（机械设计及理论专业论文）土压平衡式复合盾构刀盘的刀具优化配置研究.pdf

f l ， 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：i 煎过日期：兰! ! ! 年月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：压蓬垦导师签名础日期：皇! 竺年上月立日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 随着国家经济的发展，工程建设需求的不断增加，盾构机在隧道、 地下轨道交通等工程建设中得到了广泛使用。刀盘刀具是盾构机的关 键部件，其主要作用是支护掘进界面，破碎剥离岩土，实现碴土过流。 刀盘刀具合理配置是盾构实现高效稳定掘进的基本保证，也是减小刀 盘振动，保证刀盘受力平衡，减小掘进能耗，延长刀盘刀具寿命的重 要措施。在查阅了大量文献的基础上，结合工程实践，将盾构刀具的 选型、盾构刀具布置的关键因素分析以及盾构刀盘刀具的优化布置作 为拟解决的关键问题，进行了以下研究工作： 1 、提出了基于模糊理论的刀具选型方法。首先建立了地层抗压 强度和岩层完整程度的地质适应性隶属度函数，然后根据建立的模糊 规则库进行单因素评判，最后根据模糊综合评价模型对两种因素进行 综合评判，选出适应地层的刀具类型。 2 、对滚刀布置时涉及的刀间距和相位角两个关键因素进行了分 析。首先理论上推导出了岩石破碎体积的计算方法，在此基础上提出 了基于比能耗最小的刀间距确定方法；然后进行了滚刀切削实验，对 比能耗随刀间距的变化趋势进行了验证；最后对工程实际中的盾构刀 盘的刀具布置进行了改进仿真，分析说明了滚刀相位角在平衡刀盘受 力中的作用。 3 、分析了三种典型刀盘结构形式对地质条件的适应性，得出了 不同形式刀盘在受力方面的特点；根据刀盘在力学传递特性以及地质 适应性两方面的要求，指出了盾构刀盘设计时应该着重考虑牛腿、辐 条和肋板的联接以及刀盘的开口率等关键因素。 4 、采用遗传算法对滚刀进行了优化布置。以刀盘的径向不平衡 力最小、刀盘的倾覆力矩最小和刀具的破岩量基本相同作为优化目 标，建立了带约束的盾构刀盘滚刀布置优化模型，采用实数进行编码， 应用线性加权和法、罚函数方法建立该问题的适应度函数。通过 m a t l a b 编写遗传算法程序进行计算，得到参数的优化值，以满足设计 要求。 关键词：盾构机，刀具配置，刀间距，相位角，刀具选型，刀具布置 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h er i s i n g d e m a n df o rt h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ，s h i e l dm a c h i n eh a sb e e nw i d e l y u s e di nu n d e r g r o u n de n g i n e e rc o n s t r u c t i o n s ，s u c ha sc o n s t r u c t i o no f t u n n e la n do r b i tt r a f f i c c u t t e r - h e a di sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fs h i e l d m a c h i n ea n di tp l a y sam a jo rr o l et ob r e a kr o c ka n ds u p p o r tt h et u n n e l i n g i n t e r f a c e t h er e a s o n a b l ed i s p o s i t i o no ft h ec u t t e r si st h eb a s i cg u a r a n t e e f o rt h em a c h i n et ot u n n e le f f i c i e n t l ya n ds t a b l y ，a n da l s oa ni m p o r t a n t m e a s u r et or e d u c ev i b r a t i o no ft h ec u r e r - h e a d ，b a l a n c et h ef o r c eo ft h e c u r e r ，r e d u c et h et u n n e l i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n de x t e n dt h el i f eo f t h ec u r e r - h e a d b a s e do ns u b s t a n