盾构机的掘削机构.ppt

机械化盾构 第一节机械化盾构概述 一 机械化盾构的开挖原理机械化盾构的开挖为切削式开挖 即指与盾构直径相仿的全断面旋转切削刀盘来挖方式 开挖原理 在盾壳的保护下 对挖掘出的还未衬砌的隧道段起着临时支撑作用 承受周围土层的压力及地下水压 机械化盾构概述 1 土压平衡盾构将土料作为稳定开挖面的介质 刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室 刀盘旋转开挖使泥土料增加再由螺旋输送机旋转将土料送出 泥土室的土压可有刀盘旋转速度和螺旋输送机出土量进行调节 图2 1 图2 1土压平衡盾构示意图 机械化盾构概述 土体由旋转刀盘上的刀具切割下来 然后通过刀盘开口挤入土舱 与土舱内已有的粘性土浆混合 推进油缸的压力通过舱壁传给土舱内土体 从而保证开挖面的稳定 当土舱内的土体不能再被土压力和水压力压紧时 就达到了土压平衡 这时开挖面的土压约等于土舱中土体的压力 当土舱中土体的压力增加至超过平衡时的土压时 土舱中土体就会压紧开挖面的土体 这会导致盾构前方的地面隆起 当土舱中的土体压力小于平衡土压时 通常会引起地面下沉 土舱中的土体在压力的作用下通过螺旋输送机被输送出去 机械化盾构概述 土体的压力主要受下列因素影响 掘进速度 开挖土量 土体改性所用添加剂的量 2 泥水加压式盾构通过加压泥水或泥浆来稳定开挖面 其刀盘后面有一个密封隔板 与开挖面间形成泥水室 里面充满泥浆 开挖土料和泥浆混合由泥浆泵洞外分离厂 经分离后泥浆重复使用 泥水加压盾构是利用向密封泥水舱中输入压力泥浆来支护开挖面土层 使盾构施工在开挖面土层十分稳定的条件下向前掘进 从而大大地提高了隧道施工质量和施工效率 2019 12 20 12 泥浆的主要功用为 利用泥浆静压力平衡开挖面土层水土压 在开挖面土层表面 形成一层不透水泥膜 使泥浆压力发挥有效的支护作用 泥浆中细微粘粒在极短时间内渗入土层一定深度 进一步改善土层承压能力 输入盾构的泥浆必须具有适当的粘度和比重 泥浆压力要保持高于土层地下水压0 02mpa左右 机械化盾构概述 二 机械化盾构组成机械化盾构机主要由盾构主机 后配套设备及附属设备组成 盾构主机主要由掘削机构 盾构壳体 动力装置 推进装置 管片拼装机构 出料装置和控制设备等组成 2019 12 20 16 盾构机总体结构图 盾构机主机结构图 刀盘 第二节掘削机构 一 刀盘1 刀盘的功能及组成功能 1 掘削地层土体 2 支撑掘削面 3 搅拌掘削土体主体结构 掘削刀具 稳定面板 出土槽口 转动或摇动驱动机构 轴承机构 面板式复合刀盘 辐条式刀盘 刀盘结构分面板式和辐条幅板式两种 面板式为整体板状结构 上装刀具和开进碴口 辐条幅板式由辐条幅板所组成 上面可根据地质情况安装刮刀 盘型滚刀或混装软硬岩刀具 刮刀的形状和位置利于岩土的切割和清渣 刀盘的开口率也须根据地质情况定 一般在20 70 范围内 其取值需综合考虑便于泥渣进入开挖室内 保持开挖面稳定和保证刀盘足够的刚度 强度三方面的需要 所有的刀具都能从开挖室里面进行更换 提供有起吊机具便于换刀的操作 在刀盘中心部 设置了回转接头和必需的管道 专为扩挖副刀供给液压油 和为开挖室供应泥浆等改良剂 刀盘的外缘还可以焊接特种耐磨板予以保护 第二节掘进机构 2 刀盘与切口环位置 1 刀盘位于切口环内 2 刀盘位于切口环外 3 刀盘与切口环对齐3 刀盘形状辐条形 面板形 第二节掘削机构 二 掘削刀具盾构机刀具可根据运动方式 布置位置和方式及形状等进行分类 按切削原理划分 盾构机的刀具一般分为刮削刀和滚刀两种 其余形式的刀具为辅助刀具 刮削刀又分为齿刀 刮刀和先行刀等 第二节掘进机构 一 掘削刀具类型1 切刀 齿刀 刮刀 切刀是软土刀具 布置在刀盘开口槽的两侧 其切削原理是盾构机向前推进的同时 切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向 沿隧道前进方向 剪切力和径向 刀盘旋转切线方向 切削力 在刀盘的转动下 刀刃和刀头部分插入到地层内部 不断将开挖面前方土体切削下来 切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂 