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盾構機刀具配置
盾構機刀具配置 摘 要:盾構機刀具配置是盾構機刀具設計中是非常重要的內(nèi)容。 本論文著重介紹了刀具的種類和切削原理,同時針對不同的地層情況,提出刀具的具體配置方式。針對盾構機在復合地層隧道掘進,解釋了刀具配置的差異性、刀具配置的“矛盾”現(xiàn)象。結合工程實例,在砂卵石地層中(尤其是含大直徑漂石)長距離隧道掘進的工況下,提出了盾構機生產(chǎn)廠家關于刀具配置新的設計理念和思路。最后提出了刀具配置設計中應考慮的因素。
關鍵詞:刀具種類;切削原理;配置方式;刀具設計
Abstract: TBM(Tunnel Boring Machine) Cutting Tools Configuration is one of the most important factor during TBM cutting tool design. This article focus on describe the type of cutting tools and cutting theory, Meanwhile, the detail cutting tools configuration has been proposed due to different geologic condition. Analyzed the discrepant cutting tool configuration and “the Contradictory Phenomenon”. According to the reference project, a new cutting tools configuration design thought & theory is proposed from TBM manufacture for long distance tunnel excavation in gravel geologic condition(especially content big boulder). At the end of this article, the necessary consideration factor is provided during cutting tools configuration design.
Key words: Type of Cutting Tools; Cutting Theory; Cutting Tools Configuration; Cutting Tools Design
0 引言
盾構機刀具的配置是盾構機刀具設計中是非常重要的內(nèi)容,其配置是否適合應用工程的地質條件,直接影響盾構機的刀盤的使用壽命、切削效果、出土狀況、掘進速度和施工效率。
1 刀具種類和切削原理
1.1切刀(齒刀,刮刀)
切刀是軟土刀具,布置在刀盤開口槽的兩側,其切削原理是盾構機向前推進的同時,切刀隨刀盤旋轉對開挖面土體產(chǎn)生軸向(沿隧道前進方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉切線方向)切削力,在刀盤的轉動下,刀刃和刀頭部分插入到地層內(nèi)部,不斷將開挖面前方土體切削下來。切削刀一般適用于粒徑小于400mm的砂、卵石、粘土等松散體地層。
1.2先行刀( 超前刀)
先行刀是先行切削土體的刀具,超前切刀布置。先行刀在設計中主要考慮與其它刀具組合協(xié)同工作。先行刀在切刀切削土體之前先行切削土體,將土體切割分塊,為切刀創(chuàng)造良好的切削條件。先行刀的切削寬度一般比切刀窄,切削效率較高。采用先行刀,可顯著增加切削土體的流動性,大大降低切刀的扭矩,提高切刀的切削效率,減少切刀的磨耗。在松散體地層,尤其是砂卵石地層先行刀的使用效果十分明顯。
