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1、1,盾构刀盘刀具管理与不同地层刀盘刀具应 用,李凤远.南京2012年5月,盾构及掘进技术国家重点实验室,2,二、盾构刀盘刀具管理,纲要,一、盾构刀盘刀具概述,二、盾构刀盘刀具及地质适应性,三、盾构刀盘刀具管理,四、盾构滚刀选型与损坏分析,五、盾构刀盘地质适应性改造,六、盾构带压进仓技术,一、盾构刀盘刀具概述,3,4,1、一般盾构刀盘分类,按照掘进机纵向形状一般分类：目前使用的掘进机的刀盘形状,根据掘进机纵剖面的形状,可分为垂直平面型,锥型和弓型三类：垂直平面型刀盘掘进中是呈平面对掌子面进行作业开挖的,作业平面可使掌子面稳定。锥型刀盘即刀盘形状类似麻花钻,刀盘中心有一突出的钻头,此种形状可保持开
2、挖方向性,提高开挖效率。弓型刀盘用于硬岩掘进机,适合砾石层和微风化岩层的开挖。,5,1、一般盾构刀盘分类,掘进机的刀盘根据前部面板形状分面板型和轮辐型两种。硬岩刀盘：面板型刀盘可防止过多德坍塌，有利于掌子面的稳定；软岩刀盘：轮辐型刀盘可减低刀具实际负载力矩，有利于渣土的流动，并可将土仓内土压有效传递到作业面。复合型刀盘：刀具互换性，基本为面板式刀盘。,6,制造商海瑞克盾构机面板式刀盘,7,制造商NFM公司盾构机面板式刀盘,8,制造商维尔特TBM面板式刀盘,9,辐条式刀盘（日本小松、IHI）,10,2、刀盘支撑的形式,隧道掘进机刀盘支撑的形式一般有中心轴式，中间支撑方式，周边支撑方式等几种。1）
3、中心轴式一般使用于小直径的盾构机；2）中间支撑方式一般实用于大中型直径的掘进机，此种方式一般采用双数横梁进行支撑，广州地铁二、三号线的德产“先锋号”盾构机就使用了这种支撑方式，此方式缺点是在软岩条件下，容易在横梁中间形成泥柄影响刀具机械性能和掘进速度；3）周边支撑方式，刀盘由框架支撑，机内中间空间大，有利于大块岩石和障碍物的处理，此种国内所使用的掘进机基本少见。,刀盘支承方式有3种：1）中心支承式（适用于中小型直径盾构）2）中间支承式（适用于中大型直径盾构）3）周边支承式（适用于小型直径盾构）,中心支承方式 中间支承方式 周边支承方式,12,3、刀具类型,刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同
4、地层的开挖，主要刀具按刀具结构分常见类型有：单刃滚刀，双刃滚刀、中心滚刀、齿刀、切刀、弧形刮刀和仿形刀。,13,3、刀具类型,14,3、刀具类型,15,4、硬岩滚刀刀圈分类,16,4、硬岩滚刀刀圈分类,盾构机滚刀具按刀圈外径规格一般分为12英寸，15.5英寸，17英寸，19英寸等系列，目前国内地铁盾构机所用刀具主要为17英寸，以下是四种系列刀具的特征参数。,17,5、盾构刀具的受力机理,1）滚刀滚压原理由于刀盘推力和驱动扭矩的存在，刀圈轴向受力挤压岩层，刀盘推力使刀具隧道轴向承受推力，只要达到岩石的强度极限，便可挤压破岩；同时刀具的驱动回转力矩使刀具滚动径向受力，从而克服来自掌子面的摩擦力矩。
5、,18,5、盾构刀具的受力机理,2）软岩刀具破岩原理软岩的切削主要是刀具直接对土层进行剪切破坏来进行切削的。,软土刀具切削机理示意图,二、盾构刀盘刀具及地质适应性,20,对于如上海地区、天津、西安、郑州等均一的软土地层，通常只使用刮刀类刀具就可以了。这类刀盘结构相对简单，通常称为辐条式刀盘。刀具也主要以软土切削型刀具为主，适用于未固结成岩的软土地层和某些全风化或强风化的软岩地层，一般破岩能力在单轴抗压强度20Mpa以下。,西安老黄土、砂砾石地层的应用老黄土密实，缺水；砂砾石粒径在0.130mm间，缺水，缺粘性颗粒；,第二部分 复合盾构施工技术,中国中铁6、16号与西安的黄土及砂层地质,在沈阳无
