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1、1,盾构刀具及开挖面分析,2,目 录,一、盾构刀具二、盾构开挖面的变形与破坏分析,3,一、盾构刀具,对于盾构机来说,掘削系统即是掘削刀盘及其驱动系统。掘削系统对于盾构机的施工效果有着决定性的影响,而且选择的差异对盾构机造价也有着很大的影响,刀盘选型可以影响到总造价的48,尤其掘削设备的装备扭矩是盾构机最基本的参数之一。盾构机掘削刀盘即作转动或摇动的盘状掘削器，由掘削地层的刀具，稳定掘削面的面板，出土槽口，转动或摇动的驱动机构，轴承机构等构成。,1 综述,某刀盘实物照片,4,某刀盘主驱动,主轴承,刀盘驱动系统示意图,刀盘搅拌结构,5,关于盾构机的刀盘、驱动机构等将在后边介绍，因此这里主要介绍盾构
2、机掘削地层的刀具。刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常重要的内容。刀具布置方式及刀具形状是否适合应用工程的地质条件,直接影响到盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。,6,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切削刀和滚刀两种，其余形式的刀具为辅助刀具。切削刀又分为齿刀、刮刀和先行刀等。,2 盾构刀具的分类,按运动方式分类,按安装方式分类,7,按安装位置分类,1-8号中心齿刀,8,刀具按掘削目的、设置位置和用途的分类,9,滚刀的示意图和实物照片,b)盘形滚刀圈 c)盘形滚刀,a)盘形滚刀示意图,10,切削刀的实物照片,a)周边刮刀 b)周
3、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,11,切削刀的实物照片,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,12,注：等级A、B、C、D，从左至右，质量依次提高；脱氧方法F表示沸腾钢，Z表示镇静钢，b表示半镇静钢，TZ表示特殊镇静钢；Q235-A，Q235-B沸腾钢含锰量上限为0.60%。,3 刀具的材料,海瑞克周边刀的刀体是德国产钢号为St52-3的钢材，其性能相当于国产的低碳钢Q235，Q235钢的化学成分和力学性能见下表。由表可知，该材料的韧性较好但硬度较低。,Q235钢的化学成分和力学性能,13,海瑞克周边刀的刃口主要
4、承受高应力的磨粒磨损，周边刀迎土面钎焊有球齿，球齿材料为硬质合金，主要用于承受砂砾、卵石的磨粒磨损与冲击。,超硬钢的种类及特性,14,海瑞克齿刀由刀体、端部硬质合金刀片和背部球齿构成。,15,海瑞克刮刀是用硬质合金钢做为刀头，高耐磨合金钢作为刀体。,16,其它进口盾构刀具在材料方面由两至三种构成，即基体材料、硬质合金材料、刀具刃口堆焊材料等复合制成。下表为一种用于盾构机刀具刃口的铁基堆焊材料的化学成分和性能。,一种铁基刀具刃口堆焊材料的化学成分和性能,镶铸,堆焊,17,对于不同地层的开挖，盾构的刀具通常采用不同型式：开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀；地层为较软岩石时，采用齿刀；地层为软土或破碎软
5、岩时，可采用切刀(或刮刀)。,4 刀具的选择,卵石层(N40),砂砾卵石(10N40),洪积土(砂质土)(10N25),冲击粘土(0N10),标准贯入锤击数,18,5 刀具的作用及切削机理,(1)切削刀切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀一般形状如左下图所示。一般情况下，(前角)与(后角)值随切削地层特性不同变化，取值范围在520度之间，粘土地层稍大，砂卵石地层稍小。,切削刀一般形状示意图,三棱刮刀,19,切削刀为盾构机开挖非岩质地层的基本刀具，其形状、布局将对开挖效果有重要影响。切削刀切削土体的示意见下图。对于软土地层或经滚刀破碎后的碴土将通过切刀和刮刀进行开挖。碴土随切刀、刮刀正面
