机械论文发表土压平衡盾构机的刀具配置

　　摘要：盾构机刀具是否合适应用工程的地质，将直接影响盾构机的刀盘的应用寿命、切削后果、出土状况、掘进速度和施工效力。成都位于四川盆地西部的岷江中游地段，境内海拔387-5364米，东界龙泉山脉，西靠邛崃山。其东部地区为典型的富水型砂卵石地层。成都地铁1号线某标段在盾构掘进过程中，平均换刀距离为147米，刀盘刀具磨损严重，导致换刀频繁。如何延长刀具使用寿命，减少换刀频率，降低风险?我们从成都地铁一号线、二号线盾构机掘进经验出发，概述围岩岩土层，分析了刀具机理及磨损原因，提出了盾构机在富水砂卵石地质掘进刀具的配置建议。

　　关键词：土压平衡盾构机,富水砂卵石,刀具,配置

　　0. 前言

　　在富水砂卵石地层中，盾构机刀具是否合适应用工程的地质，将直接影响盾构机的刀盘的应用寿命、切削后果、出土状况、掘进速度和施工效力，盾构机刀盘刀具的磨损也成为各施工单位热议的研究话题。在成都地铁1号线左线火-桐区间，盾构机掘进刀具磨损严重。最大换刀掘进距离180.7米，最小换刀掘进距离113.9米，平均换刀距离为147米，刀盘刀具磨损严重，导致换刀频繁，而且成都地区富水砂卵石地层自稳性差，无法直接开仓换刀，必须采取相关加固措施才能满足开仓的稳定性要求，给施工带来了极大的安全风险、施工不便及经济损失。因此，分析并配置好刀具，对土压平衡式盾构机在富水砂卵石地层快速、安全掘进无疑具有重要的现实意义。

　　1. 地质条件

　　由中铁四局集团承建的成都地铁4号线一期工程7标项目盾构作业区间主要由省文联站～玉双路站以西盾构井盾构区间、玉双路站～双林路站～沙河站、沙河站～工程终点左线盾构区间三个作业区间组成。

　　该标段隧道洞身通过的围岩岩土层代号为<2-8>;<3-8>;<3-5>、<3-6>、<3-8>、<5-2>、<5-3>。隧道洞身位于富水性卵石土夹砂层中，围岩基本类别为Ⅱ类(围岩级别为Ⅴ级)。

　　从第三方地勘资料显示：本标段区间地层是典型的富水性砂卵石土地层。根据推进路径地质特点，该标段选用了四台地层适应性强、各项技术参数符合招标文件和设计要求的且工作性能可靠稳定土压平衡式盾构机(两台海瑞克，两台中铁装备)进行推进。

　　砂卵石地层和软硬不均地层是盾构机施工的难点，刀具磨损较快，施工效率较低，施工成本较高。成都地铁一号线某标段在掘进初期，盘形滚刀、刮刀等各类刀具磨损比较严重，在120-150米左右就更换整盘刀具，造成很大损失，现本人仅就海瑞克盾构机，浅谈该盾构机在推进前期初装刀盘刀具的选型与配置。

　　2.刀具配置方案

　　从随机现有的刀盘配置来看，其现有的刀具配置为：中心区域配置了4把17寸中心双刃滚刀，正面和周边共配置32把17寸单刃滚刀，刀高出刀盘面板175mm，刀圈刃口厚度30mm;边缘刮刀8把，正面刮刀28把，刀高130mm;刀盘外圈梁布置8把刀盘保护刀以保护刀盘外圆。

　　这种刀具配置方案，本人认为：由于盘形滚刀和刮刀的高差较大，不利于刀具之间的相互保护，盘形滚刀和刮刀的磨损都会比较快;而且刮刀的硬质合金较小，在与卵石的切削碰撞中硬质合金容易损坏，进而造成刮刀本体的严重磨损。

　　结合成都地铁一、二号线盾构掘进刀具选型及配置的经验，本人建议对刀盘刀具配置应以盘形滚刀、重型撕裂刀、刮刀相结合的刀具组合方案为好，它能充分满足本项目的施工要求。具体配置为：原盘形滚刀、刮刀、刀盘保护刀、边刮刀等按原配置，方案不变。另增加29把焊接撕裂刀，刀高145mm，从滚刀第16个刀刃处开始布置，轨迹与滚刀重合，这样就形成三层切削刀具，可以有效实现刀具之间的相互保护;增加8把保径刀以有效保证盾构施工的开挖直径;同时根据刀盘结构应增加刀盘圆环保护刀(具体数量根据刀盘位置而定，圆环保护刀图纸附后暂定数量24把)，从而达到高效长距离掘进的施工要求。

　　3.盘形滚刀配置方案

　　3.1在安装方式不变情况下盘形滚刀刀圈由17"加大到18"刀圈，刃口厚度加厚到30mm以增加刀圈耐磨量;理论上18"刀圈比17"刀圈耐磨量增加50%左右，这些措施可以有效提高刀圈的掘进距离。

　　3.2刀体(毂)材料采用优质合金结构钢(42CrMo)，热处理硬度HRC40-45(耐磨性和冲击韧性最佳);在刀体(毂)表面及刀圈挡圈表面堆焊耐磨层等措施提高刀体(毂)的耐磨性能。

　　3.3滚刀采用进口TIMKEN圆锥滚子轴承，密封采用意大利金属密封(GNL)，严格控制轴承游隙和预紧力，保证滚刀的启动扭矩控制在35-40N.m(对刀轴中心)。

　　4.刮刀类刀具建议方案

　　4.1用铬镍钼或铬锰钼合金钢代替目前常用的铬钼合金钢，相比较而言同等条件下铬镍钼或铬锰钼更耐磨，韧性更好。

　　4.2适当提高本体硬度，增加耐磨性，因现有边刮刀、方刮刀及重型撕裂刀本体硬度偏低，在HRC30左右，要提高到HRC40-45。

　　4.3硬质合金采用大块合金(粗颗粒)增加耐磨性提高寿命，用高牌号的硬质合金增加抗冲击性。

　　4.4硬质合金和本体的钎焊方式采用银钎焊，中高频钎焊，保证钎焊的抗剪切强度在250MPa以上。

　　5.建议与结论

　　在成都地区富水砂卵石地层采用土压平衡式盾构机掘进，刀具的先用与配置非常重要，刀具的配置关系到盾构能否顺利掘进，必须根据地质状况认真研究分析，刀具的选用与配置直接影响盾构机的刀盘的应用寿命、切削后果、出土状况、掘进速度和施工效力。在盾构施工中做好对刀具的监控、分析、比较，总结刀具的使用经验，将最大程度的延长刀具使用寿命，减少换刀频率，降低风险。目前，成都地铁4号线四台盾构机中，三台盾构机已掘进超百米，玉双路站～双林路站～沙河站区间已掘进368m，经刀盘检验，刀具磨损状况在正常范围。

　　参考文献：

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