卵石 粘土等松散体地层 刮削刀的实物照片 a 周边刮刀b 周边刮刀 背面 c 周边刀安装位置 d 齿刀方柄齿刀f 齿刀g 中心齿刀 2019 12 20 33 2 先行刀先行刀是先行切削土体的刀具 超前切刀布置 先行刀在设计中主要考虑与其它刀具组合协同工作 先行刀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 先行刀的切削宽度一般比切刀窄 切削效率较高 2019 12 20 34 采用先行刀 可显著增加切削土体的流动性 大大降低切刀的扭矩 提高切刀的切削效率 减少切刀的磨耗 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 刮削刀的实物照片 h 先行刀i 先行刀j 先行刀 k 牛角刀l 羊角刀m 三棱刮刀 2019 12 20 36 3 贝型刀贝型刀实质上是超前刀 盾构机穿越砂卵石地层 特别是大粒径砂卵石地层时 若采用滚刀型刀具 因土体屑松散体 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果 有时甚至丧失切削破碎能力 将其布置在刀盘盘圈前端面 专用于切削砂卵石 2019 12 20 37 2019 12 20 38 4 仿形刀 或超挖刀 盾构机一般设计两把仿形刀 一把备用 布置在刀盘的边缘上 施工时可以根据超挖多少和超挖范围的要求 从边缘径向伸出和缩回仿形刀 仿形刀伸出最大值一般在70 150mm之间 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 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 2019 12 20 39 2019 12 20 40 5 中心刀 鱼尾刀 双刃或三刃滚刀 锥形刀 中心羊角刀 在软土地层掘进时 因刀盘中心部位不能布置切刀 为改善中心部位土体的切削和搅拌效果 可在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀 羊角刀 一般鱼尾刀超前600mm左右 2019 12 20 41 鱼尾刀的设计和配置方式如下 其一让盾构分两步切削土体 利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面土体 而后扩大到全断面切削土体 即将鱼尾刀设计与其它切刀不在一个平面上 即鱼尾刀超前切刀布置 保证鱼尾刀最先切削土体 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 在切向 径向运动的基础上 又增加一项翻转运动 这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性和搅拌效果 又大大提高盾构整体掘进效果 2019 12 20 42 2019 12 20 43 6 滚刀和刮碴板在纯硬岩地层掘进时 采用滚刀破岩 滚刀破岩的原理是依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的 滚刀的类型 数量 布置方式 位置 超前量根据岩层的强度和整体性 掘进距离 含砂量等特点确定 2019 12 20 44 穿越松散地层但有大粒径的砾石 粒径大于400mm 并且含量达到一定比例时 也可采用滚刀型刀具 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 2019 12 20 45 盘形滚刀圈 盘形滚刀 2019 12 20 46 二 掘削刀具的切削机理1 刮削刀具的切削机理刮削刀具一般是通过滑动来切削软岩和土层的 它由刀体和刀刃两部分组成 在刀盘推力的作用下 刮刀嵌如岩渣或岩层中 刀盘带动刀具转动时刮削岩层 在掌子面形成一环环犁沟 特点是效率高 刀盘转动阻力大 在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过刮刀进行开挖 