不同地质盾构刀具如何配置

来源：盾构刀具发布时间：2015-01-04 16:31:27

1 、引言
      盾构刀具的配置是盾构刀具设计中是非常重要的内容，其配置是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机的刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工效率。
2 、刀具种类和切削原理
    2.1、切刀（齿刀，刮刀）
    切刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构机向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力，在刀盘的转动下，刀刃和刀头部分插入到地层内部，不断将开挖面前方土体切削下来。切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂、卵石、粘土等松散体地层。
2.2、先行刀（超前刀）
先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置。先行刀在设计中主要考虑与其它刀具组合协同工作。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。先行刀的切削宽度一般比切刀窄，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，尤其是砂卵石地层先行刀的使用效果十分明显。
2.3、贝型刀
    贝型刀实质上是超前刀，盾构机穿越砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层时，若采用滚刀型刀具，因土体屑松散体，在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，大大降低滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石。
2.4 、中心刀（鱼尾刀、双刃或三刃滚刀、锥形刀、中心羊角刀）

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（羊角刀），一般鱼尾刀超前600 mm左右。鱼尾刀的设计和配置方式如下：其一让盾构分两步切削土体，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，即将鱼尾刀设计与其它切刀不在一个平面上，即鱼尾刀超前切刀布置，保证鱼尾刀最先切削土体；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和搅拌效果，又大大提高盾构整体掘进效果。

1)由于岩石条件急剧变化(多为较发育的破碎岩层)或操作原因(调向过大或推力过大)，以及换刀不合理(相邻刀具的磨损量相差较多)，造成个别刀具过载，使刀具轴承圆锥滚子的承载端剥落，剥落的金属碎片及颗粒使密封失效。

2)由于刀盘发泡剂系统不良而使轴承及润滑油温度过高。

3)强度较高的大石块或崩断的正面齿刀、边缘刮刀卡在刀具端盖密封处，使滑动密封受冲击载荷失效。

4)刀具轴承及浮动密封的寿命已达极限。
5)刀具修理过程中隔套尺寸不符合规格或刀具内混有杂物。

1.5 刀圈剥落

由于刀圈磨损表面产生疲劳裂纹，逐步扩展导致微观断裂、磨损剥落。从刀具检查情况来看，一般刀的剥落块较小，不影响刀具的正常运转。

1.6 挡圈断裂或脱落

瑞克公司生产的正面滚刀和边缘滚刀的刀圈内侧为两半对接焊的安全挡圈，便于更换刀圈并防止刀圈移位。但由于离心力的作用，刀圈作用于刀体上的力都是指向外侧的，所以一般内侧受力较小，但在施工过程中由于挡圈焊接质量较差或刀盘前部岩石破碎，坍塌的大石块经常将挡圈砸断或脱落，直至发生刀圈移位，使刀具更换很困难。

1.7 刀具螺栓松、脱、断及掉刀等情况

原始记录表明，随着换刀次数的增加，刀具螺栓松、脱、断甚至掉刀的现象(统称为螺栓问题)也逐渐严重，造成刀具的螺栓问题的原因主要有以下几方面：

1)刀具拉紧快和U型块的重复使用，使相当部分配合面受压变形而成台阶状，同时修理次数过多使一把刀的两块拉紧快配合面不在同一个平面上。

2)刀具及刀具螺栓重复使用的次数较多，螺纹损伤严重。

3)由于刀具在安装过程中没有将所有配合面(拉紧快、U型块、螺纹以及公母垫等)清理干净，而使刀具在掘进过程中出现螺栓问题。

4)由于操作原因未使刀具所有螺栓达到规定预紧扭矩。

2 预防措施

1)根据施工过程中不同的地质条件，选择安装不同扭矩的刀具。

2)施工过程中要连续使用刀盘发泡剂系统，同时保证发泡剂系统功能的有效性，以达到有效润滑刀具、降低刀具的表面温度、实现渣土改良等功能。

3)刀具主要配件(如轴承、端盖、轴等)连续使用三次以上的需要报废。

4)制定刀具安装完成后的安装质量检查制度，主要检查刀轴、刀具拉紧快安装位置是否正确，刀具螺栓是否拧紧等工作。

5)施工过程中，及时根据地质条件的变化，合理选用掘进参数。

6)制定严格的刀具检查制度，软岩地层中每100环~150环(150m~225m)检查一次刀具，硬岩地层中每20环~50环(30m~75m)检查一次刀具，当然在施工情况遇到突变时，可根据当时的具体情况确定是否提前或滞后刀具的检查日期。

7)整刀、刀圈在搬运、卸吊时要严格按有关规定和方法进行，必须做到轻装轻放，并做好各种防护措施。现场刀具安装必须按照其安装要求和工艺进行。

3 结语

文中通过对广州市轨道交通三号线(市桥站北~番禺广场站盾构区间)盾构工程施工过程中使用的刀具———滚刀的损耗形式、损耗原因以及相应的预防措施。文中为今后的盾构隧道中如何最大程度地开发刀具的使用寿命提供了一定经验。