t i a ll i t e r a t u r ea n di n t e g r a t i o no ft h e o r i e s w i t hp r o j e c tp r a c t i c e ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h et y p es e l e c t i o no fc u r e r s ， k e yf a c t o r sa n a l y s i so fc u r e ra r r a n g e m e n ta n dt h eo p t i m i z a t i o no f i t t h e m a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h em e t h o do fs e l e c t i n gc u t t e r st y p eb a s e do nf u z z yt h e o r yi s p r o p o s e d f i r s t ，t h em e m b e r s h i pf u n c t i o no f t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n d t h ei n t e g r i t yo ft h er o c ka r es e tu p ，a n dt h e nt h es i n g l e - f a c t o re v a l u a t i o ni s c a r r i e do n a c c o r d i n g t o f u z z y r u l e se s t a b l i s h e d f i n a l l y , t h e c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n i se x e c u t e db a s e do nf u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm o d e li no r d e rt os e l e c tt h ec u r e rt y p ea d a p t e dt ot h es t r a t a 2 t h et w ok e yf a c t o r ss u c ha sc u ts p a c i n ga n dc u r e rp h a s ei n v o l v e d i nc u r e ra r r a n g e m e n ta r ea n a l y z e d v o l u m eo f b r o k e nr o c ki sd e d u c e di n f i r s t ，t h em e t h o do fc a l c u l a t i n gt h e t h e o r e t i c ，a n di tl e a d st ot h ep r o p o s a l o ft h em e t h o d st od e t e r m i n ec u ts p a c i n gb a s e do nt h em i n i m u me n e r g y c o n s u m p t i o n a n dt h e n ，a d i s cc u r e r c u t t i n ge x p e r i m e n ti sc o n d u c t e da n d t h et r e n do fe n e r g yc o n s u m p t i o nc h a n g i n gw i t hc u ts p a c i n gi sv e r i f i e d f i n a l l y , t h ec u r e ra r r a n g e m e n to fac u r e r - h e a dh a sb e e ni m p r o v e di n s i m u l a t i o na p p l i c a t i o n ，a n dt h er o l eo fc u r e rp h a s ea n g l ei nb a l a n c i n g l o a do ft h ec u r e r - h e a di sa n a l y z e d 3 t h e a d a p t a b i l i t y o ft h r e e t y p i c a l c u r e r - h e a ds t r u c t u r e st o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n