渣土随刮刀正面进入渣槽 因此刮刀既具有切削的功能也具有装载的功能 2019 12 20 47 2019 12 20 48 2 滚刀的切削机理安装在刀盘上的盘形滚刀在千斤顶的作用下紧压在岩面上 随着刀盘的旋转 盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转 同时绕自身轴线自转 滚刀在刀盘的推力 扭矩作用下 在掌子面上切出一系列的同心圆沟槽 当推力超过岩石的强度时 盘形滚刀刀尖下的岩石直接破碎 刀尖贯入岩石 形成压碎区和放射状裂纹 进一步加压 当滚刀间距s满足一定条件时 相邻滚刀间岩石内裂纹延伸并相互贯通 形成岩石碎片而崩落 盘形滚刀完成一次破岩过程 2019 12 20 49 2019 12 20 50 2019 12 20 51 1 挤压阶段 滚刀在高推力作用下 切入岩石表面 切入深度1 10 15mm 取决于岩体强度 同时岩面产生局部变形及很高的接触应力 并在此应力作用下 刀刃与岩石接触部分的岩体产生粉碎区 即应力核心区 此核心区深度越深 范围越大对提高破岩效率越明显 2019 12 20 52 2 起裂阶段 沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉强度或抗剪强度时 便产生张拉裂缝 该裂缝是滚刀能否破岩的先诀条件 在应力核心区下层是应力过渡区 该区为应力衰减区 对岩体裂缝的产生不起控制性作用 在刀刃正下方分布有主裂缝 由于其方向与破岩方向一致 因此也不能显著地提高破岩效率 但能加大下个循环中压入阶段应力范围 2019 12 20 53 3 破碎阶段 当相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互连通时 表面部分岩体便被裂缝分割 形成碎片并脱离开挖面 2019 12 20 54 刮刀 铲刀 2019 12 20 55 2019 12 20 56 2019 12 20 57 三 滚刀滚刀的结构特点滚刀结构如图所示 它们主要由刀圈 刀体 套 刀轴 轴承 金属浮动密封环 刀盖 座 及联接螺栓等件组成 2019 12 20 58 滚刀的内部结构滚刀的内部结构是保证滚刀工作时正常旋转的关键 通常是由轴承 密封 润滑油脂组成 根据刀具的发展 大体经历了三个阶段 即有三种结构 2019 12 20 59 2019 12 20 60 刀具刀刃结构形状刀刃是用来破岩的 通常有齿形和盘形两大类 每一类往往又有多种不同的刀刃形状 如下图 2019 12 20 61 2019 12 20 62 2019 12 20 63 2019 12 20 64 三 滚刀1 滚刀刀圈特性 1 刀圈材料性能 高的屈服强度 减少刀刃的压溃变形 良好的冲击韧性 防治刀圈断裂 足够高的硬度 增加耐磨性减少磨 良好的抗回火性能提高材料热稳定性 良好的热加工和冷加工性能 2019 12 20 65 目前的滚刀刀圈有两大类 整体耐磨钢材料和镶有硬质合金球齿的刀具材料 整体耐磨钢刀圈材料主要以合金工具钢为主 也有合金结构钢 硬度在hrc52 59 它的特点是可以承受较大的冲击 并具有较高的耐磨性能 刀具制造费用较低 适用地层范围广 从软岩 中硬岩到硬岩都可选用 2019 12 20 66 2019 12 20 67 2 刀圈类型 耐磨层表面刀圈适用断裂砾岩 砂岩 凝灰岩及砂黏土层 80 100mpa 标准钢刀圈适用于砾岩 大理石 砂岩 灰岩及有石块的地层 50 150mpa 重型刚刀圈适用于高磨损岩 120 250mpa 镶齿硬质合金刀圈适用于花岗岩 玄武岩 斑岩及石英岩等地层 150 250mpa 2019 12 20 68 2 滚刀密封特性滚刀密封可保存轴承润滑剂并防止异物进入 对轴承正常工作和延长寿命起到非常重要的作用 常用金属浮动密封环其特点如下 1 采用3 5 倒油斜面 小曲率球面与平面环结构 2 采用高光洁度及高硬度工作面 3 加厚密封环尺寸 4 采用o形密封橡胶 2019 12 20 69 金属浮动密封环密封属于机械端面密封的一种 这种密封在均匀载荷 润滑优良的条件下试验寿命高达5000h 由于滚刀作业受力的复杂多变 