6、进入碴槽，因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有装载的功能。,切削刀切削土体示意图,20,顾名思义，超前刀即为先行切削土体的刀具。超前刀在设计中主要考虑与切削刀组合协同工作。刀具切削土体时，超前刀在切削刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的切削条件。据其作用与目的，超前刀断面一般比切削刀断面小。采用超前刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少切削刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层使用效果十分明显。超前刀刀具形状及与切削刀协同切削土体的示意图见左下图。,(2)超前刀(也称先行刀),超前刀,21,22,盘圈贝型刀实质上是超前刀，盾
7、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果，有时甚至丧失切削破碎能力。采用盘圈贝型刀，将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石)的难题。,(3)盘圈贝型刀,盘圈贝型刀实物照片,盘圈贝型刀示意图,23,采用大刀盘全断面切削土体，布置在刀盘不同位置的切削刀，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，相应土体流动状态也是越来越差。而且中心支撑部位(直径约1.5 m)不能布置切削刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可考虑在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾
8、刀。,(4)鱼尾刀,鱼尾刀示意图,24,根据经验，鱼尾刀的设计和布置可应用两个技巧：其一让盾构机分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面(直径约1.5 m)土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其他切削刀不在一个平面上，一般鱼尾刀超前600 mm左右，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(如同犁地一般)：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，又大大提高盾构机整体掘进水平。,鱼尾刀切削土体示意图,25,(5)仿形刀,盾构机一般设计两把仿形刀(一把备用)，布置在辐
9、条的两端。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。仿形刀伸出最大值一般在80130mm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。,26,根据广州及深圳地铁建设经验，随着城市轨道路网的延伸及建设力度的加大，盾构区间不仅需穿越常见的软弱地层，同时还需在部分硬岩地段中通过。因此在刀具选择上既要考虑在软岩中开挖的需要，也要考虑在硬岩中的要求。一般认为刮刀适用于土层及部分软岩，盘形滚刀适用于硬岩，其中单刃滚刀能用在强度很高的岩石中，国外曾有在抗
10、压强度超过200 MPa岩石中应用的工程记录。,(6)滚刀,盘形滚刀圈 盘形滚刀,27,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。,28,硬岩滚刀破岩主要分为以下几个步骤：,1)挤压阶段：滚刀在高推力作用下，切入岩石表面(切入深度110/15m
11、m，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。,29,2)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。,30,3)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
