（机械制造及其自动化专业论文）盾构机刀具磨损与布局问题分析研究.pdf

中文摘要 减小盾构掘进刀具磨损，是保证盾构机能够长距离掘进的重要措施。在施工 中经常出现的盾构刀具磨损严重、破损、脱落等，导致工程事故的发生，给整个 工程的工期、造价带来严重影响，甚至威胁人的生命。因此，研究如何减小盾构 掘进刀具的磨损，探究引起磨损的各项因素对延长盾构机掘进距离，提高盾构机 的工作效率具有重要意义。 本文从分析盾构刀具磨损的相关因素和减小磨损、延长寿命两方面入手，对 盾构刀具的磨损、布局进行了研究，取得了下列研究成果： l 、分析了各种盾构刀具的特点和工作机理。 2 、分析了刀具的磨损及磨损相关的各种因素，包括地质情况、刀具结构、 施工控制等，并重点研究了刀具宽度和贯入度对刀具受力、磨损的影响；从设计 和施工两方面总结了提高刀具耐用度的各项措施。 3 、研究了刀盘、刀具形式及刀具与地质的适用关系，并通过工程案例进行 了详细说咀。 4 、研究了刀具的一般布局型式；计算分析了刀具布局和磨损之间的关系； 最后重点研究了刀具的等寿命布置原则，经过实例计算，并通过v b a 在a u t o c a d 中的二次开发完成了刀具的等寿命布置计算。 这些成果可为以后盾构机刀盘的设计提供参考，为盾构机施工提供一定的指 导作用。 关键词：切削机理；磨损；刀具布局；等寿命布置 a b s t r a c t r e d u c i n gs h i e l dc u t t e r sw e a ri sa l li m p o r t a n tw a y t oe n s u r el o n g - d i s t a n c ed r i v i n g o ft h es h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n e s h i e l dt or e d u c et o o lw e a r , i st oe n s u r et h a t l o n g - d i s t a n c es h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n ec a nb ea ni m p o r t a n tm e a s u r e d u r i n gt h e c o n s t r u c t i o no ft h es h i e l dt h a to f t e na p p e a ri nas e r i o u st o o lw e a r , d a m a g e ，l o s s ，e t c ， o f t e nl e a dt oa c c i d e n t sf o rt h ew h o l ep r o j e c tp e r i o d , as i g n i f i c a n ti m p a c to nc o s t o r e v e nat h r e a tt oh u m a nl i f e t h e r e f o r e ，h o wt or e d u c et h ec u r e rw e a ro fs h i e l d t u n n e l i n gm a c h i n e ，a n de x p l o r et h er e l a t e df a c t o r si so fg r e a ts i g n i g i c a n c et oi m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo ft h es h i e l d t l l i sp a p e rr e s e a r c ht h ec u t t e rw e a ra n dt h el a y o u tf r o mt h ea n a l y s i so f b o t ht h e r e l a t e df a c t o r so fc u r e rw e a ra n dh o wt oe x t e n dt h ew o r k i n gd i s t a n c e f i r s t l y , a n a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r kp r i n c i p l e so f av a r i e t yo fc u t t e r so f s h i e l d s e c o n d l y , a n a l y s i so fc u r e rw e a ra n dt h er e l a t e df a c t o r s ，i n c l u d i n gg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s 、t h ec u r e rs t r u c t u r e 、a n dc o n s t r u c t i o nc o n t r o l ；s u m m e du pm e a s u r e st o i m p r o v ec u t t e rl