使用环境恶劣 有一定的外部介质压力等 使用寿命会降低很多 但还是能满足滚刀使用要求的 2019 12 20 70 这种密封由两个啮合的金属密封环和两个富有弹性的复合橡胶密封圈组成 具有浮动能力 可补偿装配端间隙或防止偏斜 金属密封环是密封装置中的主要零件 其结构及质量的好坏起决定性作用 金属密封环采用高硬度的耐磨高铬钼的铸铁材料 硬度hrc60 65 工作表面粗糙度ra 0 1um 表面平面度 0 0015mm 2019 12 20 71 2019 12 20 72 3 滚刀轴承结构特性 1 能同时承受径向载荷和轴向推力 2 相比同尺寸轴承寿命更长 3 相比同载荷能力轴承尺寸更小 4 调节性能更好 5 锥形结构的自动移油特点有利排除异物 6 纯滚动性能好摩擦系数小 7 内外滚道可分离安装拆卸简便 2019 12 20 73 由于圆锥滚子轴承具有上述一系列的优点 能很好满足滚刀的工况要求 目前国外滚刀生产厂家大多选用美国铁姆肯 timken 和日本ntn等公司的轴承 17双盘正滚刀轴承 型号hh224334 224335 hh224310 额定动负荷c 630kn 额定静负荷c0 906kn 17双盘中心滚刀边滚刀轴承 型号h924045 h924010 额定动负荷c 453kn 额定静负荷c0 610kn 2019 12 20 74 由于进口轴承价格高 交货期长 九久公司和轴研所 轴承厂合作已制造出滚刀用轴承 使用性能正逐渐被用户接受 目前生产刀具轴承的材料是低碳铬镍钢如20crni3mo 常常通过特殊的冶炼工艺保证钢材的纯净度 通过深层渗碳热处理工艺 保证表面hrc58 60 芯部hrc43 45 2019 12 20 75 三 掘削刀具的选择刀具的选择需要充分考虑工程地质情况 进行针对性设计 不同的工程地质特点 采用不同的刀具配置方案 以获得良好的切削效果和掘进速度 根据地质条件特点 可以大致分为四种地层 软弱土地层 砂层 砂卵石地层 风化岩及软硬不均地层 单纯的纯硬岩地层 2019 12 20 76 2019 12 20 77 1 软弱土地层如南京 上海 杭州等地 其地质条件主要以淤泥 粘土和粉质粘土为主 在软弱土地层一般只需配置切削型刀具 如 切刀 周边刮刀 中心刀 先行刀和超挖刀 在切刀或刮刀的刃口和刃口背面镶嵌有合金和耐磨材料 以延长刀具的使用寿命 切刀的破岩能力为20mpa 可以顺利地通过进出洞端头的加固地层 2019 12 20 78 2 砂层 砂卵石地层如北京 成都其地质条件主要以砂 卵石地层为主 如遇到粒径较大的砾石或漂石 应配置滚刀进行破碎 在砂层 砂卵石地层施工时 需设置 宽幅 切刀 周边刮刀 先行刀 重型撕裂刀 中心刀 仿形刀等刀具 切刀是主刀具 用于开挖面大部分断面的开挖 周边刮刀也称保径刀 用于切削外周的土体 保证开挖断面的直径 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 减少切削力矩 同时重型撕裂刀用于破碎强度较低和粒径较小的卵石和砾石 中心刀用于开挖面中心断面的开挖 起到定心和疏松部分土体的作用 仿形刀用于曲线开挖和纠偏 滚刀用于破碎粒径较大的砾石或漂石 2019 12 20 79 3 风化岩及软硬不均地层如广州 深圳 上软下硬 地质不均的复合地层 且局部岩石的单轴抗压强度较高 150 200mpa 除配置切削型刀具外包括宽幅切刀 先行刀 还需配置滚刀 因而刀盘结构相对复杂 对于岩层首先通过滚刀进行破岩 且滚刀的超前量应大于切刀的超前量 在滚刀磨损后仍能避免切刀进行破岩 确保切刀的使用寿命 在曲线半径小的隧道掘进时 为了保证盾构的调向和避免盾壳被卡死 需要有较大的开挖直径 因此刀盘上需配置滚刀型的仿形刀 或超挖刀 2019 12 20 80 4 单纯的纯硬岩地层如秦岭1线隧道 隧道断面范围内以混合片麻岩和混合花岗岩两种岩石为主 刀具全部选用滚刀 无任何齿刀 有时 在刀盘面板周边开口处配备刮碴刮刀板 2019 12 20 81 四 正确使用刀具 减少消耗1 合理使用刀圈2 合理使用轴承3 合理使用密封4 合理使用刀体 刀盖5 加强规范操作 减少事故性刀具损坏 2019 12 20 