12、离开挖面。,31,1)岩石硬度：在刀具挤压阶段，必须保证刀具硬度要高于岩石硬度，才能切入岩石表面，形成必要深度的应力核心区。2)抗压强度：刀具切入岩石表面后，当应力大于岩石抗压强度(单向应力条件)或抗压强度与地层主应力组合值(三向应力条件)时才能形成粉碎区，以保证裂缝产生位置具有一定深度。3)抗拉强度：是裂缝形成的力学原因。,影响裂缝能否形成的直接因素有：,32,根据以往工程实践及试验数据，影响破岩效率的因素有：1)脆性/塑性:是对抗压强度、抗拉强度的综合评价，适用于抗压强度较大(小)，而抗拉强度较小(大)岩石。有关文献资料显示在同样条件下，脆性岩体在挤压阶段所需时间远远小于塑性岩体(约八分之
13、一)。2)耐磨性:本指标直接关系到盾构机掘进效率，是承包商进行刀具寿命及备品估算、工期筹划的主要依据。根据国外资料统计在耐磨性小的岩石中，更换刀具时间占总停工时间的3%，而在高耐磨性岩石中有20%之多；以每掘进1米时间计算，耐磨性小的岩石为0.020.05 hr/m，而高耐磨性岩石则可高达0.2hr/m。,影响破岩效率的因素：,33,(7)齿刀,在岩石较软的情况下掘进时，由于盘形滚刀与岩石掌子面之间不能产生一定的附着力，将导致滚刀不能滚动而产生弦磨，滚刀不能滚动将失去有效的破岩功能。因此，在较软的岩层中应将部分盘形滚刀更换成齿刀，利用齿刀进行破岩。由于齿刀上装有2个切削刃，因此刀盘正反转时齿刀
14、都能进行破岩。,齿刀破岩机理图,34,刀具布置有两种方式：第一种为刀具整体连续排列方式，因其切削阻力较大，盾构机密封舱内土体流动性差，现已很少使用，仅偶尔在切削阻力小的淤泥质地层中采用；第二种为刀具牙型交错连续排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌而被广泛使用。目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。刀具选择与布置：盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。根据不同地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合，实现刀具配置的灵便性，提高刀盘的开挖效率。目前盾构机上常用的主要刀具有切刀、刮刀、齿刀、双刃滚刀、单刃滚刀、扩孔刀等。,6 刀具布置与配置,35,刀具的示意图和实
15、物照片,滚刀,小松盾构刀盘,海瑞克盾构刀盘,齿刀,刮刀,36,7 某盾构施工的刀具配置,这里介绍广州地区某大型地下工程盾构法开挖过程中的刀具配置。选用盾构机为德国海瑞克公司生产的土压平衡式盾构机，刀盘为面板式，刀盘的开口面积占刀盘总面积的28%左右。刀盘采用液压驱动，并配备了泡沫注入系统、膨润土注入系统和压缩空气系统，具备良好的渣土改良功能。,37,软土地层刀具配置,配置了3种软土刀具:切刀64把、弧形刮刀32把、齿刀14把(齿刀与盘型滚刀可以互换安装，但刀盘周边的5把滚刀不能更换为齿刀)。在粘土地层刀具寿命较长，在砂性地层寿命相对较短。考虑到刀盘的受力均匀性，刀具布置具有对称性，刀具安装采用
16、螺栓固定以便于更换，软土地层刀盘结构相对简单。,切刀,滚刀,齿刀 刮刀,38,由于刀盘需要正反旋转，因此切刀也布置在正反方向。同时，为了提高切刀的可靠性，在每个轨迹上布置了2把切刀。由于周边工作量相对较大，磨损后对盾构切口环尺寸影响较大，因此在刀盘周边布置了较多的切刀和刮刀。在切刀、刮刀刃口镶嵌有合金耐磨材料以延长刀具的使用寿命，切刀的破岩能力为20MPa，可以顺利通过加固地层的开挖。切刀伸出刀盘面板的高度可保证碴土的有效流动，防止刀盘面板与土舱间产生泥饼。,39,上软下硬复合地层刀具配置,在区间含硬岩的复合地层，刀盘除配置切刀、刮刀、齿刀这些切削型刀具外，还配置了双刃盘形滚刀，用于破碎硬岩，