si sa n a l y z e d ，a n ds o m es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e s i nl o a do ft h ec u r e r - h e a dw i t hd i f f e r e n tf o r m sa r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t sb o t hi nt h em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d g e o l o g i c a la d a p t a b i l i t yo f t h ec u r e r - h e a d ，i ti sp o i n t e do u tt h a tt h eb r a c k e t ， n t h ej o i n to f s p o k e sa n dr i b s ，a sw e l la st h eo p e n i n gr a t i oo fc u r e r - h e a d s h o u l db et a k e ni n t os e r i o u sc o n s i d e r a t i o nw h e nt h es h i e l dc u t t e r - h e a di s d e s i g n e d 4 g e n e t i ca l g o r i t h mi su s e dh e r ei no r d e rt oo p t i m i z ed i s c c u r e r a r r a n g e m e n t t h et i n g ss u c ha st h em i n i m u mo ft h ec u t t e r - h e a d sr a d i a l u n b a l a n c e df o r c e ，t h em i n i m u mo ft h ec u r e r - h e a d so v e r t u r n i n gm o m e n t a n dt h em i n i m u md i f f e r e n c eo fr o c kb r e a k i n ga m o u n ta r es e l e c t e da st h e o p t i m i z a t i o no b j e c t i v e s 1 1 1 eo p t i m i z a t i o nm o d e lo fc u t t e ra r r a n g e m e n t w i t hc o n s t r a i n ti se s t a b l i s h e d t h ef i t n e s sf u n c t i o no ft h ep r o b l e mi s e s t a b l i s h e db yu s i n gl i n e a r w e i g h t i n gm e t h o da n dp e n a l t yf u n c t i o n m e t h o d ，a n dt h e ni ti se n c o d e dw i t ht h er e a ln u m b e r s i ti sa c c o u n t e dw i t h m a t l a bg e n e t i ca l g o r i t h ma n do p t i m a lp a r a m e t e r sa r eg a i n e d k e y w o r d s ：s h i e l dm a c h i n e ，c u r e r d i s p o s i t i o n ，c u ts p a c i n g ，c u r e r p h a s e ，c u r e rt y p es e l e c t i o n ，c u r e ra r r a n g e m e n t i i i 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t 】：i 目录i v 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及来源1 1 1 1 课题研究背景1 1 1 2 课题来源2 1 2 国内外刀盘刀具配置的研究现状2 1 2 1 刀具配置方面2 1 2 2 刀具布置方面7 1 3 课题研究目的及意义1 1 1 4 本文的主要研究内容1 2 第二章盾构刀盘刀具载荷分析1 4 2 1 引言1 4 2 2 盾构刀具破岩机理1 4 2 2 1 单刀切削机理分析1 4 2 2 2 刀群组合切削机理分析1 