支撑形状可 采用环状( 鼓形) 和方柱形( 柱形) 两种。 中心轴支撑 2 3 刀盘选型分析 周围支撑型中间支撑型 图2 3 刀盘支承方式 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。只有对刀盘进行地质适应性设计，使刀盘能够适应地质条件的要 求，才能减少事故的发生，才能匹配良好的施工参数，提供施工效率与质量。 1 0 蒸 第二章刀盘功能结构分析 结合工程实践和理论研究及实验数据，在已有研究成果的基础上，通过研 究提炼，我们归纳了有关刀盘设计的经验规则，可作为设计准则对刀盘进行初 步的正向设计，用于刀盘的地质适应性设计流程中【3 4 1 。 2 3 1 刀盘选型规则 刀盘选型的主要因素是影响地层自立稳定性的地质条件和是否需要安装滚 刀，通过工程实践及理论分析，总结得到了如表2 3 所示的关于刀盘选型的经验 规则。 表2 3 刀盘选型规则 刀盘型式除了刀盘正面型式的选择外，刀盘侧面形状也需要与地质特点相 适应，如表所示为刀盘侧面形状的一些选择规则【35 1 。 表2 - 4 刀盘侧面形状选型规则 地质类型刀盘侧面形状 内聚力大的粘土地层 宜采用突芯型的断面结构 砂土等不稳定的地层宜采用垂直平面型刀盘结构 复合地质和风化岩地层、岩石地层( 抗压强度高于3 0 m p a ) 采用穹顶型断面结构 第二章刀盘功能结构分析 2 3 2 刀具选型规则 刀具布置方式及刀具种类是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机 的切削效果、出土状况和掘进速度。 刀具的选择包括刀具种类的选择和数量的配置，设计刀具应考虑以下因素。 ( 1 ) 刀具在砂石地层中的切削效率，即如何降低切削阻力，保证土体切削 的流畅性。通过刀具的配置，减少刀具磨损量，提高刀具的使用寿命。 ( 2 ) 在软土地层中掘进，保证渣土的流动性，保持开挖面的稳定性。 ( 3 ) 能适应城市施工的需要，尽可能减少施工过程中对周边土体及环境的 干扰，如振动、噪音等。 ( 4 ) 从材料和设计方面，保证盾构机刀具长距离掘进的可靠性。 ( 5 ) 为了实现曲线掘进、调整、纠偏刀盘上一般都会配有仿形刀 3 6 1 。 表2 - 5 为海瑞克盾构机的主切削刀的配置。 表2 - 5 海瑞克主切削刀配置规则 2 3 3 布刀方式 不同的刀具布置在刀盘上不同的位置上，由于考虑到刀盘需要正反旋转和刀 盘受力的对称性，因此切刀一般对称布置在开v i 槽的两侧。为了提高切刀的可 靠性，在每个切削轨迹上至少布置2 把，在周边切刀的工作量相对较大，磨损 后对盾构切e l 环尺寸影响较大，可以考虑布置较多的切7 j ( 刮7 3 ) 。 目前比较典型的滚刀布置方式有：单螺旋式和双螺旋式，如图2 - 4 所示。盘 形滚刀布置的原则是使刀盘所受合力通过刀盘的中心，并且所受的倾覆力矩为 零【3 7 38 1 。 第二章刀盘功能结构分析 _ 。h 、 滋黼髓1 。烬拶 绽险o 一 - - 一一 单螺旋布置 2 3 4 刀盘支撑方式 图2 4 刀具布置方式 刀盘支撑方式选型规则如下表2 - 6 所示。 双螺旋布置 表2 - 6 刀盘支撑方式选型规则 地质类型刀盘支撑方式 砾石地层( 粒径大于2 0 r a m )中间支承方式或者周边支承方式 软弱的粘土地层( 粒径为0 0 7 5 r a m 以下的颗粒含量超宜采用中心轴支承方式 过全重3 0 ) 2 3 5 其它设计 1 搅拌棒：刀盘后面板和土舱内壁上都有搅拌棒，刀盘旋转时，通过搅拌 棒对土舱中的渣土进行搅拌，提高其流塑性，利于土压管理和渣土排出。 2 添加剂注入口：向掘进前方土体注入添加剂材料，软化土体以利于刀具 容易切削，并且能够使渣土有好的流塑性，有利于土压管理和降低刀盘功率。 