17、因而刀盘结构相对复杂。双刃盘形滚刀单个刀刃的允许承载能力为250KN，破岩能力相对于单刃滚刀而言较低，适应破碎抗压强度小于80Mpa的岩石。刀盘上配备了足够数量的滚刀(19把)，以取得合适的滚刀间距(每把双刃中心滚刀的刀间距为10Omm)，达到了较好的破岩效果。对于复合地层中的硬岩，首先通过盘形滚刀进行破岩。双滚刀一般允许磨损量为25mm，边滚刀为15mm，因此滚刀的伸出高度一般比切刀要大，海瑞克盾构设计时滚刀的伸出高度为35mm，保证滚刀在磨损情况下仍能避免切刀进行破岩，保证切刀使用寿命。,40,a.当岩石抗压强度较低，盘形滚刀破岩效果不理想时，则利用滚刀刀座安装齿刀进行破岩，齿刀轨迹完全与
18、滚刀相同，齿刀刀刃是对称的，因此刀盘正反转时都可以很好地破碎软岩。b.刀盘直径应考虑刀具磨损后开挖直径仍能大于盾构切口环的直径，以保证盾构姿态的调整。边滚刀的允许磨损量为15mm，因此开挖洞径的允许变化量为3Omm。当边刀不采用滚刀时，盾构开挖洞径的允许变化量为20mm。c.在曲线半径小的隧道掘进时，为了利于盾构的调向，需要有较大的开挖直径，因此根据地质情况的差异，可在刀盘上选择配置扩孔刀或滚刀型、齿刀型的仿形刀。,刀具配置的其它注意事项,41,刀具布置的防泥饼措施,盾构机通过粘性土层时容易在刀盘中心区和土舱中心区形成泥饼。刀盘中心区的泥饼会造成刀盘能够转动，但是盾构机却不能掘进的现象。土舱中
19、心区的泥饼，则会造成刀盘转动负荷加大，甚至停止转动，同时导致舱体内温度急剧升高，影响主轴承密封的寿命，甚至毁坏轴承密封。为了提高碴土的流动性，防止上述现象的发生，刀具布置采取了针对性较强的防泥饼措施，即确保刀具凸出刀盘的较大间距。所有正面滚刀都高出刀盘面175mm，为开挖面破除下来的碴土留出了足够的出碴空间；齿刀高出刀盘面16Omm，刮刀高出刀盘面140mm。,42,这样盾构在复合地层中掘进时，能使刀盘前方切削下来的碴土有较大的流动空间，有利于刀盘前方碴土的流动。同时，由于滚刀高出刮刀35mm，齿刀高出刮刀20mm，因此，在硬岩地段掘进时刮刀受到滚刀和齿刀的保护，正面滚刀的最大磨损量为可达50
20、mm，切刀的最大磨损量则为20mm。,43,8 盾构刀具磨损机制概述,磨损的机理大致可分为如下表所示五种类型，,44,1)显微切削：硬颗粒或硬凸起与材料产生相对运动，引起的材料损伤。当磨粒的形状与运动方向合适，有利于切削时，磨粒在切向力的作用下，在料表面刮起一层薄片，形成一次切削，脱离材料表面。这种切削沟的宽度和深很小，切屑也非常小。,磨料磨损的基本损伤形式,45,2)疲劳(微观犁皱或微观压入):表面微观部分受循环变应力产生重复变形 导致裂纹形成，最终使表面产生破损。,压入,46,3)粘着：两接触表面局部的粘着使材料由一表 面转移到另一表面所引起的磨损。,47,4)龟裂：材料表面受到垂直应力的
21、反复作用，产生显微裂纹,裂纹,压入,48,9 刀具磨损的分析,9.1 概述 土压平衡盾构机的刀盘根据地质条件的不同一般分软土和硬岩两种刀盘布置形式,软土区刀盘的布置形式是以齿刀为主辅以边缘滚刀和刮刀，硬岩刀盘的布置形式是以滚刀为主辅以刮刀。刀具是盾构机的一个非常重要的组成部分，对刀具地合理选择、使用、维护和更换，直接决定盾构掘进工程的质量、进度和工程成本。所以对盾构机刀具磨损情况地分析尤为必要。,49,9.2 海瑞克盾构切削刀具失效分析,北京地铁某线砂卵石地层中石英含量高达45%以上，石英砂是“很好”的磨料，使刀具磨损速度加快。该线应用的德国海瑞克盾构机的刀盘转速可以达到3rpm(转数/分钟)
22、，直径6m刀盘外围刀具的线速度可以达到1m/s。北京地区地层中含有大量不同粒径的卵石，使得刀具的刃口部位承受很大的冲击荷载。,北京地铁某线盾构试验段砂卵石地层渣土,50,如北京地铁某线盾构试验段雍和宫站至张自忠站左线1510m隧道掘进为砂卵石及粘土混合地层,掘进过程中更换了5批刀具；而在北京地铁某线16合同段宋家庄站至刘家窑站右线隧道1320m的粉质粘土为主地层掘进则没有更换过刀具，这充分表明了砂砾、乱石对盾构刀具的巨大破坏作用。盾构试验段盾构机刀具磨损和折断严重，开仓后刀具的形貌见下图。,硬质合金刀片折断的齿刀,使用意大利庞万利公司周边刀掘进70米后磨损情况,周边刀磨损后的形貌,51,硬质合