8 2 3 刀具破岩的受力分析2 1 2 3 1 滚刀破岩受力分析2 1 2 3 2 切刀切削受力分析2 2 2 4 盾构刀盘掘进载荷的确定2 3 2 4 1 刀盘推力的确定2 3 2 4 2 刀盘扭矩的确定2 4 2 5 小结2 5 第三章基于模糊理论的刀具地质适应性选型2 6 3 1 引言2 6 3 2 刀具地质适应性选型的模糊数学理论2 6 3 2 1 隶属度函数2 6 3 2 2 模糊识别的基本原则2 8 3 2 3 模糊综合评价3 0 3 3 盾构机主要切削刀具3 1 3 3 1 切刀3 2 i v 中南大学硕士学位论文 目录 3 3 2 齿刀( 先行刀) 3 2 3 3 3 滚刀3 2 3 4 基于模糊理论的刀具适应性选型3 3 3 4 1 刀具适应性的单因素评判3 3 3 4 2 刀具地质适应性的综合评判3 6 3 5 小结3 7 第四章滚刀布置设计关键因素分析3 8 4 1 引言3 8 4 2 基于比能耗最小的刀间距确定方法3 8 4 2 1 滚刀刀间距的概念3 8 4 2 2 切削比能耗的概念3 8 4 2 3 岩石破碎体积的计算3 8 4 2 4 滚刀切削破碎岩石比能耗确定4 8 4 3 基于能耗最小最优刀间距确定方法的实验验证5 2 4 3 1 实验目的及内容5 2 4 3 2 实验系统及参数简介5 2 4 3 3 实验技术与方案5 4 4 3 4 实验结果及分析5 5 4 4 基于有限元的相位角对刀盘性能影响分析5 9 4 4 1 相位角的定义5 9 4 4 2 相位角改进前刀盘性能分析6 0 4 4 3 刀具相位角改进后刀盘的性能分析6 2 4 4 4 刀具相位角改进前后刀盘的刚度强度对比6 4 4 5 小结6 5 第五章复合盾构典型刀盘构型分析6 6 5 1 引言6 6 5 2 盾构典型刀盘的构型分析6 6 5 2 1 某辐条面板式盾构刀盘构型特点6 7 5 2 2 某面板式盾构刀盘构型特点6 7 5 2 3 某中方五分式盾构刀盘构型特点6 8 5 3 盾构刀盘的有限元分析对比6 9 5 4 刀盘构型设计关键因素分析7 2 5 4 1 牛腿和肋板7 2 5 4 2 开口率7 3 v 中南大学硕士学位论文目录 5 5 小结7 5 第六章基于多目标优化的盾构刀盘刀具布置方法7 6 6 1 引言7 6 6 2 遗传算法7 6 6 2 1 遗传算法的基本思想7 6 6 2 2 遗传算法的求解流程7 7 6 3 解决刀盘刀具布置问题的关键和思路7 9 6 4 滚刀布置多目标优化设计模型的建立8 0 6 4 1 优化模型设计变量的确定8 0 6 4 2 优化模型目标函数的确定8 1 6 4 3 优化模型的约束条件8 2 6 5 工程应用实例8 5 6 5 1 适用于工程地质条件的优化模型表述8 5 6 5 2 优化计算及结果分析8 7 6 6 小结9 8 第七章总结与展望9 9 7 1 论文的工作总结9 9 7 2 后续工作展望9 9 参考文献1 0 1 附录1 0 8 致谢1 1 4 攻读学位期间的主要研究成果1 1 5 v i 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景及来源 1 1 1 课题研究背景 第一章绪论 从1 8 1 8 年英国人m a r ci s a m b a r db r u n e l 从一条食船虫在船身上打洞一事受到 启发研究出盾构工法获得专利开始，盾构的发展已经经历了1 9 0 多年的历史。盾 构工法是在盾构的掩护下进行开挖和衬砌作业，它有足够的施工安全性；同时在 地下施工不影响地面交通，在河底下施工不影响河道通航；施工操作也不受气候 条件的影响；产生的振动、噪声等环境危害较小；对地面建筑物及地下管线的影 响较小，凭借这些明显的优越性，盾构法施工得到了广泛使用，目前已成为隧道 工程、地铁、公路、电讯、下水管道等城市基础建设的一种主要施工方法1 i 。 盾构刀盘是盾构机的关键部件之一，它位于盾构机的最前端，其功能主要是 在刀盘旋转时，布置在刀盘上的刀具切削隧道掘进界面的土体，对掘进界面的地 层进行开挖，开挖后的碴土通过刀盘的开口进入土仓；支撑掘进界面，具有稳定 掘进界面的功能；同时起到对土仓内的碴土进行搅拌，使碴土与膨润土、泥浆、 泡沫剂等充分混合，然后通过螺旋输送机将碴土排出。 图1 1 盾构掘进机 作为盾构施工的开挖部件的盾构刀盘刀具，并不是一开始就有的，它也经历 了从无到有，从盲目选择到因地制宜，针对性设计的历程。最初的盾构工法主要 是开放性地人工开挖掘进，并没有刀盘的概念，直到1 8 7 6 年才有了由几张板构 成的半球状刀盘，这才是盾构机刀盘的雏形；1 8 9 6 年，工程师普莱斯研制出了 轮辐式刀盘盾构，这台盾构的切削刀盘由4 个辐条型手臂组成，手臂上固定有切 削与刮削工具，从这时开始盾构刀盘便有了刀具选择和配置的概念；从2 0 世纪 初至今，盾构施工法在英、美、德、俄、法、日等国开始推广并得到了较快发展， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 盾构刀盘刀具的形式及其刀具配置方式也有了突飞猛进的发展。