探析土压平衡盾构机刀盘开口特性及刀具布置方法

探析土压平衡盾构机刀盘开口特性及刀具布置方法

戴佳临

中建八局轨道交通建设有限公司江苏南京210046

摘要：众所周知，在选择土压平衡盾构机型号时，一定要联合考虑其刀具的布置方法和类型，防止因刀具选择问题而引起的各种隐患问题，影响刀具的使用寿命。另外，如果刀具选择不当，可能会对整个盾构工程的安全可靠性及运行效率产生极大的影响。因此本文主要就土压平衡盾构机刀盘开口特性及刀具布置方法进行探讨分析，并提出一些个人观点，以供参考。

关键词：土压平衡盾构机；刀盘开口特性；刀具布置方法；

前言：随着我国工程建设步伐的加快，国家工程建设不断发展，盾构机在相关工程中得到了非常普遍的运用。本文对盾构机的刀具工作的特点以及布局进行简单阐述，进行了刀具在刀盘布置分析，依据刀具等寿命原则，基于刀具具体布置方法，明确了刀具数量和先行刀具的布置方案，对减少盾构机刀盘磨损有一定作用。

1盾构刀盘的特点

（1）在进行地下工程和水底工程工作时，不会对日常的交通工作产生负面的影响；

（2）在进行盾构工作时，其不会受到外界自然因素的影响。也正是由于盾构刀盘所具有的优势特点，使得盾构机的应用范围不断地进行扩大，目前已经逐渐应用在隧道工程、地下水管工程和地铁等工程的建设中，并且取得了很好的施工质量，提高了经济效益。

（3）盾构机在运作过程中，主要的部件为刀盘，其处于整个设备的前沿，采用旋转的方式来进行工作，对土层进行不断切割，并且借助螺旋机的传送功能将产生的土渣排到外部去。

（4）由于施工的工程比较复杂，刀具在进行工作时，有可能由于受力过大使得设备产生巨大的磨损，因此，在实际的施工过程中，需要确保刀盘的质量符合现场施工的需求，这样才能确保盾构机可以正常的进行工作。

2盾构机刀盘刀具进行开口时的特点

2.1滚刀破岩

①滚刀机理：

（1）滚刀压入岩石之后，滚刀和岩石接触位置会出现岩石在受压塑形变形作用下产生的坚硬的密实核，积聚了大量变形能，在密实核附近会出现大量裂纹。

（2）在滚刀压力作用下，裂缝不断扩展交会，侧向裂缝与自由面或者相邻裂缝交会造成岩石破碎。

（3）滚刀破岩过程承受的载荷有着明显的跃进性，压入阶段载荷不断增加，达到临界值，岩石开始破碎剥落，载荷得到迅速释放，滚刀继续前进，载荷再次上升，如此循环。

②滚刀破岩载荷：滚刀破岩主要受三向力作用，垂直刀盘平面的垂直力、滚刀轨迹圆切线滚动力、沿轨迹圆法线方向侧向力。如下图所示。

3刀具的布置

3.1刀具数量确定

根据刀具磨损等寿命原则，为了保证刀盘上刀具磨损量基本一致，需要调整不同半径上磨耗系数，保证不同刀具的寿命基本相等。刀具实际磨耗系数可按照公式推算：

3.3布置原则

（1）刀盘表面半径方向上滚刀的分布按照间距100mm为原则来进行设置，对辐条上滚刀的位置进行平均分布。如果开挖物料的黏度较大、硬度较低，可以适当增加滚刀分布的间距；

（2）如果开挖物料的黏度较小、硬度较高，可以适当减少滚刀分布的间距。刀盘表面周边的线速度数值最大，空间较大，但是运动不稳定，应该采用密集分布的方式来对滚刀进行布置，这样可以有效提高挖掘效率，确保运动的稳定性；

（3）在辐板上加设滚刀时，需要严格按照间距随着半径的增加而递减的方式来进行设置，对辐条和辐板的位置进行平均分布。

（4）物料流动性不好的情况下，为了有效避免黏性物料发生堵塞现象，需要将刀盘中部的开口率进行调整。

（5）刀盘中心的几何尺寸较小，只能设置单排中心滚刀来进行工作。如果使用撕裂刀来对滚刀进行代替，则可以在中心设置鱼尾刀。

（6）鱼尾刀在进行设计时，需要突出刀盘面，这样可以确保在开挖软土层时，避免糊刀现象。

4在掘进过程中对刀具的管理

4.1推动控制

（1）保证油缸推力在一定范围内，不宜过大也不宜过小；

（2）刀盘的转速需要进行控制，转速不宜过大；

（3）盾构机掘进速度进行控制，不易过快，否则会造成刀具损坏。

4.2碴土改良

碴土改良技术是通过在刀盘面、土舱等注入泡沫，然后搅拌使得添加剂与土碴混合，从而解决碴土黏度过大问题，以实现盾构机施工效果。另外一方面改良碴土工程的主要措施有在螺旋机中注入泡沫、在刀盘面、土舱内注入泡沫以减少泥饼的形成或者排碴量。

4.3防泥饼措施

（1）进行盾构施工地质、泥土加强预测；

（2）为减少碴土粘附性在刀盘前部注入泡沫，从而降低泥饼的形成率；

（3）及时处理形成的泥饼；

（4）采用土舱顶部加气的方法土压平衡模式掘进来防止泥饼的形成；

（5）通过改良碴土技术来防止泥饼形成。

结束语：

综上所述，刀盘刀具作为盾构机的关键结构，是实现盾构机掘进功能的主要部件，对土压平衡盾构机刀具开口特性以及布置方式进行研究，是保证刀盘受力平衡，减少掘进功耗，减少刀具磨损的必要措施。因此在施工过程中，相关人员应从各个环节进行细致化施工，从而保证整个工程的顺利开展。

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