6、水砂卵石地层的应用地层以粒径020MM,2040mm中粗砂、砂砾、圆砾石为主；地下水水位在掘进断面以下1m.,第二部分 复合盾构施工技术,中国中铁8号与沈阳的砂卵石地质,地表深降小于3mm,成功穿越价值50亿的瓷房子,中国中铁1号与天津的粉土、淤泥地质,26,针对硬岩地层，刀盘选择一般滚刀破岩为主，一般对于铁路、公路、水利、引水大埋深隧道，通常均在基岩中掘进，刀盘也主要以面板式为主，采用中间支撑方式。目前刀具主要以17盘型滚刀为主，对于大直径的硬岩刀盘，刀具有向大直径发展的趋势。,28,由于我国地域广阔，各地方地层千差万别，就是同地区地层也呈现不均质的态势，单纯的软土刀盘刀具及硬岩刀盘刀具已经
7、不能满足我国地下工程建设的需要。正是由此，复合型刀盘刀具随之产生。复合型刀盘特点主要体现两方面：一方面在刀盘结构强度刚度兼顾软土、硬岩，一般以面板式为主，结构形式复合。另一方面安装刀具复合，刀盘刀具安装设计兼顾软土剪切型刀具及硬岩滚压型刀具安装，根据盾构掘进地层情况，可以进行部分硬岩刀具安装、部分软土刀具安装及全软土刀具安装及全硬岩刀具安装。,复合盾构在北京圆砾石地层的应用圆砾石1060mm占60%,还有少量大卵石，地层密实。地下水在底板以下。,第二部分 复合盾构施工技术,盾构设计适应地质：大卵石地层；破岩设计思路：以排为主，排破结合；盾构特点：带式螺旋输送机，刀盘 面板与辐条结合；大功率电驱
8、。,中国中铁3、4、5号与北京的大直径卵石地质,广深港狮子洋隧道,三、盾构刀盘刀具管理,32,33,1、刀盘刀具管理的主要意义 刀盘刀具是隧道掘进机（TBM、盾构）的核心部件和掘进载体。1)、计划性实施刀盘刀具检查和更换，能及时了解、掌握和分析刀具使用状况，有效利用刀具和保护刀盘。2)、建立准确、详尽刀具台帐和完善刀盘刀具维护、修理工艺，能最大限度地降低刀具的使用成本。3)、掌握并熟练运用刀具检查、更换的方法，加强对刀盘的监控，能避免刀具非正常原因的大面积损坏，保证施工顺畅，降低施工风险。,34,2、不重视刀盘刀具管理的后果 不重视刀具管理或因条件限制（TBM受特殊的断层破碎带、富水地段等不良
9、地质段影响、盾构机受地面建筑物、地质条件等限制）无法及时对刀具出现的磨损、损坏采取措施处理的，不但会降低掘进效率，还会导致刀盘出现不同程度的磨损，严重的会影响刀盘的主体结构，给施工造成很大影响。,35,刀盘损坏,无计划换刀，地表塌陷,案例一：某盾构工程地质主要为全/强风化地层，在掘进过程中，前后三次遇到地质突变，一次为上软下硬的地质不均地段，两次为孤石侵入隧道洞身范围。掘进过程中，初期遇到地质突变未引起施工方足够的重视，待盾构机掘进遇到困难，无法推进时才想到开仓处理，此时刀盘已遭到严重的磨损。由于地质条件影响，停机位置已不具备开仓条件（在无地层加固的辅助措施下进行开仓作业将导致地表沉降不可控制