国内盾构的研究 发展始于1 9 5 3 年，以上海隧道工程股份有限公司、中铁隧道股份有限公司以及 北方重工为代表，先后研制出了网格式、网格挤压式、土压式、泥水式及矩形盾 构等各种形式的盾构机，使针对中国地域的盾构刀盘刀具的地质适应性配置研究 有了很大的发展1 5 - 8 】。 盾构刀盘刀具在掘进过程中会遇到淤泥质土层、粉砂层、圆砾层、黏土层、 残积土层、风化岩层、局部基岩等多种复杂地质状况，岩土物理力学参数随机变 化且差异极大，刀具刀盘承受着数十倍甚至上百倍的随机突变载荷，而且某些掘 进断面内地层软硬不均、变化频繁，局部岩石强度很高，这些对刀盘刀具的地质 适应性均提出了极高的要求。盾构刀具作为盾构掘进切削的主要工具，它的选型 与布置是盾构地质适应性研究的重要内容，其配置是否适合应用工程的地质条 件，直接影响盾构机的刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工 效率，开展这项研究对盾构机安全高效地施工具有重要的意义。 1 1 2 课题来源 本论文来源于9 7 3 国家重点基础研究发展计划项目“全断面大型掘进装备设 计制造中的基础科学问题 的“岩土切削机理与刀盘设计理论 课题 ( 2 0 0 7 c b 7 1 4 0 0 2 ) 以及湖南省博士后基金( 2 0 0 9 r s 3 0 2 3 ) 。 1 2 国内外刀盘刀具配置的研究现状 盾构刀具的选择和布置恰当与否，直接影响到盾构施工中的掘进效率的高 低，刀盘刀具磨损情况的轻重以及刀盘刀具的寿命的长短。刀具的选择与布置需 要充分考虑工程地质情况，进行针对性选择，不同的工程地质特点，采用不同的 刀具配置方案，同时刀具的布置也应尽量避免应力集中的出现，保证盾构刀盘的 寿命，以获得良好的切削效果和掘进速度。目前盾构工程中一般的刀具配置是： 软土地层采用只有切刀配置的刀盘，硬岩地层采用安装盘形滚刀的刀盘，而针对 软硬不均的地层采用切刀与滚刀组合的刀盘形式【9 ，l o l 。 1 2 1 刀具配置方面 所谓刀具配置主要是指刀具及刀具组的地质适应性选择以及各刀具之间的 安装配合位置关系的确定。 ( 1 ) 刀具及刀具组的地质适应性选型方面的研究 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 刀具及刀具组的地质适应性选型方面的研究，目前关于刀具地质适应性选型 研究的广泛说法是“切刀适用于软土、“滚刀适用于硬岩 ，国内外众多学者和 工程施工人员就刀具选型的问题做了大量的研究： 张学勇【l i 】在盾构刀具配置一文中指出切刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的 两侧，它一般适用于粒径小于4 0 0 t u r n 的砂、卵石、粘土等松散地层；先行刀超 前切刀布置，它在切刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创 造良好的切削条件，在松散体地层，尤其是砂卵石地层先行刀的使用效果十分明 显：在纯硬岩地层掘进时，采用滚刀破岩，滚刀刀圈的材质是滚刀能否胜任掘进 硬岩的关键。如有耐磨层表面的刀圈适用于掘进硬度为4 0 m p a 的紧密地层，硬 度为8 0 1 0 0 m p a 的断裂砾岩、砂岩、砂粘土等地层；标准钢刀圈适用于掘进硬 度为5 0 1 5 0 m p a 的砾岩、大理石、砂岩、灰岩地层；重型钢刀圈适用于掘进硬 度为1 2 0 - - 2 5 0 m p a 的硬岩，硬度为8 0 1 5 0 m p a 的高磨损岩层，如花岗岩、闪 长岩、斑岩、蛇纹石及玄武岩等地层；镶齿硬质合金刀圈适用于掘进硬度高达 1 5 0 - - 2 5 0 m p a 的花岗岩、玄武岩、斑岩及石英岩等地层。 宋克志【1 2 1 、张学勇j 在研究中还发现不同的工程地质需配置不同的刀具， 在软弱土地层一般只需配置切削型刀具，切刀的破岩能力为2 0 m p a ；在砂层、 砂卵石地层需要配备齿刀+ 切刀，先行刀在开挖面沿径向分层切削，预先疏松土 体，降低切刀的冲击荷载，减少切肖l j 力矩，而切刀是主刀具，用于开挖面大部分 断面的开挖，如遇到粒径较大的砾石或漂石，应配置滚刀进行破碎；在风化岩及 软硬不均地层，除配置切削型刀具外，还需配置滚刀；在单纯的硬岩地层，刀具 全部选用滚刀，无任何齿刀，有时需要在刀盘面板周边开口处配备刮碴刮刀板。 f t o w n s e n d ，p a u le j e r l k i l l s i l 3 j 在“t b m 的选型及规格”的报告中，指出应该根 据地层的软硬程度，合适地选择滚刀和切刀多刀具组合。 