i f ef r o mb o t hd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n t b i r d l y , h o wt h el 【i n do fc u r e rh e a da n dc u t t e rb i t sa n dt h ea r r a n g e m e n to fc u t t e r s 丘tt ov a r i o u sk i n d so fs o i lw e r er e s e a r c h e d a n dd e s c r i b e di ti nd e m i lt h r o u g ht h e p r o g e c tc a s e f o u r t h l y ，r e s e a r c ho nt h eg e n e r a ll a y o u to ft h ec u r e r s ；c a l c u l a t i o na n da n a l y s i s o fr e l m i o n s h i pb e t w e e nt h ec u t t e r sl a y o u ta n dt h ec u r e rw e a r ；f m a lk e yr e s e a r c ho n t h el a y o u to ft h ec u r e r s ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fl i f e a f t e rc a l c u l a t i o n , a n d t h r o u g hv b a i na u t o c a do fs e c o n dd e v e l o p m e n t ，c o m p l e t e dc u t t e r sl a y o u t ，a c c o r d i n g t ot h ep r i n c i p l eo fl i f e a l lt h e s er e s u l t sc a nb eu s e df o rr e f e r e n c ef o rf i j t u r ed e s i g no fs h i e l dh e a d a n d c a nb eu s e df o rg u i d i n gt h ec o n s t r u c t i o no fs h i e l dm a c h i n e k e yw o r d s ：c u r i n gp r i n c i p l e ，c u r e rw e a r ，t h el a y o u to fc u t t e r s ，l a y o u t a c c o r d i n gt ot h es a m el i f e 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者繇耙帛疑签字日期w 哆年占月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：募j 谗p = k 签字日期：弘吖年莎月牛口 导师签名： 、， 签字日期：m 罗年石月 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 伴随着2 l 世纪的到来，伴随着我国城市化进程的加快，城市建设快速发展， 城市规模不断加大，城市人口急剧膨胀，许多城市不同程度上出现了用地紧张， 生存空间拥挤，交通堵塞，给城市生活带来了很大的影响，也制约着经济和社会 的进一步发展。由于流动人口以及道路车辆的增加，城市交通呈急剧增长的态势， 而道路的相对有限性带来了交通堵塞，车速下降、交通事故频繁等系列问题。行 车难，乘车难成为市民生活和工作的一个突出问题。 城市地下空间的利用和开发，已成为世界性发展趋势，并作为衡量城市现代 化的标志。国际上不少学者提出“2 l 世纪是地下空间开发利用的世纪”，城市向 三维空间发展，即实行立体化的再开发，是城市中心区改造的唯一途径。地下空 间的充分利用是城市立体化开发的重要组成部分。这样可以扩大空间容量，提高 城市集约度，交通顺畅，环境得到有效改善。在工程实践方面，美国、瑞典、日 本、加拿大、法国等国在城市地下空间利用率已达相当规模和水平。 根据预测和分析，2 1 世纪将是中国城市轨道交通的新纪元，经济发展将会伴 随更大的都市化，地铁交通的建设将促使城市的发展，甚至成为一个急迫的任务 【l 】。随着北京、上海、广州等各大城市轨道交通建设投资不断加大，盾构机这个 动辄几千万或上亿的大型设备国产化进程显得越发重要起来随着我国城市化 进程的加快，国内对盾构的市场需求巨大。据杜文库 2 1 预估，随着城市立体化、 管线入地化趋势的到来，2 0 1 0 年我国盾构掘进机数量将达要i u 4 0 0 台以上。据不完 全统计，2 0 1 5 年以前，我国已建城市轨道的1 5 座城市将新建轨道交通6 5 条线，总 长度为1 7 0 0 公里，还将有若干城市批准承建，投入施工的盾构约3 0 0 台以上。加 上大型的越江工程，我国的各类盾构未来潜在市场将有2 0 0 亿元以上的产值。 