23、金刀片折断的齿刀,周边刀磨损后的形貌,使用意大利庞万利公司周边刀掘进70米后磨损情况,从图中可以看到，盾构刀具的刃口部位镶嵌的硬质合金刀片存在同程度的折断破坏，即所谓“崩刃”；对于硬质合金刀片，由于硬度很高，相应的韧性较差，冲击断裂是其主要的失效形式；除了刃口部位承受冲击之外，刀具迎土面还有犁沟式磨粒磨损和碾压磨损。,在右图所示位置切制1#、2#样，实验室条件下通过扫描电镜对其磨损形貌分别进行分析。,52,周边刀刃口坡口处（内侧）磨损形貌,从扫描电镜照片可以看出：刃口位的斜坡（内侧）为典型的犁沟式磨损。,53,从扫描电镜照片可以看出：外侧硬质合金球齿失效形为脆性塌陷+犁沟式磨损。,球齿表面磨损
24、形貌,54,从扫描电镜照片可以看出：外侧的球齿镶嵌部分的磨损形式为犁沟式+碾压磨损。,周边刀刀体迎土面磨损情况,55,北京地区盾构切削刀具的上述磨损情况归纳为下表所示特征：,通过对进口盾构切削刀具在砂卵石地层的磨损特点分析，得出的结论是：切削刀具在砂卵石地层施工中，主要的失效形式为：冲击破坏、犁沟式磨粒磨损和碾压磨损。,56,9.3 双刃滚刀刀具的磨损及原因：（1）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。,57,9.3 双刃滚刀刀具的磨损及原因,（2）刀圈偏磨 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
25、刀线速度较小，承受载荷较大，中心区滚刀容易出现此现象。,58,（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。,9.3 双刃滚刀刀具的磨损及原因,59,（4）表面缺陷 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。,9.3 双刃滚刀刀具的磨损及原因,60,（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，
26、就可能使密封油泄漏，从而导致油封座和轮毂的损坏。,9.3 双刃滚刀刀具的磨损及原因,61,（7)轮毂磨损 刀盘和渣土不间断的摩擦，使得滚刀轮毂也发生严重磨损(8)油封座损坏 由于漏油使得油封座损坏(9)轮毂或油封座损坏 刀圈如果在金属物（掉了的刀圈或螺帽）上滚动，轮毂或油封座有可能被卡住，就会妨碍刀圈绕着滚刀中心轴自由转动。,9.3 双刃滚刀刀具的磨损及原因,62,(10)滚刀的多边形磨损 在掘进时滚刀时转时不转，或者在某个点转动时间长在其它点转动时间短，就会产生这样的磨损。,9.4 双刃滚刀刀具的磨损及原因,63,9.4 齿刀、正面区刮刀和边缘区刮刀的磨损 及原因(1)齿刀磨损 正常磨损：齿
27、刀切削土层和砂砾层所形成的磨损。异常磨损：由于换刀不及时在硬岩区的磨损。,64,9.4 齿刀、正面区刮刀和边缘区刮刀的磨损及原因(2)正面区刮刀磨损 正常磨损：刮刀刮削土层、砂砾层和被滚刀挤碎的岩层时所形成的磨损。异常磨损：由于滚刀刀圈掉落，在刀盘同一圆周上的刮刀就直接承受掘进工作面的载荷，刮刀和掘进工作面的相对摩擦，就导致刮刀严重偏磨。,65,9.4 齿刀、正面区刮刀和边缘区刮刀的磨损 及原因,(3)边缘区刮刀 正常磨损：刮削土层、砂砾层和边缘滚刀挤压后的岩层时所形成的磨损。异常磨损：由于边缘滚刀刀圈掉落或者边缘滚刀磨损量严重超限，边缘滚刀开挖掘进工作面的径向尺寸小于边缘刮刀的径向尺寸，边缘
28、刮刀被迫直接挤压在掘进工作面上运动，导致刀具磨损。,66,9.5 预防刀具异常磨损的措施(滚刀)(1)择择合理的掘进参数 掘进参数包括掘进推力、刀盘转速、扭矩、推进速度、切削量等，影响刀具磨损的最直接参数是掘进推力，推力的大小直接决定了刀具所承受的载荷。推力过大，虽然短期内掘进速度很快，但长时间刀盘刀具所承受的载荷也比较大，过大的载荷会使滚刀轴承受挤压产生变形，继而影响滚刀的自转最终造成滚刀刀圈的偏磨或断裂。一般在岩石中风化带岩石微风化带地层最大的推力不要超过1000ton。刀盘转速也是影响刀具磨损的另一个主要因素，过大的刀盘转速在硬岩地层会造成盾构机振动颠簸，加剧刀具的磨损。一般在硬岩地层刀