10、），不得不先后两次停机一个月进行地层加固处理，后开仓维修刀盘、更换刀具。此工程因为刀盘需要检修而导致工期滞后达半年之久。,其中第二次损坏：刀盘前方靠外部出现高强度高达156Mpa，最大外形尺寸达到2500mm（掘进方向长度）2700mm（宽）1800mm（高）不规则形状的孤石。刀盘面板14处被磨穿；滚刀遭到严重的弦磨和损坏，其中外围的滚刀刀体弦磨超过200mm；所有刮刀、外部切刀损坏。,刀盘维修后掘进再次遇到孤石，因不具备开仓和从地面进行加固处理的条件，强行推进出洞。,案例二：某TBM工程施工，边刀与刮板均接近磨损的极限需要更换时，未引起管理者的重视，不是选择仔细的跟踪检测或立即更换刀具，而是
11、决定继续掘进待后处理，结果导致刀盘边缘结构遭到磨损，刮板座及边刀座因过度磨损无法继续使用而停机处理。,案例三：软土掘进时，也应重视刀具管理。图示为某盾构工程因刀盘中心结泥饼而导致刀盘中心磨损。,41,目前国内使用的隧道掘进机类型主要有：适用于硬岩掘进的敞开式TBM、双护盾TBM以及适用于软土和复合地质的土压盾构机、泥水盾构机。,42,由于TBM与盾构机在工作环境和方式上存在一些差异，在刀具管理方面存在不同点。1、TBM工程一般施工距离相对较长，基本均具有开仓检查刀具的条件（特殊的断层破碎带、富水地段等除外），易建立定期检查刀盘刀具的制度。事实上由于TBM施工的岩层相对较硬，单位距离对刀具的磨损
12、大，关注并加强刀具管理工作，非常重要。,43,2、盾构工程一般施工距离相对较短，且受地面建筑物及地质条件的影响，很难做好刀具定期检查工作，对其管理的难度相对更大。盾构工程地质条件不同，其刀具消耗及关注程度和方式也不同。,44,(1)南京、上海、杭州等华东地区，其地质条件主要以淤泥、粘土及粉质粘土为主，刀具类型以切刀为主，在整个隧洞掘进过程中基本没有磨损；(2)北京、成都等存在砂卵石地区，应根据需要配置滚刀破碎砾径较大的砂卵石，刀具自然会受到磨损或因撞击而损坏，同时由于砂卵石对刀盘面板有磨损，需加强对刀盘状况的关注；(3)广州、深圳等华南地区，上软下硬、地质不均的复合地层较多，且局部的岩石强度较
13、高，部分地段已超过150MPa，甚至达到200MPa，给刀具的配置、使用带来了比较大的难度。,45,例如：广州地铁【越三】区间1.8km长，右线换刀9次、84把刀具，左线换刀7次、67把刀具；深圳地铁【福会】区间1089m长，换刀9次、69把刀具;台山核电站工程全长4200米，带压进仓540次共计1610 人次、换刀31次、805把刀具（其中滚刀354把）；由此可见，盾构工程在复合地质掘进时，刀具管理的重要性更突出。,从目前国内盾构施工情况看，影响施工进度的一个关键因素就是刀具的合理使用，因此进行刀具的科学管理就一定意义上实现了盾构施工的科学施工。从管理流程看盾构刀盘刀具管理分为大小两个闭式循
14、环管理系统，其中大循环是小循环的基础，小循环是大循环的具体体现，刀具管理的主要任务就是要很好的控制好这两个循环。,48,对于刀具寿命预测，国内外很多院所进行了大量研究，但是直接用于工程实践的方法还不是很多，对于现场盾构施工的刀具管理最直接的方法是进行类似地层数据收集分析的方法，较为实用。以下是，较为经典的刀具寿命推断理论。,广深港狮子洋隧道采用刀具磨损与掘进数据回归法进行刀具预测管理，取得明显效果。,四、盾构滚选型与损坏分析,随着国内轨道交通及其他市政工程建设的蓬勃发展，城市地铁隧道、客运专线隧道、跨江越海公路隧道、引水隧道及市政管道工程等地下隧道工程广泛采用盾构法施工。在岩石、砂卵石地层及复