82 五 刀具的常见失效形式1 刀具的正常磨损刀具的正常磨损是指刀圈的磨损量超过了规定值 磨损量可用专用的量具进行测量 2019 12 20 83 2 刀具偏磨如果滚刀在掘进工作面不转动 由于刀圈和掘进工作面的相对运动就会形成刀圈的偏磨 由于中心区滚刀线速度较小 承受载荷较大 中心区滚刀容易出现此现象 2019 12 20 84 3 刀圈断裂推力过大或刀圈在比较硬的岩石上滚动就有可能使刀圈断裂 若一个刀圈有两处断裂 断裂的部分刀圈就有可能掉到土舱 边缘滚刀和正面区滚刀经常有此现象 2019 12 20 85 4 表面缺损如果有金属或其它坚硬物损坏了刀圈的局部表面 刀圈局部表面就会形成表面缺陷 5 刀圈挡圈磨损或脱落挡圈是由两个半圆的钢环安装在滚刀轴的卡槽里焊接成一个完整的圆环 其作用是防止刀圈从滚刀轴上脱落 一旦刀圈挡圈脱落或焊接处磨损严重 就应该更换刀具 6 滚刀漏油由于密封件的损坏 就可能使密封油泄漏 从而导致油封座和轮毂的损坏 2019 12 20 86 六 刀具的检查1 刀具检查方法在地质条件发生变化 推进油缸推理逐渐增大 推进速度变慢 推进时间延长时应当检查刀盘和刀具 2019 12 20 87 1 刀具外观检查检查刀盘所有刀具螺栓是否有脱落现象 刀圈是否完好 有无断裂及平刀圈 弦磨 现象 刀体有无漏油 挡圈是否断裂脱落刀圈是否位移 2 刀具螺栓检查用手锤敲击螺栓 听其声音判别螺栓紧固程度 或一边敲击一边用手感觉器其振动情况判别螺栓紧固程度 2019 12 20 88 3 刀具磨损量测在掘进较硬砂岩时 一般每掘进30环测一次 在掘进娇软泥岩时 一般每掘进50环测一次 2019 12 20 89 2 滚刀损坏判别方法 1 观 进仓检查刀具损坏情况 观察渣土判断 正常情况片状岩屑超过50 直径在2 5cm之间 2 闻 刀盘转动时在密封舱背后听滚刀和岩面切削摩擦声 3 嗅 某些滚刀供应商在极限磨损界面上预先设置有特殊气味的包裹体 磨损到此气味便会扩散 2019 12 20 90 4 测 将测量刀具磨损量的传感器设置在刀具内 就可以及时检查刀具的磨损量 5 析 通过跟踪分析盾构机掘进参数和地质条件来判断刀具磨损情况 6 综合判断 通过上述五点综合判断刀具的磨损 2019 12 20 91 七 刀具的更换1 刀具更换的基本原则 1 中心刀具的磨损极限25mm 双刃正滚刀具的磨损极限20mm 单刃正滚刀具的磨损极限20mm 单刃边刀的磨损极限10mm 更换标准 变滚到磨损量8mm 正滚刀15mm 中心刀20mm 2019 12 20 92 2 刀具更换方法及要求 1 做好准备工作尽量减少停机时间 2 更换作业尽量选择中间竖井或地层条件较好 较稳定发热地段进行 3 在地层条件较差地段更换时必须带压作业或对地层进行与加固 4 作业人员必须系安全带 使用刀具吊装工具 5 做好更换记录 2019 12 20 93 八 刀盘刀具合理布局刀盘刀具布置原则1 刀具覆盖整个断面 2 使刀盘受力均衡 振动小 运转平稳 3 尽量使各刀具磨损均匀 尽量使滚刀纯滚动 即刀具母线过刀盘中心 4 有利于保证掘进直径 5 方便排除岩土 6 便于装拆和检查修理 2019 12 20 94 盾构机刀具的选用原则 1 适应地层 能快速掘进 2 刀具费用少 3 安全性 4 破碎每一单位体积岩石动力消耗少 2019 12 20 95 刀盘各区的刀具特点根据刀盘上三个性质不同的区域 中心区 正面区及边缘区 的特性 布刀时一定要充分考虑 1 中心区该区是刀盘的中心 特点是空间小 滚刀的转弯半径小 所以滚刀以滑动为主 在小刀盘上常安装单支点中心刀 大刀盘常用同规格的盘形滚刀 2019 12 20 96 中心刀与正滚刀的主要差别 成组安装 有两个一组 三个一组和六个一组 密封形式 单密封环与轴承或刀体配对 轴承型号 轴承常选用大角度的 且预紧力也大 2019 12 20 97 2 正面区该区处于中心区和边沿区之间 工作时刀具正对着掌子面 有一定的转弯半径 是以所谓的纯滚动工作 又有足够的布置空间 所以该区布刀容易 刀具寿命也长 在硬岩中钻进时 纯滚动 无论是刀具轴承寿命还是刀圈寿命都有提高 2019 12 20 98