但是因为盾构机研制技术含量高、制造工艺复杂，目前世界上只有极少数的 厂商掌握盾构机研发制造技术。我国大约有9 5 的盾构掘进机依赖进口或合作制 造，欧洲和日本等公司的地铁盾构机基本上垄断了中国的盾构掘进机市场，而且 价格居高不下。据业内人士分析，在北京、广州、南京、天津等地的地铁隧道建 设中，9 0 以上的盾构都是从德国和日本公司购买的。 目前，国内许多企业虽然也开展了盾构设备的研制和相关技术的开发，如： 第一章绪论 上海隧道股份有限公司、铁道部隧道局、j 重集团等单位自行设计和开发了 的盾构掘进机和相关的施工技术，制造了多种形式的盾构。但国产盾构仅能 于周围环境要求不高和地质条件单一的地区，不适合建筑密集地区、管线复一 区、地质条件复杂的地区。当环境要求高、破坏后治理费用大时，综合考虑 比后，还是不得不花费大量外汇采用进口盾构。可以说，我国现代盾构掘进 和技术的研制才刚剐起步，尚没有形成能针对不同地质条件和环境的要求诅 制造适用的盾构掘进机的能力p 。 图1 - i 盾构掘进机 在目前我国盾构机发展技术不成熟，以及未来盾构机使用的巨大的潜在 情况下，掌握盾构掘进设备关键部件的工作机理，进而实现国产化就显得尤 要。 12 刀具及刀具磨损对盾构隧道施工带来的重要影响 盾构机由盾构主机及后配套设备组成，盾构刀盘肩负着掘进开挖的任务 就似行军打仗的先头部队，起着冲锋陷阵的作用。而刀盘上的盾构刀具则似 部队手中的武器，其先进的程度将很_ 人程度上决定战争的成败。盾构机在隧 第一章绪论 工中，通过刀盘刀具对前方土体进行切削，刀具与土体的适应程度至关重要。不 同的土体需要用不同的刀盘刀具配置对其进行挖掘，才能使盾构机完成快速的掘 进施工，刀盘刀具于前方土体不适应，将使盾构掘进非常缓慢甚至寸步难行，直 接影响到盾构机的工作效率、工程进展及工程的经济效益。 随着城市地铁的大量修建，盾构施工技术现已越来越广泛地应用于城市地铁 隧道施工中。对于一般的均一地层，根据开挖面自立性能、土质条件、地下水位， 便可决定盾构及刀盘刀具类型【4 】。虽然上海、天津、北京等地铁隧道的施工当中 遇到的可大概归为均一地层，但严格的均一地层现实中是不存在的，又由于地质 的多变性，即在同一工程中，特别是长隧道的地质和水文情况往往不是单一的， 经常会遇到变化复杂的多种土层。我国幅员辽阔，各地的地质条件干变万化，有 不同硬度、层理结构的岩石、砂砾石、砂土、粉质砂土、淤泥质黏土等h j 。 英、德、日、法、美等国在长期的时间探索过程中，形成了一套针对本国隧 道地质条件的盾构设备设计理论、盾构模拟实验方法和系统的试验数据。虽然上 海隧道股份公司国家“8 6 3 ”科研项目盾构底层适应性设计理论、方法和模拟 实验平台”中盾构掘进机模拟实验平台，已于2 0 0 4 年l o 月建成，但是我国目前尚 没有十分完善的适合国情的适应性设计理论。我国现有盾构机与其需掘进地段的 地质条件的适应性、盾构机刀具与土体的适应性、刀具磨损问题及刀盘刀具组合 配置与地质条件的适应性，已经严重影响了我国盾构机设计和施工技术的发展。 我国幅员辽阔，东南西北中各个地区的地质条件相差很大，盾构施工普遍存在盾 构机与其需要掘进地段地质条件问适应性较差的问题。广州、上海、深圳、成都 等地铁施工都先后出现过这样的问题而影响工程进度【6 】。例如在成都的砂卵石地 层中应用盾构法施工隧道的一个很重要问题就是盾构的刀具消耗严重，带来的更 换刀具、地层加固等一系列问题，严重影响了工程的顺利进行【7 j 。自1 9 9 9 年北京 市首次采用土压式盾构建造地下隧道以来，遇到了各类典型地层，如粘土、粉土、 砂、卵石等。5 年来的盾构施工实践表明：北京地区地质情况的多样性与复杂多 变的特点，对盾构刀具提出了不同的要求，特别是盾构在砂层或砂卵石地层中 掘进，刀具的耐磨性问题已经凸显【8 j 。在广州地铁二号线海珠广场一江南西区间 隧道施工中，刀具的不合理配置带来的刀具磨损严重，掘进速度缓慢，通过更换 盾构刀盘刀具并合理调整其刀盘配置，使盾构机推进速度成倍提耐9 1 。因此，刀 盘及刀具配置方式，刀具切削机理是盾构机最关键、最核心的技术。刀盘结构、 刀具类型的选择、刀具的布置和磨损问题常成为盾构选型和设计的重点内容1 1 0 】。 但刀具的磨损规律还没有被我们完全掌握，刀具的跟踪检测水平不够。当 刀具磨损到一定程度后，必须立即进行更换否则会增加临近刀具的负荷，加速 剩余刀具的磨损速率，形成恶性循环。盾构施工在开仓修复、更换刀具时，不仅 第一章绪论 耗资、耗时巨大，而且容易造成地表塌陷等事故，因此必须尽量延长刀具寿命， 减少开仓次数。刀具更换复杂困难、成本很高，进货周期很长，不但影响了整个 工程的质量也会拖延工期。可见，盾构刀具的磨损是影响盾构法施工的一个急待 解决的问题【1 。 而目前盾构刀具等盾构机关键部件还依赖国外进口，国内制造的仅为一些不 重要的零部件，很大程度上制约了国产盾构机的发展。例如在北京地铁施工过程 中，刀具作为盾构机的主要损耗件之一，全部依赖进口，不但造价昂贵，而且运 输耗时、耗资，对地铁施工的进程造成了很大的影响1 1 1 1 。所以，在掌握盾构刀具 切削机理和深刻认识刀具磨损相关因素的基础上，针对不同的施工地质进行刀盘 刀具的选择、刀具的布置等盾构掘进设备最关键、最核心的问题，进而实现盾构 机的国产化就显得尤为必要。 