15、合地层掘进时，目前一般采用17英寸盘形滚刀，且普通存在刀具更换频繁，施工效率低下的问题，从而对滚刀直径、滚刀类型等参数的选择是否合理应加一重视。随着盾构国产化时代的到来，滚刀地质适应性研究已经成为盾构施工的技术瓶颈。合理选择和合理布置滚刀，是提高盾构施工可靠性、安全性、高效性、耐久性的有效途径。盾构主流滚刀一般一单刃滚刀，双刃滚刀为多；以下做单刃滚刀和双刃滚刀选型方法介绍。,1滚刀破岩机理在刀盘推力作用下，滚刀的刀圈轴向受力（P）挤压岩层，当达到岩石的强度极限时，便可挤压破岩；同时在刀盘驱动扭矩的作用下，使滚刀滚动径向受力（F），从而克服来自掌子面的摩擦力矩。由于滚刀的滚压破岩是既有冲击压碎、
16、又有剪切碾碎作用的复合运动，从而给滚压破岩理论研究造成极其复杂的困难局面。到目前为止，研究岩石破碎的学者，仅对破碎前的应力状态有较明确的观点和论述，而对于裂纹产生、扩展、汇交、破碎判据、漏斗行程等一系列问题仍存在分歧。,1滚刀承载力计算 根据东北工学院的研究，结合日本小松小松技报观点，按照力平衡原理，滚刀承载力P 和漏斗坑在自由面上形成的破碎面积A 成正比。,式中：d K 滚压系数，它与岩石性质有关，采用试验可以确定其数值。一般0.47 0.7 d K=，大理石约为0.53，花岗岩约为0.67，岩石越软d K 越小，岩石越硬d K 值越大。,实际破碎面积A 较为复杂，将其看为两条抛物面组成的面
17、积，其与刀具几何形状、贯入度的关系为：,选型实例：广深港SD3 标狮子洋隧道采用直径11.18m 泥水盾构掘进，穿越地质主要为粉细砂岩，岩石最大单轴抗压强度82.8MPa，刀盘设计采用17 英寸单刃、双刃滚刀可以互换，其中46#、47#、48#、49#、50#为边滚刀，（49#、50#同轨迹）。在刀具应用过程中，全部采用单刃滚刀，从682m 里程掘进到722m 里程后，开舱进行了刀具检查，边刀磨损情况如表1 所示。,由于掘进效率低下，经研究，边滚刀决定采用17 英寸双刃滚刀，以增加边刀轨迹。在掘进仅7 环（14m）后，出现盾构掘进参数异常，开舱进行刀具检查，发现安装的3 把双刃滚刀全部损坏（图
18、2），刀体出现变形、轴承散架、刀圈移位、隔圈脱落。,（一）滚刀类型地质适应性,对广深港SD3 狮子洋隧道滚刀承载力按上述模型进行了计算。其中岩石破碎角按照奥斯特洛乌什柯数据查得，广深港地层为典型的粉细砂岩，破岩角取为144，最高岩石单轴抗压强度82.8MPa，掘进参数取刀盘转速2rpm、掘进速度20mm/min。,（一）滚刀类型地质适应性,通过计算，在广深港粉细砂岩地质情况下，17英寸单刃滚刀承载力为13.21T，双刃滚刀承载力26.43T。经查阅17英寸滚刀惯用轴承为TIMEKER圆锥滚子轴承HH224335，按照轴承承载力计算，刀具采用两轴承（如图3，轴承1，轴承2）对称组合安装，刀具承载
19、力约为25T。,根据广深港SD3标地质条件，采用双刃滚刀，轴承承载力不能满足要求，因此，在粉细砂岩地层采用双刃滚刀是不现实的。,（一）滚刀类型地质适应性,同理反推计算，在上述掘进参数及类似地层岩性情况下，单刃滚刀适用最高抗压强度为155MPa的地层。因此对于滚刀类型的选择，应根据盾构穿越的地质条件，进行刀具承载力的校核，然后进行滚刀类型的选择。根据式4，在地质条件及掘进参数相同的情况下（粉细砂岩，岩石抗压强度82.8MPa，掘进速度20mm/min，刀盘转速2rpm），可进行滚刀直径的选择，若选用19英寸刀具，计算单刃滚刀承载力为13.9T，19英寸滚刀承载力一般为30T，是可以满足承载力要求
