土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法分析

崔　巍（中铁工程装备集团技术服务有限公司,郑州　450000）



土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法分析

崔巍
（中铁工程装备集团技术服务有限公司,郑州450000）

摘 要：土压平衡盾构机刀盘刀具在工程施工中被广泛应用。在应用的过程中，会出现一定的磨损，不利于施工的顺利开展。介于此，本文从刀具磨损、刀具的空间布置，以及主切削刀的曲线布置等方面出发，首次分析了盾构刀盘的特点，在此基础上对其具体的布置方法进行探讨和研究。

关键词：土压平衡；盾构刀盘；刀具布置

0　引言

当前，我国工程建设的速度不断加快，盾构机在机械挖掘方面起着重要的作用，该机械主要被应用于隧道开挖、地下铁轨建设中。其中，盾构机的主要部件由刀盘、刀具组成。这些部件在使用的过程中，容易发生磨损，影响了工程的进度。所以，本文主要对刀盘刀具的特性，以及布置办法进行探讨，从而减少刀盘的受力平衡，从而降低消耗的功率，最终减少磨损的程度。

1　盾构刀盘概述

盾构刀盘最早由英国人创建，到现在已经有几百年的历史。该机械在运营中，主要利用盾构作为含糊，从而进行地下、水底工程的开挖、掘进。使用该机具有多方面的优势。主要包括这几个方面：第一，在地下、水底工作时，不会对正常的交通产生影响。第二，在盾构施工中，不受气候、温度、地质、噪音等外界因素的影响。基于以上优点，盾构机的使用范围不断扩大，现在已经广泛应用到隧道、地下水管、地铁等工程建设当中，而且施工质量非常好。盾构机的主要部件为刀盘，处于整个机械的最前端，它以旋转方式作业，对土体的截面进行切割，同时利用螺栓的输送功能，将掘进中产生的土渣排出去。由于工程环境的复杂性，刀具在掘进的过程中，很可能由于受力过大，产生严重的磨损，因此必须保证刀盘的质量符合实际要求，以保证盾构机的正常使用。

2　盾构机刀盘刀具开口的特点

（1）滚刀破岩。当滚刀压到岩石的下面后，岩石在受力的情况下，会不断产生坚硬的密实核状物。同时，随着力度的加大，在核状物的周围就会出现很多裂纹。另外，当滚刀持续发挥作用时，裂缝与岩石不断的接触、交会。其中，侧向裂缝与相邻裂缝或者自由面在交会的过程中，就会使岩石发生破碎。当滚刀的受力不断增加时，就会加大受力，一旦达到最大值，就会导致岩石的剥落。然后，滚刀继续工作，循环往复。

（2）切刀切削岩土。首先，分析切削的机理。盾构机在持续掘进中，切刀就会顺着掘进方向旋转，释放出切削力，对岩土进行开挖。在开挖的过程中，由于应力、结构变形等因素，产生大量的土渣。再加上岩石性质、切削参数、刀具特点等的影响，造成土体不同程度的破坏。其次，对切刀切削荷载进行计算。盾构机在施工中，基于切刀切削会产生两种荷载，一种是土体荷载，另一种是软岩受到破坏后，产生的荷载。由于这两种荷载的物理学性质不同，所以选择不同的预测模式。其中，最常见的计算模型是西松切刀切削模式，假设，为水平切削力，代表刀刃的宽度，为切口前角。计算的公式为：

3　盾构刀具的布置方法

（1）刀具数量的计算。当前，在计算刀具数量磨损中，假设，δ是刀具的磨损量，D代表刀盘的外径，掘进的速度为L。采用下面的计算方式：刀具磨损的因素非常多，包括刀具本身的质量，安装的位置，以及岩石的性质等。依据刀具寿命方面的原则，针对刀具可能产生的磨损问题，用调整半径磨损消耗的系数来减小磨损的程度，从而达到延长刀具寿命的作用。根据相关的经验，假设Kn是一把刀具施工时，产生的磨耗系数。计算的具体公式为：

假设，地质情况保持不变，磨耗系数是定值。根据盾构机掘进的系数，以及刀具产生的磨损量，就可以结算出相邻界面磨损的系数，以及相邻界面掘进的系数。其中，相邻界面的磨损系数计算方法为：对映磨损系数法。另外，相邻界面掘进的系数计算方法为：掘进系数法。具体的计算办法为：列出刀具安装、磨损的纵横坐标，假设横坐标为刀具的安装半径，纵坐标为刀具掘进的磨损系数。然后，列出不同的系数函数，并依据切削半径的大小来计算刀具数量与刀具寿命之间的关系。

（2）布置曲线。从几何意义上来讲，将刀具布置到刀盘上，一般采用两种办法。其中，一种是同心圆的布置方法，一种是阿基米德螺旋线的布置方法。其中，后一种布置方法的具体操作为：在与螺旋线相交的两条辅线中，按照分散、对称的原则进行加布置，同时保证正、负两个方向同时可以转动。具体的布置公式为：

根据（5）式，在取整的情况下，只要确定出中心刀的重叠量，以及主切削刀的数值，就可以得到曲线的初始值。

在（6）式中，将b1调整到最小落线，可以得到=0，就可以得到单螺旋线的曲线方程。另外，在曲线布置中，经常还会使用到双螺旋与多螺旋线。在设置参数的过程中，按照刀具磨损等寿命原则，保证切削半径大于R1，在回转半径的地方，配置两把或者两把以上的刀具。另外，双螺旋在布置参数时，采用的计算方法与单螺旋线一致。但是，双螺旋线在布置的过程中，第二条线除了与第一条线相同外，还要求曲线的初始值要与坐标对称。

4　结束语

当前，随着工程行业的不断发展，盾构刀使用的范围越来越广，其中包括地下隧道、河底施工，以及地铁施工等。该机械在施工中，受到气候、温度、地质等因素的影响非常小，具有很大的优势。其中，刀盘刀具是盾构刀的主要部件，在施工中容易受到磨损，缩短寿命。因此，本文对盾构刀盘刀具的特点进行了分析，然后提出布置的具体方法，希望可以起到参考的作用。

参考文献：

[1]蒲毅，刘建琴，郭伟，裴瑞英.土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究[J].机械工程学报，2013,（06）.

[2]张晓东.土压平衡盾构机刀盘开口特性及刀具布置方法分析[J].技术与市场，2015，（03）.

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.107