陈彬，刘计山【1 4 】在t b m 技术在当代岩石隧道工程中的应用一文中指出 t b m 滚刀适应的地层的抗压强度一般介于2 5 2 5 0 m p a 之间，但尤以5 0 1 0 0 m p a 为最佳。开敞式t b m 一般用于地质条件较好，要求隧道总长度的8 0 9 0 地段 必须是稳定的，岩石的抗压强度应在1 0 0 - - 3 0 0 m p a 之间，岩石的质量指标r q d 应为5 0 - - - 1 0 0 。密闭式t b m 也主要用于稳定的和无断层的地层中开挖隧道， 但是岩石强度和岩石的完整性程度包括范围更广，尤其在在岩石抗压强度为 5 0 5 m p a 、岩石质量指标r q d 为5 0 1 0 时，掘进速率更为显著。 陈叔【l5 j 在如何选用土压平衡盾构机施工复合地层一文中提出为适应岩层、淤 泥层、粘土层、砂层等各种土质的复合地层，刀盘应设计成能安装开挖岩层和土 层的两种刀具，切削不同强度的岩土材料时，刀具的更换要方便易行。 刘晓毅【1 6 1 在分析复合地层盾构机滚刀磨损原因时，指出刀具选用和使用应根 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 据不同的土质去选用不同材质、不同硬度、不同刀刃角的刀圈。如土质较硬应选 用刃角较大和硬度较强的刀圈，土质较软时应选用刃角较小耐磨性较高一些的刀 圈，而对付中风化、微风化的地层，在掘进时应选用刃角较大或者平刃角的刀圈。 同时指出对较硬地段应采用有较大破岩能力的单刃滚刀；对于岩石强度不太高的 岩层，可适用刀圈上带合金颗粒的滚刀。双刃滚刀适应抗压强度小于8 0 m p a 的 岩石，主要适应于软岩地层；单刃滚刀破岩能力强，主要适用于硬岩地层的破岩。 文献【1 2 】也有类型的结论。 t e a l e l l7 j 对具有刀圈刃角的几种滚刀进行了切削实验，发现刀圈刃角越尖， 侧向载荷越高，易导致刀具的破坏，因此在对刀具的选择过程中，应根据地质状 况选择合适的刀圈刃角。 h p s a n i 0 0 8 j 指出盾构刀具在选型时不仅应该注意到岩体的强度和变形能 力，更应该注意到岩石的可切削性和可钻性。t o o l a n e nb ，h a r t w i gs ，j a n z o nh i l 9 】 指出盾构刀具在选择和设计时应该保证有足够的强度和刚度来保证盾构能够高 效掘进，并能够承受相应的扭矩。 t a n a k am a s a h i k o ，a s a n ot a k e s h i ，a r a k a w ak e n j i 2 0 认为盾 构在掘进中往往存在一些软岩和硬岩的交接区域，提出一种平面型盾构掘进方 法，并指出及时更换刀具是很有必要的。 蒙先君1 2 l 】在盾构机刀具管理一文中指出盾构机刀具主要分为齿刀与盘型滚 刀两大类，前者主要用于软弱地层及强度在2 0 m p a 以下地层的开挖，后者适用 于强度较高的地层；并从启动扭矩的角度对滚刀的地层适应性进行了分析，指出 若滚刀启动扭矩过大，在较软、粘性较大地层掘进时，地层不能提供足够的扭矩 使刀具转动易导致刀具弦磨；若启动扭矩过小，刀具轴承必然会很松动，不利于 刀具受力。文献【1 2 】指出在软岩地层中，滚刀的启动扭矩应该小一些；在硬岩地 层中，滚刀的启动扭矩可以大一些。李建斌【2 2 】指出滚刀的启动力矩值设计为1 5 - 1 6 n m ，在软土地层掘进时具有抗停转效应，以避免滚刀偏磨。 上海隧道工程股份公司【2 3 j 在成都地铁一号线施工过程中，对刀具的配置进行 了试验和探索，得出了在砂卵石地层中盾构刀盘上中心应该使用双刃滚刀，正面 使用双刃滚刀、单刃滚刀以及刮刀配合布置的方案，才能使掘进效率和刀具磨损 达到最优值。 梁兴林1 2 4 1 对海瑞克和小松两台盾构在广州地铁四号线中的刀具配置进行了 对比，两个盾构机刀盘采用了不同的刀具配置理念，海瑞克盾构机采用“滚刀+ 刮刀”的配置较为简单，而小松盾构机采用“滚刀+ 先行刀+ 刮刀”配置较为复杂。 工程实践证明，这两种配置在软岩中掘进都较为适应，但在硬岩中掘进时，小松 盾构机破岩的效率明显较差，刀具磨损较快。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 张良辉f 2 s 1 针对广州复合地层中盾构施工技术难点，提出在广州复合地层中应 采用盘形滚刀、羊角刀和刮刀相结合的复合式刀具布置，这样的刀具布置可以同 时挖掘软土和硬岩。 李建斌【2 2 】在浅谈盾构刀盘的设计与应用一文中针对武汉长江公路隧道穿越 地层中石英含量高，属高磨损地质，盾构刀盘采用双刃碳化钨切刀和碳化钨镶嵌 型特殊滚刀，可以提高其耐磨性。 k o u r o s hs h a h r i a r a ，m o s t a f as h a r i f z a d e h 和j a f a rk h a d e m ih a m i d i l 2 6 j 指出在 t b m 的选型过程中，应将岩石的抗压强度和耐磨性作为刀盘选型的主要考虑的 因素，这样的结论在刀具的选型中也同样适用。 