1 3 盾构机刀具的国内外研究现状 近年来，国内外学者在切刀、滚刀的切削机理、刀具设计、刀具布局以及优 化设计等多个角度，针对掘进机械中刀具切削所涉及的相关问题进行了大量的研 究，并取得大量研究成果。 1 3 1 刀具切削机理研究现状 由于各自安装位置及形状的不同，盾构刀盘上安置的各种形式的刀具基本上 可以划分为两类：切削刀和滚刀。 切削刀是利用刀刃和刀具前面对土砂施压，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。主要适用 于软粘土，砂土及砂卵石地层的开挖。宋克志【1 2 】( 2 0 0 6 年) 对切刀周向运动、轴 向运动及切深等运动特性进行了分析，并对切削刀进行了详细的受力分析，给出 了切削力的计算模型。近年来也有很多学者利用有限元方法研究耕作部件与土体 之间的相互作用，进行了二维或三维的仿真研究，在优化刀具宽度、角度等几何 参数方面，在改进刀具形式方面取得了进展 1 3 , 1 4 , 1 5 】。有限元法有助于较全面地理 解土切削现象，它可以预测土的应力分布、变形状况、破坏的位置，而这些研究 是建立在理想本构关系的基础上进行的，所以研究有待深入。 滚刀的切削原理主要是刀具依靠挤压破岩，一般用于岩石隧道的掘进。目前， 滚刀切削机理研究主要集中在能量和受力分析两个方面。t e a l e 1 6 于1 9 6 5 年提出 了比能( s p e c i f i ce n e r g e ) 的概念，即切削单位岩石体积所需的能量。研究发现 扭矩对比能的贡献较大，而推力则贡献很小，但推力是刀具产生切削作用的一个 第一章绪论 重要诱导因素。张照煌1 1 7 】在1 9 9 5 年提出了盘形滚刀的破岩是以剪切为主，其次为 挤压和张拉，并得到了压痕实验的充分验证。大连理工大学刘志杰等【l 如( 2 0 0 8 年) 研究发现盘形滚刀破岩机理直接影响到受力分析，目前有剪破坏、挤压破坏 和拉破坏，以及几种机理混合作用等几种不同的理论，至今仍是个有争议的问题。 在以往的研究中，国内外有很多学者对盘形滚刀的受力状况进行了研究，用 不同方法得到了盘形滚刀的预测力公式。p a u l 和s i k a r s k i e 【1 9 】( 1 9 6 5 年) 得出了楔 形刃侵入岩石的载荷与切深的关系；e v a n s ( 1 9 6 6 年) 研究了滚刀垂直推力的预 测公式；r o x b o r o u g h 和p h i l l i p s 【2 0 】( 1 9 7 5 年) 针对v 形截面滚刀切削受力进行研究； s n o w d o n 并f l r y l e y 2 l 】( 1 9 8 3 年) 也得出了预测力公式；美国科罗拉多矿业学院l e v e n t o z d e m i r 、r u s s e l lm i l l e r 和f u n d e nw a n g t 2 2 j ( 19 7 7 年) 对v 形截面盘形滚刀破岩 机理进行了研究，先后得出了盘形滚刀受力预测公式；r o s t a m i 2 3 ( 1 9 9 2 年) 、 r o s t a m i 和o z d e m i r ( 1 9 9 3 年) ，r o s t a m i ( 1 9 9 7 年) 采用常截面滚刀建立了半经 验公式；s a t o 和g o n g ( 1 9 9 1 年) ，s a t o 和i t a k u r a ( 1 9 9 3 年) 、s a t o 和g o n g ( 1 9 9 6 年) 采用经验方法对v 形截面滚刀的切削力进行了研究。国内东北工学院岩石破 碎研究所、上海交通大学6 4 0 教研、华北水电学院北京研究生部【2 4 】，都先后经过现 场观测，实验室研究也得出了预测公式。张照煌在2 0 0 4 年提出了滚动破岩刀具存 在不平衡侧向力，并给出了预测力公式【2 5 j 。 从上述文献中也可以看出来，虽然以往在刀具切削机理方面也进行了大量的 研究，对刀盘刀具设计具有重大的指导意义，但由于这些预测力公式都是在一定 假设或忽略某些因素的基础上建立的，有一定局限性。 1 3 2 刀具设计理论研究现状 盾构刀盘刀具设计理论涉及到刀具类型选择、刀具整体的布局、刀具本身的 结构设计以及刀具几何参数确定。国内外的学者从以下几个方面对刀间距的确定 以及刀具本身的设计开展了研究工作。 1 9 7 0 年秋三藤三朗【2 6 】，根据力矩平衡提出了刀具在刀盘上的配置条件：垂直 于刀盘盘面的力对位于刀盘盘上且通过刀盘回转中心的坐标轴产生的力矩相平 衡。1 9 7 8 年f f r o x b o r o u g h 2 7 】也提出了与之相类似的条件。王家碌【2 8 】( 1 9 8 0 年) 通过对国外岩石隧道掘进机的分析，提出刀具在刀盘上的布置有单螺旋线和双螺 旋线两种模式，但没有对其进行定量描述。张照煌【2 9 】在分析刀盘受力对刀盘影响 的基础上，建立了刀盘受力平衡且不受径向载荷影响的刀盘螺旋线布置规律和方 程式。这为刀盘大轴承寿命的提高、降低掘进机工作时振动及噪声，提供了可靠 的理论依据。文章【3 0 j 还指出要使相邻布置的盘刀在刀盘每转一周的切深相等，且 破岩量相同( 以保证刀具磨损量相同) ，则应使刀盘转动多周而不存在未被连同 第一章绪论 的岩脊。 