盾构工程中刀盘形式、刀具布局的特点及对区间地层的适应性6

盾构工程中刀盘形式、刀具布局的特点及对区间地层的适应性 1.1.1.1刀具、刀盘整体布置型式

本工程所采用的刀盘及刀具设计形式充分考虑了本标段的地质特点。本标段地层属整体软地层，局部有地震液化层，主要穿越黏土、粉土、粉土粉砂，所以刀盘的刀具配备采用8把中心齿刀，27把先行刀，8把边刮刀，60把切刀。遇到桩基础用滚刀替换先行刀，用中心滚刀替换中心齿刀，滚刀、先行刀的轨迹间隔不大于100mm，使装基础块容易被挤压破碎而落进土仓。

刮刀和切刀刀刃到刀盘面板的距离分别为145mm和140mm，（先行刀到刀盘面板的距离为180mm）此种刀具的布置优点如下：

先行刀与刮刀和切刀刃高差的存在保证了在本段地层掘进时通过先行刀进行拨落而保护刮刀与切刀不受损害；先行刀在刀盘正面的十字形布置方式能拨松刀盘前面土体镶嵌的小颗粒砾石，从而有利于土体的开挖。

刀具与刀盘面板间高差的存在有利于碴土的流动和排出，防止刀盘泥饼的形成，并减少碴土对刀盘面板的磨损。

1.1.1.2刀盘结构特点

刀盘为焊接结构，在刀盘上焊接了安装各种刀具的刀座。刀盘和主驱动通过一个有4个幅臂钢结构与主驱动法兰盘相连，以传递足够的扭矩和推力。刀盘可以双向旋转，刀盘开挖直径80mm。

为了保证刀盘的整体结构强度和刚度，刀盘的周边和中心部件在制造时采用先栓接后焊接的方式连接。根据对刀盘设计模型在硬岩模式下对每个滚刀加载25t的荷载的有限元分析结果显示，刀盘的强度和刚度均满足要求。

刀盘的开口形式：刀盘开口设计如图所示，其开口形式为对称的八个长条孔，开口尽量靠近刀盘的中心位置，以利于中心部位碴土的流动。刀盘的开口率约为37%。

图 0-1 刀盘及刀具布置

碴土改良注入口设计：刀盘面板上设有膨润土浆喷口。其中在刀盘的中心设置有4个泡沫通道。泡沫注入口也可以用来加注膨润土。在刀盘面板上设有8个泡沫喷口。这些喷口已经过了优化设计，如图 0-2所示。

单向阀 泡沫管路

清洗口

图 0-2刀盘泡沫喷头示意图

刀盘上的泡沫浆管路为三通结构，喷头处设有单向阀，刀盘背面设有清洗口。当发生喷头堵塞时能在刀盘后面疏通。

耐磨设计：对刀盘及刀具的保护措施如表2.1.3-1所示：

刀座设计特点：刀盘上的滚刀刀座和先行刀刀座相同，安装方式也相同。这样的设计可以满足滚刀和先行刀的互换性要求。

刀盘驱动及支撑形式：刀盘驱动采用液压驱动，由八个液压马达通过八个减速机来驱动刀盘。刀盘驱动配备的功率为945kW，额定转矩为4470kN.m，脱困

扭矩为5340kN.m。刀盘的转速范围为0～4.5rpm。

刀盘采用中间支撑方式。刀盘主轴承采用RotheErde或SKF/RKS产品，主轴承外径Φ2600mm，主轴承的外密封采用四道注脂密封，主密封的设计寿命为5000h，主轴承的设计寿命为10000h。能有效地保证主轴承在盾构掘进中不会损坏。

保护项目 表 2.1.3-1 保护措施表

技术措施 为提高耐磨性，切刀有高耐磨的钢刀体，刀刃是镶嵌的硬质合金刀刃，背面又焊有耐磨层。 为提高耐磨性，刮刀有高耐磨的钢刀体，刀刃是镶嵌的硬质合金刀刃，背面又焊有耐磨层。 结构形式有利于碴土流动进入土仓 铲 刀 刮 刀 先行刀 刀盘上某些极易磨损的部分设计了特殊的耐磨保护： ·刀盘用的16MnR材料制作 刀 盘 ·刀盘外围部分进行了耐磨的硬质堆焊 ·刀盘前面的周边区域焊耐磨层、焊耐磨块 ·刀盘轮缘上焊耐磨钢条保护环 ·高出刀盘面板的刀具进行保护 1.1.1.3刀具的形式

