地下铁道施工 刀具及刀盘 刀具及刀盘的介绍.doc

1刀盘及刀具 刀盘是盾构机的主要工作部件，由刀盘钢结构、刀具、回转接头等组成，其主要作用是切削掌子面、搅拌碴土。 刀盘上安装有多种刀具，可实现对隧道进行全断面开挖，所有可拆式刀具均可从刀盘背部进行更换；并设置有锥形进碴口，可实现正反双向旋转进碴。 1.1刀盘结构特点 刀盘整体钢结构采用高强度钢板焊接组成。根据刀盘功能特性，其刀盘正面设置有刀具安装座及磨损检测装置、进渣口等，刀盘外缘、刀体、进碴口及边缘过渡区设置耐磨保护措施，可有效防止磨损；刀盘背部设置有主动搅拌棒、以及回转接头连接的接口； 由于土压平衡盾构机刀盘与泥水平衡盾构机刀盘工作环境不同，土压平衡盾构机刀盘在刀盘面板及背部设置有泡沫注入接口和疏通管路，用于改良渣土性能，提高渣土和易性与流塑性；泥水盾构机刀盘背部设置有泥浆注入口，可向开挖舱及刀盘中心部位注入泥浆。 1.2 刀盘形状 盾构机刀盘形式按照工程地质条件和施工控制要求，大致可分为辐条+面板式、辐条式、面板式刀盘三种形式，下图1所示为几种不同结构形状的刀盘。 a)辐条式 b)面板式 c)复合式 图1刀盘结构形状 具体应用时采用哪种刀盘型式，由施工条件和土质条件等多种因素决定。不同的刀盘结构型式在土舱构造、开挖面稳定、土压保持、土砂的流入性、刀盘负荷和扭矩及检查换刀等方面存在较大的差异。施工实践表明，在软粘土地层条件，采用辐条式刀盘既能满足工程施工需要，又能保证有较好的掘进性能。在风化岩以及(大粒径)砂卵石等类似复合地层中，一般采用面板+辐条式的复合式刀盘。 1.2 刀具类型及结构 刀具布置和刀具形状是刀盘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，直接影响盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。目前使用的刀具一般有切削类刀具还和滚压破岩类刀具两种。 （1）切削类刀具工作原理及分类 先行刀 先行刀是先行切削土体的刀具，也称为超前刀。先行刀在设计中主要考虑与切刀组合协同工作。先行刀在切刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创造良好的切削条件。先行刀的切削宽度比切刀窄，一般为切刀的一半，切削效率较高。采用先行刀可显著增加切削土体的流动性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层和钙质结核地层，先行刀的使用效果十分明显。 刮削刀具 刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具，在刀盘推力的作用下，刮刀嵌如岩渣或岩层中，刀盘带动刀具转动时刮削岩层，在掌子面形成一环环犁沟，特点效率高，刀盘转动阻力大，如图2所示。在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过刮刀进行开挖，渣土随刮刀正面进入渣槽，因此刮刀既具有切削的功能也具有装载的功能。目前盾构掘进机上常用的切削刀具类有边刮刀、切刀、齿刀、先行刀、超挖刀等。 图2切刀工作原理 鱼尾刀 在软土地层掘进时，因刀盘中心部位不能布置切刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。鱼尾刀的作用如下：其一让盾构刀盘分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体；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，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，又大大提高盾构整体掘进效果。 仿形刀 仿形刀是为曲线掘进、转弯、纠偏设计的，仿形刀安装在刀盘的边缘，通过一套仿形系统来控制仿形刀的伸出量，从而控制超挖范围。 重型撕裂刀 重型撕裂刀多应用于砂卵石、中粗砂、粉质粘土等复合地层中，如图3所示，该重型撕裂刀已成功应用于南京纬三路盾构施工项目，在掘进过程中，刀具性能表现良好。 图3重型撕裂刀 （2）滚压类刀具工作原理及分类 滚压类刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀，通常简称“滚刀”。刀盘在纵向油缸施加的推力作用下，使其上的盘形滚刀压入岩石；刀盘在旋转装置的驱动下带动滚刀绕刀盘中心轴公转，同时各滚刀还绕各自的刀轴自转，使滚刀在岩面上连续滚压。刀盘施加给刀圈推力和滚动力（转矩），推力使刀圈压入岩体，滚动力使刀圈滚压岩体。通过滚刀对岩体的挤压和剪切使岩体发生破碎，在岩面上切出一系列的同心圆。根据刀刃的形状滚刀可分为：齿形滚刀（钢齿和球齿）、盘形滚刀等，如图4所示。根据安装位置滚刀可分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀。根据滚刀刃数可分为单刃滚刀、双刃滚刀和多刃滚刀。M为滚刀的启动扭矩，P为加载在滚刀上的力，h为滚刀的贯入度。 图4滚刀挤压剪切破岩原理 （3）滚刀刀具的结构 滚刀主要由刀圈、刀体、刀轴、圆锥滚子轴承、金属浮动密封环、刀盖（座）及连接螺栓等零件组成，目前，不论规格大小及安装部位的不同，盘形滚刀