29、盘转速设置为 1.5rpm为合适值。,67,(2)根据不同的地层选择不同的刀具 根据地质资料和对出土情况的判断来确定刀具的更换，特别是两种地层的交界处。从岩石微风化带地层向岩石强风化带转换,如不能及时将齿刀更换为滚刀，就会很快加剧齿刀地磨损；从硬岩地层向软土地层转换，如不及时将滚刀换回齿刀，也有可能出现滚刀偏磨的现象。,9.5 预防刀具异常磨损的措施(滚刀),68,(3)定期对刀具进行检查 在硬岩区地层中，如果出现推力过大推进速度小扭矩也偏小，盾构机姿态纠正很难的现象时，就要考虑刀具是否磨损严重，安排开舱检查刀具。如果连续出现刀盘或螺旋输送机被卡住、驱动电机熄火的现象时，应立即停机进行检查。,
30、9.5 预防刀具异常磨损的措施(滚刀),一般要在不超过二十环时对刀具进行一次检查，检查看是否有刀圈磨损超限、刀圈断裂、刀圈变形、固定刀圈的螺帽是否松动或掉落、刀座是否有裂纹等，如果一旦发现应立即采取补救措施。软土区在掘进100环时要对刀具进行一次检查。,69,(4)盾构机姿态应保持正常姿态 在硬岩地层如果不断的调整盾构机姿态就会使滚刀受力不均匀，在某个方向上过大的推力有可能导致滚刀变形。在硬岩地层绝不可只片面追求进度，应该在保证刀盘和刀具不被严重磨损的前提下安排生产进度，必要时应该进行限产。为了一时的进度而忽视刀具的例行检查是得不偿失的。更换刀圈后的刀具要进行扭矩试验，根据不同的地质条件和岩石
31、强度进行扭矩调整。在硬岩地层注意观察螺旋输送机出渣情况，如果出渣不是均匀的碎片石，而是伴有大块的石头出现，就可能有滚刀刀圈掉落，要立即停机检查。,9.5 预防刀具异常磨损的措施(滚刀),70,9.6 刀具磨损量检查及更换原则(滚刀)(1)在硬岩区，边缘滚刀磨损量推荐值为1015mm，正面区为15mm20mm，中心区为25mm。刀具正常磨损量超过规定值就应进行更换，如果有条件最好整盘刀具全部更换；(2)检查中如发现个别刀具有异常磨损或损坏，应优先将原来换下的没有超过规定磨损量且已经进行过维护的旧刀具换上，而不要换上新刀具。,71,9.6 刀具磨损量检查及更换原则(滚刀)(3)一定要确保整个刀盘所
32、换刀具的磨损量尽可能达到最大值，使得刀具能够掘进尽可能多的环数。硬岩地层正面区双刃滚刀正常磨损情况下可掘进100环左右。(4)刀具要勤检查，少更换；更要避免长时间停机换刀。,72,9.7 刀具的维护和修复(1)边缘滚刀（正面滚刀）的维护和修复 根据更换的边缘滚刀（正面滚刀）的磨损情况和使用记录，来确定滚刀的维护和修复方案。如果刀圈磨损量没有超过25mm，可先检查滚刀密封油是否足够，如密封油不够就应添加；用锯条将滚刀端盖和轴承缝之间的碎石泥土清理干净并检查油封及油封座是否完好，如有损坏应换新或修复。如刀圈磨损量超过25mm，就应割掉刀圈，重新换上新刀圈；同时也要检查密封油、油封和油封座，并根据检
33、查情况进行维护。,73,9.7 刀具的维护和修复(2)中心区滚刀的维护和修复 中心区滚刀修复的方法和边缘滚刀基本相同，由于其结构和边缘区滚刀结构不同，其工艺程序比较复杂。,74,(3)正面区刮刀和边缘刮刀的维护和修复 正面区刮刀磨损量不大可采用在其旧刀的基础上堆焊耐磨焊丝和“嫁接”旧的刮刀等方法进行修复；如磨损量过大可换新刀，国内有替代品。边缘刮刀磨损量不大可采用在其旧刀基础上堆焊耐磨焊丝的方法；磨损量过大换新刀。,9.7 刀具的维护和修复,75,(4)齿刀的维护和修复 一般正常使用齿刀磨损量不大。由于齿刀构造比较复杂，如果一旦磨损采用在磨损的刀座上堆焊耐磨焊丝的方法，效果也比较好；如果磨损量
34、比较大，就只能换新。,9.7 刀具的维护和修复,76,10 盾构刀具的管理,10.1刀具管理的重要意义 盾构机刀具管理是要把盾构机刀具的养、用、管、修提高到管理的高度上，有统筹、有计划、有反馈、有分析和总结，建立一个良性的、闭式循环的管理系统。加强盾构机刀具管理在以下几方面有着十分重要的意义：,77,1）有计划性的实施刀具的检查和更换，能及时了解、掌握和分析刀具的使用状况，对有效地利用刀具以及对刀盘进行有效的保护有重要意义；2）建立准确、详尽的刀具台帐和完善刀具维护、修理工艺，能最大限度地减少在刀具方面的投入，对降低刀具的使用成本有重要意义；3）掌握并熟练运用刀具检查、更换的方法，加强对刀盘的