o z d e m i r 和m i l l e r ( 1 9 7 6 年) ；s n o w d o n ( 1 9 8 3 ) ，s a n i o ( 1 9 8 5 年) ，g e r t s c h 和o z d e m i r ( 1 9 9 1 年) 认为滚刀刀间距与切削力、比能存在一定的关系，并对此 问题进行了研究，结论为【3 i 】： ( 1 ) 刀间距增大会增加刀具的受力，直到滚刀之间的相互作用为零；刀间距 变小，会使岩石碎片尺寸变小，比能增大。 ( 2 ) 在恰当的s p 处，能取得最低的比能s e 。 ( 3 ) 刀间距增大，会使碎片尺寸变大，直至达到最优的比能；最后刀间距进 一步变宽，刀间相互作用减小至零，比能又开始升高。 m o o n 3 2 】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 3 】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 m 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。大连 理工大学的霍军周【3 4 】( 2 0 0 8 年) 给出了全断面岩石掘进机的刀具布置设计方法， 归纳出刀具布置的技术要求，并给出刀盘上不等刀间距的盘刀破岩量的估算方 法。也有一些学者进行了刀具布局的优化算法：c s m 给出了有关岩石切削过程、 切削参数和岩石类型之间的关系，在l c m 试验基础上，采用二维及坐标系建立 了t b m 刀具布置的计算机模型，应用该模型优化了刀具的布置、预测了掘进性 能、刀具寿命 3 5 , 3 6 。但其计算模型对外保密。张厚美【3 刀以盘刀等磨损为布刀原则， 编制了预测程序，可用于优化t b m 刀具布置，验算刀盘不平衡力，以及预测t b m 施工性能参数此外大连理工大掣3 8 】在航天器舱布局优化与仿真研究基础上，研究 了t b m 刀具布置优化设计方法。 切刀在刀盘上的布置一般有同心圆和阿基米德螺线布置，目前采用较多的是 阿基米德螺线布置法，且考虑施工的安全性，有两条或多条螺线布置，按照螺旋 线来优化刀头布置。但这只是按照几何学原则布置刀具，没有考虑到施工地质状 况，切削距离、隧道直径及刀头磨耗量等因素【3 9 1 。文献 4 0 1 分析了盾构刀具磨损 的原因和寿命计算方法，预测了盾构在隧道开挖区间刀具是否需要更换以及需要 更换的次数。 文献 4 l 】研究发现，在机械掘削土的过程中，刀具的几何参数对掘削过程影响 很大，刀具前角及刀具刃角对切削阻力有很大影响同时刀具的前角在控制被切 削下来的土体的流动方向具有重大作用。目前，现在工程上选用切刀宽度大都在 1 0 0 m m ，但是其合理性还有待验证。 国内外通过总结施工经验、实验、及仿真计算等方法，在刀具的磨损失效原 因、选择和布局方面取得了一些研究成果，但是长期以来由于对刀具切削机理的 第一章绪论 模糊认识，缺乏刀具布局的理论依据，还没有哪位学者对刀具磨损、刀具布局及 地质状况之间的关系给出定量描述。目前在挖掘机制造和刀具配置方面，大都依 赖以往的设计经验和施工经验，在施工过程中不断改进，缺乏相应理论的指导。 对于某一种地质，即使前期对地质参数有了很好的了解，也不能够很明确的知道 应该选择那种刀具，刀间距应该是什么样子，刀具的层理结构应该是怎样。 通过上述分析可以发现，从刀具的切削机理、磨损、比能、以及刀具的设计 理论等多个角度所开展的相关研究工作，取得了大量的研究成果和进展，这些研 究对指导盾构机的制造和施工作出了巨大贡献。但目前的研究多集中在问题的某 一个方面，比较零散。结合施工过程中出现的种种问题，在刀具设计方面仍存在 的诸多问题。 总体而言，国内外现有研究对于盾构机刀具设计理论和方法仍处于探索阶 段，目前还没有统一适用的设计准则和方法体系。设计过程主要依赖在施工过程 中逐渐积累的设计经验，缺乏针对岩土切削多刀具设计依据的现象比较突出，显 然不能满足切削中复杂地质对切削刀具的使用要求。因此，迫切需要针对刀具设 计所涉及的基础理论和方法开展基础性的研究工作。 1 4 目前急需解决的问题 纵观我国盾构机发展历史，我国从原来的单纯依靠进口盾构机或引进盾构技 术到生产简单的盾构设备，水平越来越高。同时盾构机国产化程度及盾构施工技 术也得到了快速发展。特别是随着北京、上海、广州、深圳、南京等大中型城市 地铁工程的全面展开，盾构机设计制造及盾构施工技术更是日新月异。但这样的 大好形式下，我们也应该看到我国盾构掘进机普遍存在着很多问题急需解决，主 要表现在以下几个方面： ( 1 ) 盾构机与其需掘进地段地质条件问适应性较差，缺乏针对性 我国幅员辽阔，东西南北中各个地区的地质条件相差很大，盾构机设计制造 不能根据地质条件的不同进行相应的盾构形式变更，包括考虑不同的盾构机形 式、不同的刀盘刀具、不同的刀盘刀具组合配置等。在这方面，我国盾构施工就 普遍存在盾构机与其需掘进地段地质条件间适应性较差的问题，广州、上海、深 圳地铁施工都先后出现过这样的问题而影响工程进度。 ( 2 ) 对刀具磨损机理认识不足，所采用的刀具磨损太快。 