1.3貝型刀
貝型刀實質上是超前刀,盾構機穿越砂卵石地層,特別是大粒徑砂卵石地層時,若采用滾刀型刀具,因土體屑松散體,在滾刀掘進擠壓下會產(chǎn)生較大變形,大大降低滾刀的切削效果,有時甚至喪失切削破碎能力。將其布置在刀盤盤圈前端面,專用于切削砂卵石。
1.4 中心刀(魚尾刀 、雙刃或三刃滾刀 、錐形刀 、中心羊角刀)
在軟土地層掘進時,因刀盤中心部位不能布置切刀,為改善中心部位土體的切削和攪拌效果,可在中心部位設計一把尺寸較大的魚尾刀(羊角刀),一般魚尾刀超前600 mm左右。魚尾刀的設計和配置方式如下:其一讓盾構分兩步切削土體,利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面土體,而后擴大到全斷面切削土體,即將魚尾刀設計與其它切刀不在一個平面上,即魚尾刀超前切刀布置,保證魚尾刀最先切削土體;其二是將魚尾刀根部設計成錐形,使刀盤旋轉時隨魚尾刀切削下來的土體,在切向、徑向運動的基礎上,又增加一項翻轉運動,這樣既可解決中心部分土體的切削問題和改善切削土體的流動性和攪拌效果,又大大提高盾構整體掘進效果。
在純硬巖地層掘進時,到盤中心位置布置雙刃或三刃滾刀。
1.5 仿形刀 (或超挖刀)
盾構機一般設計兩把仿形刀(一把備用),布置在刀盤的邊緣上。施工時可以根據(jù)超挖多少和超挖范圍的要求,從邊緣徑向伸出和縮回仿形刀。仿形刀伸出最大值一般在70~150mm之間。盾構機在曲線段推進、轉彎或糾偏時,通過仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間,保證盾構機在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下,實現(xiàn)曲線推進和順利轉彎及糾偏。
1.6 滾刀和刮碴板
在純硬巖地層掘進時,采用滾刀破巖。滾刀破巖的原理是依靠刀具滾動產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達到破碎巖石的目的。滾刀的類型、數(shù)量、布置方式、位置、超前量根據(jù)巖層的強度和整體性、掘進距離、含砂量等特點確定。穿越松散地層但有大粒徑的礫石(粒徑大于400mm)、并且含量達到一定比例時,也可采用滾刀型刀具。在隧道地質條件復雜多變、巖石(強度不算太高)與一般土體(或粘土或砂土)交錯頻繁出現(xiàn)的情況,也有可能采用滾刀型刀具,即在復合式盾構機中采用。
1.6.1 滾刀分為齒形(球齒、楔齒)滾刀和盤形滾刀
1.6.2 滾刀刀圈的材質是滾刀能否勝任掘進硬巖的關鍵。盤形滾刀根據(jù)刀圈不同一般有以下4種類型
(1)耐磨層表面刀圈 :適用于掘進硬度40MPa的緊密地層,硬度80~100MPa的斷裂礫巖、砂巖、砂粘土等地層。
(2)標準鋼刀圈 :適用于掘進硬度50~150MPa的礫巖、大理石、砂巖、灰?guī)r地層。
(3)重型鋼刀圈:適用于掘進硬度120~250MPa的硬巖,硬度80~150MPa的高磨損巖層,如花崗巖、閃長巖、斑巖、蛇紋石及玄武巖等地層。
(4)鑲齒硬質合金刀圈 適用于掘進硬度高達150~250MPa的花崗巖、玄武巖、斑巖及石英巖等地層。
1.6.3 刮碴板的作用是將滾刀破碎的巖碴,及時排出,防止?jié)L刀對巖碴的二次破碎,保護滾刀。前刮碴板主要鏟裝刀盤前方的落碴,鏟裝量大,磨損較快,后刮碴板主要鏟裝下護盾推進中從隧道底部堆積起來的碴石,鏟裝量小,磨損較小。
2 刀具配置方式
刀具的布置方式需要充分考慮工程地質情況,進行針對性設計,不同的工程地質特點,采用不同的刀具配置方案,以獲得良好的切削效果和掘進速度。根據(jù)地質條件特點,可以大致分為四種地層:軟弱土地層;砂層、砂卵石地層;風化巖及軟硬不均地層;單純的純硬巖地層。