20、的。同理在相同岩性及掘进参数情况，根据19英寸滚刀轴承承载力，其适用的最高单轴抗压强度约为180MPa。不要为了增加盾构滚刀轨迹，以提高破岩效率而盲目使用双刃滚刀！,（二）滚刀选择需考虑的其他因素,1、合理的滚刀直径同样根据式4，在地层条件及掘进参数相同情况（地层同样为粉细砂岩，抗压强度同样为82.8MPa，掘进速度20mm/min，刀盘转速2rpm），可以进行滚刀直径的选择，若选用19英寸刀具，计算单刃滚刀承载力为13.9T，19英寸滚刀承载力一般为30T，也是可以满足承载力要求的。同理在相同岩性及掘进参数情况，根据19英寸滚刀轴承承载力，其使用的地层最高单轴抗压强度约为180MPa。,（二
21、）滚刀选择需考虑的其他因素,2、人性化的换刀 一般盾构硬岩掘进时，刀具更换是主要的施工工序之一，尽可能的降低换刀劳动强度，是我们现代社会文明工具先进性标志之一。刀具直径的大小绝对意义上决定了刀具的整体重量，17英寸滚刀总重量约120kg，利用现有工具进行快速换刀，已经被大多数用户接受，这也是目前该类型滚刀得以广泛应用主要因素之一。采用19英寸滚刀具，应从刀具安装方式、刀具更换方式、刀具的便携式吊运等方面，进行优化设计及研究。,（二）滚刀选择需考虑的其他因素,3、根据盾构直径大小，综合滚刀具设计 由于滚刀安装在刀盘上，滚刀选型设计应综合考虑盾构直径大小，掘进机直径越大，刀盘刀具布置设计性能更优，
22、掘进机直径越小，刀盘刀具布置设计性能较为局限。同时掘进机直径的大小也决定了刀具更换空间的大小，满足人性化的刀具更换，也是滚刀选型必须统筹考虑的。,（二）滚刀选择需考虑的其他因素,4、更优的掘进效率 根据滚刀参数，滚刀直径越大，刀具刀圈允许磨损量就越大，当贯入度相同时，英寸滚刀比英寸滚刀使用时间长，因此选用大直径滚刀无疑可以提高掘进效、减少刀具频率。与滚刀破岩效率及耐磨度的初步比较研究 张宁川 隧道建设2009.02,1、正常磨损的两种形式：（1）硬岩：在均匀地质的硬岩条件下，由于盾构机掘进速度较慢，刀盘刀具惯入度较小，刀具刀圈刃口磨损均匀，我们可理解为刀圈外圆面的磨损。（2）软岩：在均匀地质的
23、软岩条件下，由于盾构机掘进速度较慢，刀盘刀具惯入度较大，故刀具刀圈磨损呈尖锐状。,（三）滚刀损坏分析,2、异常磨损（1）规律性异常磨损掘进机刀盘刀具在使用过程中，经常表现出由于边刀损坏或中心刀具损坏而引起的刀具连锁损坏。边刀效应：掘进机边滚刀的不正常损坏或超极限磨损引起其他刀具或刀盘的损坏的效应。此种效应我们称之为“边刀效应”。“边刀效应”说明：掘进机边滚刀的设计是为了有效保证隧道的精确尺寸和保护刀盘结构件的。如果边刀超过极限值之后过度磨损，那么隧道直径可能减小，对于盾构机而言会增大盾壳和岩层的摩擦力，从而减小了盾构机的有效推力（作用于刀盘上的推力）。可能造成边滚刀的偏磨，刮刀的过度磨损和刀盘
24、外沿的损坏。盾构机出现边刀效应时，通常表现为：同一地层，操作参数相同，盾尾铰接刀盘力矩变大，掘进速度明显减小。,边刀和刮刀的非正常损坏若边刀磨损在15mm以上，右线曾经达到20mm，远远超过刀盘刀具设计磨损极限值（15mm），因此外侧刮刀磨损极为严重，可幸刀盘外沿未造成严重损坏。,（三）滚刀损坏分析,（2）中心刀效应：掘进机由于中心刀具的损坏或过度磨损引起紧靠中心刀具的刀具连锁损坏或磨损的效应。此种效应，我们称之为“中心刀效应”。中心刀效应说明：掘进机中心刀具设计如同麻花钻的钻头，刃口是否锐利将有效保证刀盘的惯入度，同时由于中心刀具位于刀盘中心部位，考虑刀盘不完全刚性结构件，其承受的径向力较其