张国京【2 7 1 在北京地区土压式盾构刀具的适应性分析一文中从刀具破岩机理 出发分析，指出焊接式刀具一般用于粘土、粉土、粉砂等地层，嵌入式刀具由于 刀片不易脱落主要适用于砂卵石地层，中途需要更换刀具时需要采用栓接式或者 销接式刀具。 上述文献中陈述了在各种地层中应该选择的刀具类型，但多是基于经验或者 工程试验得出的定性的说法，在工程中的做法往往是先进行实验性的掘进，再确 定最终的刀具选型，缺乏一个合适的理论模型来盾构刀具的选择进行指导，因而 具有一定的盲目性。 ( 2 ) 刀具之间的安装配合位置关系的研究 刀具的选型和刀具在刀盘上的安装是相辅相成的，它们共同配合完成刀具在 刀盘上的布置，从而实现盾构机持久快速有效地开挖，关于各种刀具之间的安装 位置以及配合关系的主要有以下研究： r a d ，p f 【2 8 】在实验室对大理岩，石灰岩，花岗岩和石英岩等四种岩石进行 了切割实验，证明了上述四种岩石相邻割槽之间都有最佳间距和临界间距。 科罗拉多矿业学院o z d e m i r l 2 9 3 0 1 等人进行了实验室实验，发现刀具受力随着 刀间距比切深( s p ) 比值的增大而不断增大，提出了盘形滚刀最佳刀间距的概念， 为盘形滚刀的布置提供了参考，并建议刀具应按最佳或者大于最佳刀间距布置， 避免岩石过度破碎，同时也减少刀具费用。s n o w d o n 和r y l e y 3 1 3 2 】等于1 9 8 2 年、 s a n i o i s l 于1 9 8 5 年也发现了类似现象；国内华北水电学院茅承觉【3 3 】教授于1 9 8 5 年在研究中也发现了最佳刀间距的概念。 m o o n 3 4 1 使用d e m 优化s p 以确定最优的岩石切削条件( 使比能最低) ，提出 的最优s p 值是岩石材料脆度和刀具宽度的线性函数。 g e r t s c h 3 5 j 使用4 3 2 m m 等截面盘刀进行了红花岗岩的线性切割机试验，通过 分析表明7 6 r a m 刀间距接近最优，这时贯入量对比能几乎没有影响，这一刀间距 值常用在t b m 刀盘设计中。 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 a c a r o g l uo ，o z d e m i rl 【3 】指出刀盘设计时，主要应该考虑刀盘直径、刀具数 量、推力、扭矩以及刀间距等因素。其中适宜的刀间距是影响切削效率的关键因 素，一个小的偏离将使刀具切削效率急剧下降。 f t o w n s e n d ，p a u le j e n 虹n s l l 3 j 指出在对刀具进行布置时，应该主要考虑选 择的刀具参数、刀间距的大小以及设计的岩土碴块的要求。 g a oj u r u ，l u oj i a n c h u n 和t 、lw e l l ) 【u a l l l 3 6 j 在大伙房隧道的盾构刀盘刀具布置 时提到滚刀应该布置时应该基于给定的岩石的最优掘进效率，刮碴系统的布置位 置应该使得滚刀切下来的岩碴能及时排泄出去。 j u n g w o oc h o ，s e o k w o nj e o n ，s a n g h w ay u 【3 7 】等采用8 种有代表性的岩石， 运用a u t o d y n 3 d 对滚刀切削岩石进行三维动态仿真，结合实验对比，发现岩 石切削比能耗和仿真结果基本一致，因此采用a u t o d y n 3 d 可部分代替实验室 实验。 何其平【3 8 】则从滚刀、切刀等的工作原理出发，结合各种工程实例，对各种类 型的复合岩层采用的刀盘配置方式，刀具的数量乃至切刀形式和滚刀的直径都进 行了细致的研究。 张国京【3 9 l 对北京地区地质和刀盘适应性进行过研究，认为北京大部分地区盾 构可以选用辐条式刀盘，而有些地层则可以采用面板式刀盘，而且对刀盘上各种 刀具的选择做了详细的分析。 竺维彬、鞠世健【2 】、袁敏i e t 4 0 】指出在复合地层中滚刀与切刀的布置应该有一 定的高度差，而且这一高度差对破岩效果有重要的影响。 刘景春【4 1 】等在对全断面岩石掘进刀盘简介时提出滚刀凸出面板的高度要一 致，刀具布置时采用1 8 0 0 对称布置，使得每把滚刀在破岩时所受的载荷尽量相 等，每把滚刀的破岩量也尽量相等，保证刀盘受力均匀且刀盘的变形量在允许范 围内。 黄威燃、竺维彬【4 2 1 ( 2 0 0 6 年) 在分析珠江泥水盾构刀盘开裂和解体事故时，提 出密集的刀具布置会造成辐条受力不均并使应力集中积聚泥饼，这与传统的为了 减少刀具磨损而增加刀具数量的做法显然是相悖的。 李建斌瞄l 指出在刀盘切削过程中，边滚刀切削岩层的直线距离较长，它的磨 损量大于中心滚刀和正滚刀，在设计时应增加边滚刀数量。边滚刀与刀盘轴线之 间的角度，直接影响边滚刀的寿命，应根据岩石的硬度慎重确定边滚刀的安装角。 