3 耐磨设计：对于摩擦系数大的土体材料，刀盘表面和外周一般都要焊接 耐磨条，保护刀盘和刀座磨坏，提高刀盘刀具使用寿命p 州1 l 。 2 4 刀盘设计规则应用实例 1 沈阳地铁一号线小什字街至滂江街站盾构区间 第二章刀盘功能结构分析 本标段隧道区间穿越中粗砂层、圆砾层，其中大于2 0 m m 颗粒占总重的2 0 - - 3 0 。从实际出土情况看，大于2 0 m m 的颗粒占总重的4 0 ，钻探过程中 所见最大粒径1l o m m ，实际开挖过程中发现最大粒径4 0 0 m m 。围岩类别为i 、 i i 类，地层处于中密密实状态，无侧限抗压强度在3 0 m p a 左右，承载力标准值 3 0 0 k p a 5 0 0 k p a 。此地段地基土渗透系数4 0 , - 、一, 8 0 m d ，地下水类型为第四系孔 隙水。隧道穿越的地层总体岩性坚硬、自立稳定性强f 4 2 棚】。 ( 1 ) 刀盘型式选择 首先根据刀盘选型规则，砂质地质条件下，根据地层自立稳定性选择辐条 式或者辐板式刀盘。由于本区间地层处于中密密实状态，承载力标准值为 3 0 0 k p a , - 一5 0 0 k p a ，地层的自立稳定性比较好，选择辐条式刀盘。 ( 2 ) 刀具配置设计 根据刀具配置设计规则，由抗压强度选择刀具的种类如下：中心鱼尾刀、 齿刀、先行刀、齿刀作为周边刀，由于需要曲线掘进，需要配置仿形刀。 ( 3 ) 刀盘支撑方式选择 根据刀盘支撑方式选择规则选择中间支撑方式。 刀盘方案设计结果如表2 7 所示。 表2 7 刀盘方案设计结果对比表 如图2 5 所示，设计结果与实际方案基本相同，并且经过工程实践的检验， 实际的刀盘方案在掘进施工过程中表现良好，盾构机的刀盘扭矩、推力、土舱 出土温度、掘进速度等技术参数处于良好状态，较好地适用于地层的隧道开 挖，在刀具未产生严重磨损的情况下取得了令人满意的掘进业绩。说明此设计 规则是有效的，实用的。 1 4 第二章刀盘功能结构分析 图2 5 刀盘实例方案示意图 保护刀 齿形刀 2 沈阳地铁l 号线重工街站启工街站盾构区间 隧道穿越的地层主要为中粗砂、砾砂，其中夹杂卵石，最大粒径7 5m m 。 隧道穿越的地层渗透性强，含水量大f 州。 ( 1 ) 刀盘型式选择 本段工程地质与上例中的地质条件比较接近，根据刀盘选型规则可知，砂 质地质条件下，根据地层的自立稳定性选择辐条式或者辐板式刀盘。本段区间 地层渗透性强，含水量大，自立稳定性较差，所以选择辐板式刀盘。 ( 2 ) 刀具配置设计 根据刀具配置设计规则，应该选择齿刀作为主切削刀，配置中心鱼尾刀、 先行刀、齿刀作为周边刀，由于需要曲线施工，需要配置仿形刀。 ( 3 ) 刀盘支撑方式选择 根据刀盘支撑方式选择规则选择中间支撑方式。设计结果与实际方案如表 2 8 所示。 表2 8 刀盘方案设计结果对比表 刀盘方案刀盘型式支撑型式刀具配置 设计结果辐板式中间支撑 中心鱼尾刀齿刀 先行刀周边齿刀仿形刀 实际方案辐条式中间支撑中心鱼尾刀切刀先行刀周边刮刀仿形刀 本工程实际施工中使用的刀盘如图2 - 6 所示，通过方案对比可知刀具配置设 计方案有所不同，实际方案中的主切削刀用的是切刀，而不是齿刀，周边刀用 第二章刀盘功能结构分析 的是周边刮刀，没有周边保护刀和周边齿刀。在掘进过程中，发现盾构机刀盘 扭矩增幅较大，推力较大，掘进速度缓慢。开仓检查发现，盾构机刀具损坏严 重，刀盘外周磨损非常严重。本工程穿越地层主要为砾砂层，局部有大粒径块 石、卵石，由于选择的刀具不合适，切刀、刮刀不能适应此地层施工的要求， 当周边刮刀及外周刀具磨损破坏后，刀盘外周边及边缘侧板就受到了严重磨 损。