2.1軟弱土地層 如南京、上海、杭州等地,其地質條件主要以淤泥、粘土和粉質粘土為主, 在軟弱土地層一般只需配置切削型刀具,如:切刀、周邊刮刀、中心刀、先行刀和超挖刀。以南京地鐵盾構為例,刀盤采用面板式結構,裝有1把魚尾形中心刀,120把切刀,16把周邊刮刀及1把仿形刀。切刀安裝在開口槽的兩側,覆蓋了整個進碴口的長度。刮刀安裝在刀盤邊緣。由于刀盤需要正反旋轉,因此切刀的布置也在正反方向布置,為了提高切刀的可靠性,在每個軌跡上至少布置2把。在周邊工作量相對較大,磨損后對盾構切口環(huán)尺寸影響較大,在正反方向各布置了8把刮刀�？紤]到刀盤的受力均勻性,刀具布置具有對稱性。刀具安裝采用螺栓固定,便于更換。在切刀或刮刀的刃口和刃口背面鑲嵌有合金和耐磨材料,以延長刀具的使用壽命,切刀的破巖能力為20MPa,可以順利地通過進出洞端頭的加固地層。
2.2 砂層、砂卵石地層 如北京、成都其地質條件主要以砂,卵石地層為主,如遇到粒徑較大的礫石或漂石,應配置滾刀進行破碎。在砂層、砂卵石地層施工時,需設置(寬幅)切刀、周邊刮刀、先行刀(重型撕裂刀)、中心刀、仿形刀等刀具。切刀是主刀具,用于開挖面大部分斷面的開挖;周邊刮刀也稱保徑刀,用于切削外周的土體,保證開挖斷面的直徑;先行刀在開挖面沿徑向分層切削,預先疏松土體,降低切刀的沖擊荷載,減少切削力矩,同時重型撕裂刀用于破碎強度較低和粒徑較小的卵石和礫石;中心刀用于開挖面中心斷面的開挖,起到定心和疏松部分土體的作用;仿形刀用于曲線開挖和糾偏。滾刀用于破碎粒徑較大的礫石或漂石。
2.3 風化巖及軟硬不均地層 如廣州、深圳,上軟下硬、地質不均的復合地層,且局部巖石的單軸抗壓強度較高(150-200Mpa), 除配置切削型刀具外包括寬幅切刀、先行刀,還需配置滾刀,因而刀盤結構相對復雜。對于巖層首先通過滾刀進行破巖,且滾刀的超前量應大于切刀的超前量,在滾刀磨損后仍能避免切刀進行破巖,確保切刀的使用壽命。在曲線半徑小的隧道掘進時,為了保證盾構的調向和避免盾殼被卡死,需要有較大的開挖直徑,因此刀盤上需配置滾刀型的仿形刀(或超挖刀)。
2.4 單純的純硬巖地層 如秦嶺1線隧道,隧道斷面范圍內(nèi)以混合片麻巖和混合花崗巖兩種巖石為主,刀具全部選用滾刀,無任何齒刀。有時,在刀盤面板周邊開口處配備刮碴刮刀板。
3 刀具配置的差異性
在復合地層施工中,刀具配置的差異性主要表現(xiàn)在滾刀和先行刀的配置數(shù)量和刀具的高度、組合高度差等方面。例如,海瑞克公司刀盤滾刀和固定先行刀高出面板175mm和140mm,三菱公司刀盤滾刀和固定先行刀高出面板90mm和70mm。兩種刀具的高差為35mm和20mm,前者的設計較好,具體表現(xiàn)為刀具高對防止泥餅的形成有利,高度差大有利于破巖。滾刀的刀間距過大和過小都不利于破巖,間距過大,滾刀間會出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象,間距過小,滾刀間會出現(xiàn)小碎塊現(xiàn)象,降低破巖功效。在復合地層中周邊滾刀的間距一般小于90mm,正面滾刀的間距為100~120mm(參照國內(nèi)外施工實例,巖石強度高時,滾刀的間距應控制在70~90mm的范圍內(nèi)比較合理)。
4 復合地層中刀具配置的“矛盾”現(xiàn)象
硬巖地層只需滾刀,但有時必須安裝切刀(或刮碴板),切刀在破硬巖過程中幾乎沒有作用,由于貫入度和高度差的原因,產(chǎn)生瞬間沖擊荷載,切刀被磨平或被崩斷。在復合地層中,有些砂、卵石地層或同一斷面中有硬巖和軟巖,所以刀盤必須配備切刀和先行刀以對應非硬巖的需要。同理,在軟巖和軟土地情況下,本不需安裝滾刀,但在由于可能存在部分硬巖,又必須安裝滾刀,導致滾刀嚴重損壞,失去破巖功能。
5 砂卵石地層中(尤其含大直徑漂石)長距離隧道掘進的工況下,刀具配置新的設計理念和思路