35、监控，能避免刀具非正常原因的大面积损坏，对保证施工顺畅，降低施工风险有重要意义。,10.1刀具管理的重要意义,78,盾构机刀具管理分为大小两个闭式循环管理系统。大循环指从刀具选用具体操作比较、分析反馈刀具选用的过程；小循环指从测试使用检查、更换修理试验（测试）的过程。,10.2刀具管理的主要内容,79,其中，大循环是小循环的基础，小循环是大循环的具体体现。控制好大循环，就等于把好了第一关，为小循环顺利的运行建立了良好的基础；控制好小循环，做好具体工作，又能给大循环提供更多、更好、更及时的反馈，使大循环能做及时、有效的调整，使一切按着计划来运行，避免了多余的投入，保证了成本的最小化。,10.2刀
36、具管理的主要内容,80,10.3 刀具管理流程,与任何一项工作一样，盾构机刀具管理有特定的流程，见图A。盾构机刀具管理的每一个环节环环相扣，要将刀具管好、用好，需认真做好每一个环节的具体工作。,81,总之，只要我们严格按照盾构机操作规程进行操作，科学客观地加强对盾构机刀具使用、检查和维护的管理力度，减少刀具不必要的异常磨损和损坏，潜心研究大力推广盾构机刀具国产化的应用，刀具磨损和损坏给盾构掘进造成的成本增加就会大大降低，盾构工程就会有更大的利润空间可挖掘。,10.3 刀具管理流程,82,11 关于刀具国产化的几点建议 由于刀具是易损件，消耗量大，如果只是依靠进口刀具不仅供货期长，而且成本高，所
37、以使用国产刀具势在必行。国内最近几年也有些公司着手开发盾构机刀具。不足的是我们现在只能是简单的更换滚刀刀圈，由于资料的缺乏、试验设备的落后和对刀具研究的不深入，对于更换刀圈后重新组装的滚刀刀具，其扭矩调整还不能够进行调试（国外公司可以做到根据不同地质条件的强度来调整每把滚刀的扭矩）；滚刀密封件质量不高；中心滚刀支架、齿刀和边缘刮刀国内尚无人问津开发等直接影响着盾构机刀具国产化的推广应用，这些都需要我们进一步的探讨研究。,83,12 其它刀具磨损照片2,84,13 减少盾构机推进阻力的措施,根据不同地质条件，以及N(标准贯入锤击数)值的大小，切削刀最大切削轨迹外径、刀盘盘圈外径和盾构机外径三者的
38、尺寸之间有细微的差别，若处理不当，将增大推进阻力，给盾构机整机推进性能带来较大影响，其原因在此不赘述。针对北京地区地层特点，为减少盾构机推进阻力，除盾构机设有加泥加泡沫系统外，还应在刀具的布置上采用以下两项措施：(1)设计主切削刀最大切削轨迹外径略大于盾构机外径，既减少盾构机刀盘盘圈和盾构机外周的摩擦阻力，又不会影响盾构机控制土体沉降的能力和效果。,85,(2)调整刀具切削土体深度，合理设置刀盘盘圈刀具(贝型刀)，减少切削阻力。根据刀盘盘圈刀具切人土体深度的计算公式，可计算出刀具切入土体的深度。,86,由上表可知，刀具布置可显著影响刀具切削土体的深度。为减少推进阻力、切削噪音和切削振动，应选择
39、合适的刀具切削深度。根据经验，盾构机高速推进时，切削深度以1015mm为好；一般速度推进时，切削深度则以48mm为好。故在刀盘盘圈上布置57把刀具较为理想。,刀具切入土体深度,87,14 小节,本节主要介绍了以下内容：1.刀具的分类；2.刀具的材料;3.刀具的选择；4.刀具的作用及切削机理;5.刀具布置与配置及实例；6.盾构刀具磨损机制概述及实例分析；7.减少盾构机推进阻力的措施等。,88,二、盾构开挖面分析,本节简要介绍国内普遍采用的土压式盾构施工中支护压力控制引起的开挖面变形与破坏问题。,89,盾构施工过程中由于对土体的开挖和挠动破坏了土体的原始应力状态，使土体单元产生了应力增量，引起周围
40、地层的位移。盾构隧道的施工变形是一个不断累加的过程，以隧道轴线地表点的经时变位曲线为例，地表点的地层移动经历五个阶段。,1 盾构掘进对周围地层的扰动,90,a.先期沉降，盾构尚未到达该点时的变位，表现为地表下沉。对于砂质土，其可能是由于地下水下降引起，对于极软粘性土，则沉降可能是由于开挖面过量取土引起的；,盾构通过时地基变形的分类,91,b.开挖面前方地基变位，盾构机前方刀盘即将到达之前发生的变位，表现为地表隆起或下沉。其主要是由于盾构机对开挖面土层施加的支护压力过大或过小，致使开挖面失去平衡状态，从而发生地基变位；,盾构通过时地基变形的分类,92,c.盾构机通过时地基变位，指从盾构开挖面到达