后来通过刀盘修护，把切刀和周边刀都换成了齿刀，结果发现各个施工参 数都表现良好，顺利的完成了工程施工。由此证明刀盘设计方案是合理的，是 与地质性质相适应的，刀盘设计规则是实用的，有效的【4 5 1 。 先行 中心 切刀仿形刀 汀、渣 黼镳 。叮酬 范蕊旒黻 图2 6 刀盘实例方案示意图 2 5 刀盘设计影响因素分析 口 对于刀盘设计的影响因素，我们从前面总结的刀盘设计经验规则及盾构施 工过程中经常遇到的问题中，可以提炼出影响刀盘设计的地层性质主要有地层 的自立稳定性、地层的强度、地层的粘性、土体的塑流性以及地层颗粒的研磨 性。为了研究影响刀盘设计及施工的地质因素，也有学者以土舱内的渣土为研 究对象，研究了为了能起到土压平衡的作用，土舱内的渣土的理想状态。从中 我们也可以更进一步的总结出影响刀盘设计的地质参数。 为了实现土压平衡的作用，土舱内的渣土的理想状态为“塑性流动状 态”，须具有以下性质： ( 1 ) 土体不易固结排水，有较高的压缩系数，否则会 在泥土舱内形成“泥饼”，影响泥土舱内土体的排出；( 2 ) 土体具有较高的含 水量，较低的强度，有较高的流动度，这样有利于泥土的塑性流动，保证渣土 第二章刀盘功能结构分析 的顺利排出；( 3 ) 土体具有较低的内摩擦角，这样有利于降低刀盘的扭矩和切 削刀具的磨损：( 4 ) 土体具有较低的透水率，这样有利于保持开挖面的压力， 也能防止发生“喷涌”事故 4 6 - - 4 8 】。 我们从理论和施工实践两个方面对影响刀盘设计的地质因素进行了分析，认 为影响刀盘选型设计和刀盘正常施工的地质性质主要有地层的自立稳定性、地 层的强度、地层的粘性、土体的塑流性以及地层颗粒的研磨性。 2 5 1 刀盘结构与地质性质映射关系 在总结分析了刀盘系统的用户需求功能，影响刀盘功能发挥的刀盘结构形 式、地层性质以及施工参数以后，我们就可以建立刀盘功能与地层性质的映射 关系。我们利用质量功能配置方法，以质量屋的形式建立起它们之间的映射关 系。 质量功能配置( q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t ，q f d ) 是将用户需求转化为产 品研发各个阶段的技术目标和控制规程的多层次演绎分析方法。q f d 方法代表 了现代设计方式的先进思想，体现了产品设计过程中的系统工程思想。我们通 过分析研究以上盾构常见问题和刀盘功能，在总结地质性质的前提下，利用 q f d 方法建立了从地质性质到刀盘功能需求的映射关系f 4 9 1 。 表2 - 9 地层性质与刀盘系统功能对应关系 重要 度 l o 1 0 8 6 支护稳开挖功搅拌排工作防止 寿命与复合地层 定功能能土功能效率泥饼经济性适应性 可维 修性 o o 3 7 2 稳定性ooooo 强度 o 流塑性 o oo 粘性 o ooo 4 54 3 84 03 6 3 8 63 93 6 注：o 弱关系，中关系，强关系 首先对盾构机的客户需求进行调查，通过质量功能配置，将模糊的客户需 求转化为产品设计需求，如表2 9 所示。 图中，用o 表示弱关系，关系指数1 0 ；表示中关系，关系指数1 2 ； 表示强关系，关系指数1 5 。任意一组产品设计需求和客户需求关系指数可以表 示为r i i 。通过客户和设计人员的共同参与，确定客户需求权重系数，对其进行 分析，1 0 为最重要，l 为最不重要，第i 项客户需求的权重为i 。由此，第i 项 产品特征需求评价值( e i ) 由式2 1 计算。 1 7 第二章刀盘功能结构分析 巨= r 一， j = 1 ( 2 1 ) 霾鬟莲蓁粪蓁i i u 募萎 口掘进 盘舱 。 