25、他刀具大，故设计的轨距较其他刀具小，中心刀的损坏将严重降低刀盘的惯入度（即掘进速度），同时在隧道掌子面形成山丘状，引起紧靠中心刀具的面刀的损坏，或不正常磨损。,（三）滚刀损坏分析,原因分析：中心刀具靠刀盘中心部位行走轨迹较面刀小，刀具在滚动时和岩层接触面较面刀小，固摩擦系数较面刀小，摩擦力矩较面刀小（即外负载为中心刀提供的启动力矩和回转力矩较面刀小），刀体滚动条件本身比面刀差。软岩的实际存在，按理随着刀盘惯入度的增加，即外负载为中心刀提供的启动力矩和回转力矩应该增大，但由于软岩的低稳定性，可能造成掌子面局部坍塌，反而减小了外负载为中心刀提供的启动力矩和回转力矩，同时软岩中大量粘土的存在，渣土流
26、动性非常差，刀具容易被粘土封实。刀盘泡沫孔分布不合理，软岩粘土的存在很容易堵塞中心刀孔，从而变相增大了中心刀启动力矩和回转力矩。人为掘进参数的不合理调整，特别掘进推力的盲目增大会加剧刀具的不正常损坏。,（三）滚刀损坏分析,（2）刀具随机性异常损坏掌子面地质的不均匀性，比如礼村断裂带，由于刀具外负载的异样性，刀具损坏以不规则大量偏磨和刀体损坏为主，无规律可循。粘土层地质，滚刀孔被渣土糊死，刀具滚压机理得以遏制，受力以剪切为主，表现偏磨。刀圈弦磨：产生的原因 地质较软且粘性较大，滚刀刀孔容易被堵塞，刀盘面板处易形成泥饼，从而导致刀具转动困难，造成弦磨；刀圈弦磨 刀具轴承损坏（与刀具使用相关），刀具
27、无法转动；刀具启动扭矩过大（与刀具制造、修理相关），启动困难。,（三）滚刀损坏分析,刀体超量磨损：产生的原因刀圈能保护刀体不被磨损，若刀圈被非正常的磨损或者损坏，例如：硬岩地段掘进，刀圈的弦磨、断裂与脱落；刀具轴承损坏，刀具无法转动等均会造成刀体出现类似的超量磨损。,刀具密封失效：产生原因刀具密封失效主要体现为润滑油泄漏，润滑油泄漏导致水、碴土甚至水泥浆液渗入轴承，使轴承无法正常转动并导致轴承损坏。根据硬岩掘进机（TBM）的经验，损坏的刀具中，刀具密封失效的情况占了70。刀具密封损坏与刀具装配、刀具密封的耐压、耐高温能力有关（一般的盘形滚刀密封能承受的最高温度为80度，能承受的最高水压和气压能
28、达到0.8MPa）。,刀具贯入度p 刀具贯入度指刀盘每转刀具切入岩石的深度。在每个掘进循环中，刀具运行距离与刀具贯入度呈反比。若p减小，刀具运行的距离将加长，刀具磨损将加快，因此，应该尽量选择与刀具能力相匹配的p值。不同厂家生产的刀具，不同的岩石抗压强度，应选择的p值不同。,（三）滚刀损坏分析,（三）滚刀损坏分析,刀盘转速n 由于p和F呈正比关系，F，p，掘进速度vpn也会降低，因此在F不宜过大或者需要降低的地层掘进时，为获得较高的掘进速度，提高掘进的效率，通常采用适当提高刀盘转速n的方法。注：在设备遇到地质不均匀的特殊地层需特别注意选取掘进参数。,在这种地段掘进时，同一个掌子面上，刀具在软岩区域的贯入度P1与在硬岩区域的贯入度P2不同，P1P2，设PP1P2，会出现图示的情况，刀具从软岩区域过渡到硬岩区域时，会经过一个高为P的台阶，P越大，刀盘转速n越大，刀圈受到的冲击载荷越大，刀圈在猛烈的撞击下，会产生初始裂纹，经过反复的冲击，裂纹会不断扩大，最终导致刀圈断裂，因此在地质不均地段掘进时，p和n的值应该比同等岩石强度的全断面为硬岩时的情况小。,（三）滚刀损坏分析,五、盾构刀盘维修案例,78,谢 谢,