减少刀具磨损需要考虑很多方面，包括刀具本身的材质、刀具结构形式、刀 具切削的外部条件等。我国现有盾构机在这方面还缺乏研究，使盾构机在掘进施 工中频繁更换刀具，既浪费金钱，又耽误工期。 第一章绪论 从我国现有盾构机存在的问题可看出，盾构机与其需掘进地段的地质条件的 适应性、盾构机刀具与土体的适应性、刀具磨损问题及刀盘刀具组合配置与地质 条件的适应性己经严重影响到我国盾构技术的发展，急需解决。 1 5 本论文的研究内容 本文主要围绕刀具相关内容，就如何提高盾构切削效率，减小因刀具损耗严 重带来的施工故障进行分析研究。 1 、深刻认识刀具切削机理和切削过程在盾构隧道施工中的重要作用，分析 刀盘、刀具形式及刀具与地质的适用关系，为研究刀具磨损及布局打好理论基础。 2 、刀具的磨损及磨损相关的各种因素，包括地质情况、刀具结构、施工控 制等；从设计和施工两方面总结提高刀具耐用度的各项措施。 3 、计算研究刀具宽度、贯入度对耐磨性的重要影响。 4 、研究刀具的一般布局原则；计算分析刀具布局和磨损之间的关系；研究 刀具的等寿命布置原则，经过实例计算，并通过v b a 在a u t o c a d 中的二次开发完 成刀具的等寿命布置计算。 第二章盾构机刀盘刀具种类及工作原理分析 第二章盾构机刀盘刀具种类及工作原理分析 2 1 盾构机刀盘种类简介 刀盘的结构形式主要分有两种：面板式和辐条式。另外，还有介于二者之间 的辐板式刀盘( 由辐条和幅板g t n ) t 4 n 。 面板式刀盘( 图2 1 ) 一般为焊接箱形结构，其上设置刀座、刀具、开口、添加 剂注入口及与主轴承连接部件。切刀布置在面板上开口的两侧，滚刀通过刀座布 置在刀盘上。刀盘开口率较小，在3 0 左右。目前，中国使用的盾构大部分为面 板式刀盘结构，如上海地铁施工用的是法国f e b 盾构，北京、广州、深圳及南京 等地用的海瑞克盾构。 图2 - 1 上海地铁面板式刀盘 1 切刀；2 开口槽；3 弧形刮刀；4 周边开口；5 滚刀； 6 - 仿形刀；7 一搅拌棒：8 泡沫口；9 一耐磨条 第二苹盾构机刀盘刀具种类及工作原理分析 圈2 - 2 北京地铁辐条式刀盘 图2 - 3 广州地铁辐条式刀盘 辐条式刀盘( 图2 - 2 、图2 3 ) 主要由轮缘、辐条及布设在辐条上的刀具组成。 刀具布置在辐条的两侧，一般较难布置滚刀。刀盘开口率很大，约在6 0 9 5 之间。以往辐条式刀盘应用较少。最近在1 3 本地铁工程中辐条式刀盘应用 开始增多。中国盾构工法也开始应用辐条式刀盘，如北京地铁4 号线使用的石川 岛播磨m 61 4 m 盾构( 开口率9 5 ) 、小松中63 m 盾构( 开口率6 2 ) 、上海地铁使用 的石川岛播磨中62 5 双圆盾构( 开口率8 5 ) 。 辐板式刀盘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，开口率约在3 5 5 0 之间。 如北京地铁4 号线试验的三菱重工61 4 m 盾构、天津地铁1 号线使用的小松63 2 m 盾掏及武汉长江隧道试验的法国n f m l1 3 8 m 复合式泥水盾构。 泥水盾构采用面板式刀盘；土压平衡盾构根据土质条件可采用面板式或辐条 式。对于土压平衡盾构，采用面板式刀盘时由于泥土流经刀盘面板的开1 3 进入 土仓，盾构掘进时土仓内的土压力与开挖面的土压力之间产生压力降且压力降 的大小受面板刀开口的影响不易确定，从而使得开挖面的土压力不易控制。辐条 式刀盘仅有几根辐条，切削下来的土体直接进入土仓，没有压力损失，同时在辐 条后设有搅拌叶片，土、砂流动顺铴土压平衡容易控制。因此幅条式刀盘对砂、 土等单一较土地层的适应性比面板式刀盘较强：但由于幅条式刀盘不能安装滚 刀，在风化岩及软硬不均地层或硬岩地层掘进时，应采用面板式刀盘。 盾构在地下开挖中会遇到各种不同地层从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩 等。在开挖中刀盘受力复杂，工作环境恶劣。刀盘的结构关系到盾构工程的成败、 开挖效率、使用寿命及刀具费用。盾构的月盘结构形式与工程地质情况有着密切 的关系，不同的地层应采用不同的刀盘结构形式，盾构刀盘设计是盾构的关键技 第二章盾构机刀盘刀具种类及工作原理分析 术。 2 2 盾构机刀具种类及工作原理 为保证刀盘的掘削效能，通常根据不同的地质情况选用不同类型的刀具及刀 具组合。目前盾构常用刀具有切刀、刮刀、齿刀、单( 双) 刃滚刀、先行刀、仿 形刀等【柏】。 根据实际需要，盾构刀盘上将安装不同的刀具，通过刀具旋转，刀具对正面 土体进行切削而达到土体开挖的目的。切削出来的泥土则通过刀盘上预留的孔隙 进入土仓，并经过螺旋机等运送机械运出，从而形成掘进运输循环，以使盾构机 能够进行快速掘进施工。 2 2 1 滚刀分类及工作原理 滚刀按照刃的数量不同可分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀( 图2 4 ) ，常 用于各类软、硬岩石及砂卵石地层的隧道开挖。 单刃滚刀由中心轴及周边合金耐磨圈组成，滚刀可围绕中心轴进行滚动，在 滚动中通过其周边合金耐磨圈对前方岩层进行滚动挤压，使岩层产生剥裂，一般 用于抗压强度较大的岩层中的掘进施工。特别是全断面硬岩地质环境下，刀盘多 采用全断面单刃滚刀布置。 