北京地鐵9號線06標段,盾構單線隧道長度約為1238m,地層主要為卵石層、圓礫層、強風化~中風化礫巖層、強風化粘土巖,局部為粉質粘土層和細砂層。開挖面圍巖不穩(wěn)定,粘土巖和強風化礫巖的單軸抗壓強度為0.3~2.0Mpa,為極軟巖。詳勘報告中推測大于400mm粒徑卵石含量為15%~40%,隧道附近基坑內(nèi)有1500×2000mm漂石,不排除有粒徑更大的漂石存在,且隨機分布。隨機取樣卵石和礫石的單軸抗壓強度為120~187 Mpa,石英和長石含量為70%~95%。
盾構廠家針對本標段的地層在刀具配置方面提出了新的設計理念和思路。為了使刀具能夠充分發(fā)揮作用,盾構機設計使用了3130 mm大直徑軸承,配備了1200kw的驅動動力,使刀盤的托困扭矩為774t.m,轉速可達0~3.2rpm,同時在刀盤面板和周邊焊接碳化鉻超硬耐磨板和耐磨網(wǎng)。刀具布置方面(初步預案),開口槽密排寬幅切刀100把(帶耐磨合金頭)、面板上配備大橫斷面高耐磨雙層碳化鎢重型撕裂刀(先行刀)31把、刀盤外周和邊緣位置配備雙刃(17”)滾刀10把,中心錐形刀1把。滾刀和重型撕裂刀采用刀盤后裝式,可通過刀盤內(nèi)的轉接箱方便地進行拆卸、互換。
刀具的破巖原理,利用刀盤高速轉速產(chǎn)生的沖擊慣性能量,通過滾刀和大橫斷面重型撕裂刀進行卵石、礫石和漂石的刀盤前“錘擊”破碎。但由于是在軟巖地層中掘進,卵石、礫石和漂石在基巖內(nèi)不能被固定,不能提供給滾刀足夠的轉動力矩和滾刀切巖的支撐力,導致滾刀破巖失效。
6 刀具配置設計時應考慮的因素
6.1 實際施工時會遇到各種復雜地層,地質資料提供的只是部分的鉆探資料,不能完全準確反映實際地質情況,因此在進行刀具配置設計時必須考慮對地質進行充分的分析和研究,刀具配置要有一定的富余和能力儲備;
6.2 不同的工程地質需配置不同的刀具,軟土地層只需配置切削型刀具;砂卵石地層除配置切刀外,還需配置先行刀;風化巖及軟硬不均地層除配置切削型刀具外,還需配置先行刀、滾刀;在復合地層中,要保證不同種類刀具相互可換性;
6.3 刀具配置要覆蓋整個開挖斷面,為保證刀盤受力均衡,運轉平穩(wěn),刀具要對稱性布置;切刀要正反方向布置,同時要確保每個軌跡有2把切刀;對切刀排列方式進行選擇,整體連續(xù)排列或牙型交錯排列;通過周邊刀保證開挖直徑;保證滾刀純滾動,要考慮周邊滾刀的安裝角度,同時增加周邊滾刀的數(shù)量;
6.4 刀具安裝通過螺栓固定或設計轉接箱,便于安裝、拆裝、更換和修理方便;
6.5 通過合理選擇耐磨材料和合金鑲嵌技術;對刀盤和開口槽進行耐磨處理;對加泥、加泡沫系統(tǒng)進行合理設計,減少刀具掘進磨損和沖擊,提高刀具的耐久性,延長刀具的使用壽命;
6.6 適應城市繁華地區(qū)施工的需要,綜合合理選擇刀具種類和尺寸,確定刀具的超前量、相互高差,盡可能減少刀盤旋轉刀具切削土體過程對周邊土體及環(huán)境的擾動,盡量使各種刀具磨損均勻,充分發(fā)揮各種刀具的切削性能;
6.7 配備刀具磨損監(jiān)測和報警裝置,如液壓式、電磁式、超聲波探測式。
7 結束語
刀具配置關系到盾構能否順利掘進,必須根據(jù)地質狀況認真研究分析。在盾構施工中合理的選取掘進參數(shù)(如總推力、刀具貫入度、刀盤轉速、扭矩等),最大程度的延長刀具的使用壽命,減少換刀頻率,降低施工中頻繁換刀的風險,做好對刀具監(jiān)控、分析、比較、摸索,總結刀具的使用經(jīng)驗,將結果反饋,指導施工。
[參 考 文 獻]
[1] 竺維彬 鞠世健.復合地層中的盾構施工技術.中國科學技術出版社
[2] Michael A.DIPonio Jay Dee-Michels-JV David Chapman Lachel,Felice & Associates
Craig Bournes Lovat,Inc EPB Tunnel Boring Machine Design for Boulder Condition
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