41、该地表点的正下方开始，直至盾尾即将脱离该点为止的发生的地基变位，表现为地表隆起或下沉。产生这部分地基变位的原因，主要是盾壳对土体的摩擦力，破坏了土体的结构强度，另外超挖及盾构机姿态的非水平也加剧了地基变位；,盾构通过时地基变形的分类,93,d.盾构机尾部脱离时变位，指盾尾空隙形成至注浆结束为止的那段时间内的下沉或隆起。管片从盾尾脱离之前，盾壳对土体有一约束力，方向指向土体，一旦盾尾脱离，盾构机壳土体之间产生空隙，如果在盾尾脱离后未能及时注浆或填充率不足，则空洞断面就会向内缩小，引起应力释放力，产生地表沉降，相反，如果注浆压力过大，则会导致地表隆起；,盾构通过时地基变形的分类,94,e.后期沉降
42、，指从注浆结束开始，直到下沉停止的那部分下沉，引起这部分沉降的原因，主要是蠕变变形与固结变形，在软粘土地基表现尤为明显。,盾构通过时地基变形的分类,95,2 盾构掘进开挖面支护压力控制原理,盾构掘进过程中，通过各方面信息的反馈，控制盾构机完成从隧道的开挖至衬砌安装一系列过程，作为施工主体盾构机的控制是工程成败的关键，盾构机控制主要涉及以下几个方面:开挖控制、轴线控制、注浆控制及衬砌安装（管片拼装）控制。,96,开挖面支护压力对盾构掘进的施工效果影响极为重要。开挖控制主要为开挖面支护压力管理，控制压力舱内泥土压力稳定在要求的目标范围内，它是一个动态的过程，一方面提供支护压力的渣土不断在刀盘切削下
43、进入压力舱，然后由排土装置排出，另一方面又要恒定地维持压力舱内的泥土量来提供支护压力，支护压力的控制通过螺旋输送机的转速控制调整压力舱内泥土量的多少来得以实现。,97,土压平衡式盾构的开挖面支护压力管理，目的在于控制开挖面的稳定，为此必须使地层的水土压力和压力舱内的泥土压力相当。盾构机掘进时支护压力及螺旋输送机的取土量与开挖面稳定控制之间的关系参下图。,压力控制、体积控制与开挖面稳定之间的协调关系,98,3 砂土地层开挖面变形与破坏数值分析,以下简介利用有限元对砂土地层开挖面变形与破坏进行的分析。假定隧道开挖直径(D)为6m，隧道埋深(C)为12m，模型尺寸如下图所示，模型除地表面为自由面外，
44、四周采用变形约束条件。计算中土体为莫尔库仑材料。,计算模型示意图,99,引入支护应力比的概念，由下式定义：,100,不同支护压力下开挖面附近土体位移及塑性区开展,a.不同支护压力下开挖面附近土体位移及塑性区开展,101,不同支护压力下开挖面附近土体位移及塑性区开展,102,不同支护压力下开挖面附近土体位移及塑性区开展,由图可知，随着开挖面支护应力的减少，开挖面前方土体的位移量不断增加，开挖面前方塑性区不断扩大，其发展由开挖面顶部往地表不断发展。,103,由不同支护应力比下的塑性区开展情况可知，塑性区的开展情况在支护压力接近极限支护压力阶段时(支护应力比0.150.1)表现开始敏感，当开挖面支护
45、压力接近极限支护压力时，开挖面塑性区发展到地表面，开挖面失稳，同时可以发现，随着开挖面失稳，塑性区保持不变，区域内土体的位移量急剧增大。,104,b.支护应力大小对地表沉降影响,下图为不同支护应力下开挖面前方2.7m地表横向点沉降曲线，由图可见，地表沉降曲线符合Peck沉降槽理论，而且随着开挖面支护应力的减小，地表点沉降量逐渐增大。,支护应力与地表横向点沉降槽关系,105,c.开挖面变形与破坏影响因素分析,盾构施工中，隧道的直径、埋深及地层条件等都对开挖面支护应力引起的开挖面变形与破坏问题产生一定的影响。1)隧道埋深的影响同样隧洞直径下，随着埋深的增大，开挖面极限支护应力不断增加，当埋深增大到一定程度时，开挖面极限支护应力增加随埋深不明显；,106,2)隧道直径的影响 计算结果表明：同样的埋深条件下，随着隧洞直径的增大，开挖面极限支护应力呈线性增大。3)土层材料的影响 内摩擦角是反应砂土材料的一个关键参数，砂土材料性质对开挖面稳定的影响研究主要侧重于内摩擦角的影响分析。由计算可知，同样的隧道条件下，随着内摩擦角的增大，开挖面极限支护应减小。,107,本节主要讲述了如下内容：1）盾构掘进对周围地层的扰动；2）盾构掘进开挖面支护压力控制原理；3）砂土地层开挖面变形与破坏数值分析。,4 小节,108,THE ENDTHANK YOU!,