双刃滚刀由两把单刃滚刀组合而成，通常位于刀盘中心位置及周边位置。由 于刀盘在旋转切削土体过程中，此部位刀具的磨损量往往较大，可安装双刃滚刀 以减少磨损。盾构机在全断面硬岩地质环境下掘进施工，其刀盘中心及周边位置 往往配置双刃滚刀以减少更换滚刀的次数。 滚刀一般用于岩石隧道的掘进，当穿越松散地层但有大粒径的砾石( 粒径大 于4 0 0 r a m ) 、并且含量达到一定比例时，也可采用滚刀型刀具。另在隧道地质条 件复杂多变、岩石( 强度不算太高) 与一般土体( 或粘土或砂土) 交错频繁出现的情 况，也有可能采用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。 ( 1 ) 滚刀的几何形状 盘形滚刀的几何参数主要有：滚刀直径d ，刀刃角，刀尖圆弧半径( 或刀 尖宽度) 厂、滚刀的启动扭矩t 等。滚刀截面形式、几何参数及岩石的物理力学 性质对破岩力、切入深度、破岩效率，能量消耗等均有较大的影响。 第二章盾构机刀盘刀具种类及工作原理分析 图2 _ 4 单刃滚刀( 左) 和双刃滚刀( 右) 从盘形滚刀的发展历史看，主要有3 种类型的滚刀截面：尖刃楔形截面( a ) 、 弧刃楔形截面( b ) 和近似常截面( c ) ，分别见图2 5 。随着刀具的磨损，尖刃楔形截 面滚刀很快就会钝化而变得破岩效率低下；弧刃楔形截面滚刀稍好一些；而常截 面滚刀随刀具的磨损能基本保持其恒定的断面尺寸。因此，现在一般采用常截面 进行破碎岩石。 abe 图2 5 滚刀截面形式及几何参数 ( 2 ) 滚刀正常运转的成因 在硬岩地层掘进中滚刀受刀盘向前的推力，在开挖面滚动，直接由开挖面提 供转动力矩，几乎没有阻力力矩。而在砂卵石地层，刀箱里容易挤满砂土，经过 压密结块，产生阻力力矩阻止滚刀滚动。掘进中滚刀受力情况如图2 - 6 所示。 第二章盾构机刀盘刀具种类及工作原理分析 士仓内土的阻力 仁= = 今 升挖面施加给渡刀 的转动力 图2 6 掘进中滚刀受力示意图 要使滚刀转动，必须满足：磊 ，这里臻为使滚刀转动的力矩；为 阻止滚刀转动的力。 如果滚刀在硬岩地层掘进，由于没有墨仓和砀箱，只要满足：臻 动时， 滚刀即可以转动，因此，在硬岩地层掘进，滚刀不会发生偏磨。 对于在砂卵石地层掘进时，由滚动受力示意图可以看出，阻止滚刀转动的力 矩主要由三部分组成，土仓内渣土的摩擦阻力力矩，刀箱内渣土的阻力力矩和滚 刀的启动力矩( 大小为3 0 5 0n m ) 。 = 丘仓+ 砀箱+ 动 ( 2 - 1 ) 在砂卵石地层，当滚刀的转动力矩小于阻力力矩时，滚刀便不能转动，即 臻 礓，此时滚刀容易发生偏磨等。 ( 3 ) 滚刀破岩工作原理( 图2 - 7 ) 工作时滚刀在推进力的作用下，排列在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀 盘的旋转，岩面被碾出一系列同心圆，利用滚刀的楔块作用，当超过岩石受力极 限时，两个同心圆之间的岩石中间裂缝贯通，岩片被剥落，从而达到破岩挖掘的 作用。 第二章盾构垫翌垄翌墨翌鲞墨王堡里垩坌堑 _ 一一 相邻 交叉裂缝 图2 7 滚刀破岩示意图 2 2 2 切削式刀具分类及工作原理 2 2 2 1 切削式刀具的种类及各自特点 切削式刀具的刀头种类有切削刀、先行刀、鱼尾刀、盘圈贝型刀、和仿形刀 等。切削刀可应用于面板式和辐条式刀盘，布置于刀盘开口或辐条的两侧，主要 适用于软粘土、砂土及砂卵石地层的开挖。 。 ( 1 ) 切削刀 一般又可分为甲型切削刀和锥形切削刀，见图2 8 。甲型切削刀刁头较钝， 适用于抗压强度适中的土体切削，锥形切削刀刀头较锐，适用于抗压强度较低( 抗 压强度低于1 0 m p a ) 的土体切削，切削刀切削土体见图2 - 9 。 图2 8 甲型切削刀( 左) 和锥形切削刀( 右) 第二章盾构机刀盘刀具种类及工作原理分析 ( 2 ) 先行刀 顾名思义，先行刀即为先行切削土体的刀具。先行刀在设计中主要考虑与 切削刀组合协同工作( 见图2 1 0 ) ，刀具切削土体时，先行刀在切削刀切削土体 之前先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀具创造良好的切削条件。根据其 作用与目的，先行刀断面一般比切削刀具断面小。采用先行刀可显著增加切削土 体的塑流性，大大降低切削刀具的扭矩，提高切削刀具的切削效率，减少切削刀 具的磨耗。 土体 先行刀 仓盾构前进方向 图2 1 0 先行刀与主切削刀协同切削土体示意图 ( 3 ) 鱼尾刀( 图2 1 1 ) 采用大刀盘全断面切削土体，布置在辐条上不同位置的切削刀，从刀盘外周 至中心，运动圆周逐渐减小，中心点理论上可以视为零。换言之，密封舱内切削 土体的运动长度也是由外至内逐渐变小，相应土体流动状态也是越来越差。为改 善中心部位的切削和搅拌效果，在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀，其设计 和布置有两个技巧，其一为使鱼尾刀最先切削土体，即将鱼尾刀设计与其他切削 刀不在个平面上，一般鱼尾刀超前6 0 0 r a m 左右，让盾构机先小圆切削土体后 扩大到全断面切削土体；其二是将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾 刀切削下来的土体增加一项翻转运动( 如同犁地一般) 。