支撑 形速度转压 雩方式 状 速力 水 能 类 定搅拌出渣 1 0 o oo 功能 性 防止篆成泥 8 o 能 清理篙修方 7o o o 类 “ i - - - , k l 三! ：兰塑兰壹 8 oo 面i 百一 躲7 驭较长寿命 o 济 刀蠢荽客不 6 。 。 。 类 刀蠢契誓不 6。 。 。 。 刀盘需求评价 4 8 3 2 67 7 17 9 57 5 48 0 4 5 1 66 6 86 6 84 7 41 7 5 3 6 4 _ _ - _ _ - = = = _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - i _ _ i _ _ 一 注：o 弱关系，中关系，强关系 通过建立“质量屋”这种直观的矩阵展开框架，我们从需求项中提炼出盾 构刀盘的目标参数，为刀盘的地质适应性设计提供了保证。 刀盘系统功能与刀盘系统结构之间的对应关系如表2 1 0 所示。 综合分析考虑盾构刀盘产品特征需求和产品设计需求关系，我们分析出重 要的产品设计需求项如下： 刀盘结构刀盘型式、开口率； 刀具配置刀具种类、刀具数量； 口7，l 肿率 盘式刀型具量刀数具类刀种 搅拌棒 注入口配置 需求重要度 数 参 第二章刀盘功能结构分析 施工参数掘进速度、刀盘转速、土舱压力； 辅助其它搅拌棒、支撑方式。 2 6 地质参数分析 在上面用户需求分析中，我们只是分析到了影响刀盘设计的地层性质，而 对于决定地层性质的地质参数，我们还没有与地层性质及刀盘结构对应起来。 下面我们就从分析地质分类开始，总结提炼决定地层性质的地质参数。 2 6 1 工程地质分类 在分析影响地质特性的地质参数研究上，影响刀盘设计的地质参数研究 上，不少学者也做了很多努力，得出了一些比较有价值的成果 5 5 4 1 。 c j n u t t a l l ，e m e v e n ，b f w i l l e t t e e 针对土体与耕作机械的相互作用 选定内聚力c ，内摩擦角p ，密度p ，弹性模量e ，粘性系数等作为土体特性参 数。 a s o l t y n s k i 结合土体的库仑定律，把正应力，剪切应力，内聚力c ，内摩擦 角c p 作为土体特性参数。 陈明雄等人结合传热学、力学和流体力学，选定土体密度p 、变形量、土 体内部温度t 、土体变形速度、土体比热c ，土体导热系数、土体弹模e 等作为 土体特性的地质参数。 a l e h o s s e i n ，h o o d 在研究t b m 刀具切削试验时，提出了如下的参数：重度 小剪切模量g 、n 值、土体变形模量e 、粘聚力c 、内摩擦角卟含水量w 和孔 隙比e 、无侧限抗压强度、体积模量、剪切模量g 、泊松比队粒径级配和土体 密度p 。 从以上研究中可以发现，由于不同学者研究的对象和角度不一样，所以得 出的地质参数也有所不同，刀盘设计是一个复杂的设计过程，涉及多输入多输 出的复杂关系，所以以上取得的成果不能够满足刀盘地质适应性设计的要求， 所以本文在总结前人成果的基础上，对影响刀盘设计的地质参数进行了认真总 结分析。 由于在不同的地质条件下，决定地层性质的地质参数不同，影响刀盘设计 的地质参数也就不一样。所以我们对地层进行分类，研究分析每类地层影响刀 盘设计的土体特性参数，为刀盘的地质适应性设计提供设计输入。 土的工程分类方法 1 9 第二章刀盘功能结构分析 土的工程分类是把不同的土分别安排到各个具有相近性质的组合中去，其 目的是为了人们有可能根据同类土已知的性质去评价其工程特性，或为工程师 提供一个可供采用的描述与评价土的方法。通常对建筑地基可分成岩石、碎石 土、砂土、粉土、粘性土五大类5 5 巧7 1 。 土的工程分类基本原则是所划分的土类能反映土性质的变化规律。土的工 程分类总起来可以归纳为三级分类。 第一级分类是成