盾构刀具是根据本标段地质特点，根据刀具在软、硬岩中不同的破岩机理来进行设计和选择的。刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层的开挖，主要刀具类型有单刃滚刀，中心齿刀（中心滚刀）、先行刀、切刀、边刮刀，其中滚刀和先行刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型两种刀具可以互换。在过桩基础时刀盘需安装滚刀，在软岩中掘进时可以根据需要把滚刀更换为对应形式的先行刀。

当将刀盘上安装的滚刀更换为先行刀时，刀盘的开口率可增加。特别是中心滚刀更换为中心齿刀后在刀盘的中心部位开口率增加，这样的设计形式有利于刀

盘在软土中的掘进，特别是有利于防止刀盘中心泥饼的形成。

1.1.1.4本标段刀盘上刀具的布置方案

盾构机上使用的刀具种类如表0-2所示。

表 0-2刀具形式表

先行刀 用于软土掘进。其结构形式有利于碴土流动进入土仓 切刀 软土刀具，图示斜面结构利于软土切削中的导渣作用。同时可用做硬岩掘进中的刮渣。 边刮刀 刀盘弧形周边软土刀具，斜面结构，利于碴土流动。同时在硬岩掘进下可用作刮渣 先行撕裂刀 用于提高掘进距离 单刃滚刀 用于注浆加固体段掘进、破中心齿刀 用于软土掘进，替换滚刀，更换桩基础，刀刃距刀盘面175mm，后可以增加刀盘中心部分的开口率。 掌子面与刀盘面间碴土空间大，利于流动。

具体配刀方案如下： 切刀： 60把 边刮刀： 8把 先行刀： 27把 中心齿刀 8把 加焊先行刀 8把

刮刀刃间距： 100mm 先行刮刀刃间距： 100mm 刀具高差 40 mm

1.1.1.5刀盘上刀具间的互相保护

为防止破碎下来的渣石可能撞坏刮刀、切刀，在刀具的布置上把切刀、边刮刀背向布置，并拉近两切刀、刮刀之间的距离，通过背向布置的切刀和刮刀互相配合切削作用，实现在掘进时对刮刀和切刀的保护。如图2.1.3-3所示

图2.1.3-3掘进时保护切刀示意图

1.1.1.6刀具、刀盘的布局特点对地质的适应性

本标段区间隧道大部置于粘土、粉质粘土中，属于整体软地层。 1、刀具选择对地层的适应性：

（1）该盾构刀盘上配置了中心齿刀，刀的形式可以保证开挖和导流功能配合刀盘中心开口和高压水喷射装置，可以顺利掘进。

（2）正面先行刀可以先把掌子面地层松散，再由切刀切削到土仓，同时考虑在刀盘面板上加焊先行刀，高差可高于原先行刀以实现刀具分层磨损达到长距离掘进的要求。

（3）为提高刀具的耐磨性，先行刀刀刃是镶嵌的硬质合金刀刃，切刀和刮刀用高耐磨的钢刀体并加焊耐磨层，刀刃是镶嵌的硬质合金刀刃，背面也焊有耐磨层。这些措施提高了刀具的耐磨性。

2、刀盘设计对地层的适应性：

（1）刀盘中心部位开口率的增大、向后倾斜的出料开口及合理的泡沫注入设置，这些措施的采取提高了泥碴通过刀盘的能力，减小了对刀盘的磨损。

（2）刀盘上刀座的特殊设计使切刀都可以在刀盘背后换装。一旦需要换刀

就可以通过带压进仓进行更换。

（3）刀盘采用16MnR材料并焊有耐磨条、耐磨焊层和耐磨块。这些保护措施提高了刀盘的耐磨性。

（4）格栅结构设计提高了刀盘整体刚度，防止刀盘扭曲变形。 （5）刀盘背向高压冲水装置可防止刀盘结泥饼的发生。 （6）刀盘磨损检测装置用来预测刀具磨损情况。

通过采取以上一系列措施，使刀具和刀盘的配置完全能适应本标段的地质中长距离掘进的需要。