这样既解决了中心部分土 第二章盾构机刀盘刀具种类及工作原理分析 体的切削问题，改善了切削土体的塑流性，又提高了盾构机整体的掘进水平。 图2 11 鱼尾刀在刀盘上布置示意图 ( 4 ) 盘形贝型刀( 图2 1 2 ) 当盾构穿越砂卵石地层特别是大粒径砂卵石地层时，若采用滚刀型刀具， 因土体属松散体，在滚刀掘进挤压下，会产生较大变形，大大降低滚刀的切削效 率，有时甚至丧失切削破碎能力。针对大粒径砂卵石地层的特性，有很多使用盘 圈贝型刀的例子，其布置在刀盘盘圈前端面，较好地解决了盾构切削土体( 砂卵 石) 的难题。 图2 1 2 盘形贝型刀 ( 5 ) 仿形刀 盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削土体创造所需空间， 第二章盾构机刀盘刀具种类及工作原理分析 保证盾构机在超挖少、对周边土体干扰小的条件下，实现曲线推进和顺利转弯及 纠偏。盾构机一般设计两把仿形刀( 一把备用) ，布置在辐条的两端，伸出最大值 一般在8 0 - - - 1 3 0 m m 之间。施工时，可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从辐 条两端径向伸出和缩回仿形刀，达到仿形切削的目的。 2 2 2 2 切削刀的开挖形式及土屑形态【4 3 4 6 j 切削刀的基本切削过程是：切削刀通过刀刃的切削作用和前刀面的推挤作用 使得被开挖土体产生应力与变形。其中刀刃的切削作用使得切削层土体的应力超 过土体的强度，使切削层土体沿刀刃方向产生分离。前刀面的推挤作用使得己分 离的土体产生变形而与母体分离形成土屑。土屑再随切削刀正面进入开口，因此 刀具既有切削的功能也有装载的功能。切削区土体的变形可分为三个变形区域如 图2 1 3 所示： 第一变形区域i ：指靠近前刀面的切削层在刀具的挤压作用下产生的变形， 对塑性材料而言，主要是沿剪切面的滑移变形。 第二变形区域i i ：指切屑在流出过程中与前刀面之间产生的挤压摩擦变形。 第三变形区域i i i ：指近切削刃处掌子面面内产生的变形区。这一变形区主要 是由于切削刀钝圆部分和后刀面对掌子面产生挤压、摩擦而产生的。 图2 1 3 切削区土体变形 翼 切削刀的开挖方式主要有以下二种：切削式、挠取式。 切削式刀具是利用刀刃和刀具前面对土砂施压，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。土砂 的破坏应力特性取决于土砂的含水量、密度和粘聚力。土压盾构的主切削刀一般 均为切削式刀具。挠取式刀具主要用来分离土砂颗粒，琉松土体。用于砂卵石掘 进的土压盾构先行刀是典型的挠取式刀具。 切削式刀具开挖的土屑具有不同的流动形态，主要取决于土砂的组成成分及 其性状，而且与切削角度、切削速度和切削厚度有关。常见的土屑流动形态有四 第二章盾构机刀盘刀具种类及工作原理分析 种流动型、裂断型、剪断型、剥离型( 见图2 1 4 ) 。 冀：搀l 囊妻? 丈毫 0 a 流动型 l 耋：墨 笔壹i ：妻 毫：毒0 c 剪断型 奠：誊鐾舞妻：= 0 誊 b 裂断型 图2 1 4 土屑流动形态 d 剥离型 在含水粘性土地层中，随切削刀的运动，土从刀刃起产生连续的剪切变形， 土屑沿刀具前面连续流动，呈流动型土屑。这种情况下，切削阻力很小、且稳定， 刀具不易磨损。 在粘性颗粒少、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。这种情况下，作用于切削刀的切削阻力 呈脉动状态，甚至导致刀盘振动，使盾构外表面与土体的摩擦阻力减小，这是盾 构发生旋转的重要因素。 当土的硬度高或切削刀的前角小时，随切削刀的运动，土产生压缩变形，进 而从刀刃起沿某平面产生剪切变形，形成剪断型土屑。这种形态是裂断型向流动 型过渡的状态。 在混有砂砾的土层或砂砾石地层，切削刀的运动将砂砾颗粒从土中剥离或将 砾石从砂中剥离，呈剥离型土屑。 土屑的流动形态会随土质、切削角度、切削速度或切削厚度变化而转变。土 的含水率低时，若提高切削速度，土屑会由裂断型向流动型转变；切削刀的切削 角增大( 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 2 2 3 切削刀的运动特性 1 2 , 4 7 - 4 8 】 切削刀的切削原理主要是在盾构机向前推进的同时，刀具随刀盘旋转对开挖 第二章盾构机刀盘刀具种类及工作原理分析 面土体产生轴向( 沿隧道前进方向) 剪切力和径向( 刀盘旋转切线方向) 切削力，不 断将开挖面前方土体切削下来。切削时，刀具通常做两个方向的运动：一个是沿 开挖面的运动，它起着分离岩土的作用；另一个是切入开挖面的运动，它改变切 削的厚度，如图2 1 5 所示。 各切削刀的周向运动线速度为： 圪= 2 x 刀( 2 2 ) 式中各刀具的安装半径； 以刀盘转速。 轴向运动速度即推进速度为 圪= ” ( 2 3 ) 式中刀盘每转的刀具切深。 各切削刀的切削厚度即切深为： 矿 p = 上( 2 - 4 ) m ，l 式中m 同一安装半径上的切削刀数量，切深尸将不会超过刀盘面板( 或辐 条) 与切削面之间