李建斌阱】针对武汉长江公路隧道穿越江底时不能换刀的实际情况，刀盘上刀 具采用三层立体布置方式，第一层为切刀，第二层为滚刀，第三层为切刀。实践 证明：采用这种独特的刀具设计和刀具布置，能避免中途进行刀具更换，不仅提 高了施工进度，更降低了换刀成本。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 宋克志、袁大军【4 3 删( 2 0 0 7 年) 等在分析隧道掘进机常用切割刀具应用时提出 了切削刀具布置时按照主副刀具布置的规则，以减小刀具磨损，如图1 2 所示【4 3 】。 刀 图l - 2 主副刀具布置示意图 何川、晏启祥【4 5 1 ( 2 0 0 7 年) 在分析加泥式土压平衡盾构机在成都砂卵石地层中 应用的几个关键性问题时，提出把切刀、刮刀背向布置，并拉近两切刀、刮刀之 间的距离，实现在掘进时对刮刀和切刀的保护。 刘晓毅【1 6 1 在对复合地层中盾构机滚刀磨损原因进行分析和改进时指出刀具 高出刀盘面板的高度应该为开挖面破除下来的碴土留出足够的出碴空间。张良辉 1 2 5 】指出各种刀具在刀盘上的高度应经过充分研究和精确计算。 张国京1 2 7 】指出盾构刀盘通常要求正反两方向回转，要求刀具成对布置在刀盘 上，为保证全断面开挖，沿刀盘半径方向每一回转半径都要有刀具切削，可分区 域进行布置，为提高耐磨性，刀盘外周区域每一回转半径可布置2 把或3 把刀。 1 2 2 刀具布置方面 刀具布置的概念包含于上述的刀具配置的概念中，而在这里着重是指在刀具 进行了地质适应性选型之后在刀盘的合理布置，以满足盾构机的高效稳定掘进的 要求。目前常用的盾构滚刀类刀具的布置方式主要有单螺旋线、双螺旋线、多螺 旋线、十字+ 随机、米字+ 随机、随机型等，而切削类刀具的布置方式主要有单螺 旋线、多螺旋线、同心圆布置等。 囫图网 网囡囹 鲑! 堕翅淤字+ 随辐裹磊主j 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 切刀布置方式 厚块状岩碴 3 ) 滚刀切削破碎岩石的轨迹分析 滚刀切削破碎岩石的理论轨迹通常被认为是一条直线( 走直线时) 或者圆弧 ( 回转时) ，但华北水电学院做滚刀切削岩石的实验时发现，滚刀切削破碎岩石时 1 6 中南大学硕士学位论文第二章盾构刀盘刀具载荷分析 轨迹并不是直线，而是由一段段折线连接起来的【8 4 1 。这种现象可作为滚刀切削机 理研究的一个有益补充。 研究发现，当滚刀走直线切削时，从岩石破碎槽可以看到，滚刀的轨迹不是 一条直线，而是一条左右摆动的折线，如图2 5 所示瞰l 。这是刀刃单侧破岩造成 的，因为岩石是各向异性体脆性材料，内部存在有一定缺陷，在各个方向上强度 一样。在刀具滚压作用下，刀刃两侧岩体内产生裂缝，而这些裂缝的起始点和扩 展速度都不一样。当刀刃某一侧岩体内的裂缝扩展到自由面时，这部分岩石就会 崩落，同时给同侧刀刃一个反作用力，使刀具产生轴向力，刀具在这个轴向力作 用下，对刀刃另一侧岩石的压力增大，促使另一侧岩体内的裂缝扩展，继而引起 破碎，形成一条左右摆动的滚压轨迹，这种间断性的轴向力变化会引起滚刀的摆 动，损害刀具轴承。 滚刀实际滚压轨迹线 图2 5 滚刀直线切削的轨迹分析 滚刀在做回转滚压过程中，滚压轨迹实际上是围绕圆周的小段折线，不是一 条完整的圆周轨迹，如图2 5 所示【8 4 1 。在每一段折线的转折点都对应着垂直力、 滚动力和轴向力的峰值突变点，即对应于“跃进 破碎时刻。刀刃也是单侧破岩， 破碎的岩块产生于理论圆周的的内侧或者外侧。 线 设岩橹边界线 图2 6 滚刀回转切削的轨迹分析 在滚刀切削破岩过程中，三向力是时刻存在的，包括侧向力也是时刻都存在 的，力的方向是随着滚刀破岩的过程而变化的，并不是理论所述的滚刀切削时两 侧的侧向力大小相等方向相反。 ( 2 ) 切削型刀具切削机理 1 7 的破碎作用之和，而更应该注意到刀具之间的相互作用影响。当两把刀具之间的 刀间距位于最优刀间距时，刀具之间的岩石由于张拉裂纹、剪切破坏或者张拉裂 纹和剪切破坏贯通的影响而全部破碎，这远大于单把刀具破碎体积的二倍。 1 8 中南大学硕士学位论文 第二章盾构刀盘刀具载荷分析 图2 8 滚刀组切削破岩机理 在研究中发现，滚刀在切削破碎岩石的过程并不是同时进行的，而是有一个 先后顺序的。本文对用于广州地层的某型土压平衡盾构刀盘上部分滚刀的布置进 行简化，如图2 - 9 所示，取其中1 0 到1 4 号滚刀作分析研究，发现各滚刀经过某 一位置时，不同位置滚刀的切削状况是不相同的，主要分以下几种状况： 1 9 ( i 耳霸 一卜_ 粤攘 斗 i j 一 l 1 瓶 图2 9 某型刀盘上部分滚刀的布置状况 当1 0 号和1 4 号滚刀开始切削岩层面对应的9 0 0 区域，定义此区域为a 区域。 初次切削，该区域岩层面是一个未切削过的平面，而且1 0 号滚刀和1 4 号滚刀之 间间隔三个滚刀刀间距，此时虽然是两把刀具同时切削，