1、,刀盤刀具的應用,目錄,1,2,3,4,地質分析,刀盤結構、強度及刀具配置,刀具應用原理,泥水及土壓盾構的添加劑,地質分類： 沖洪積層； 地質勘探結果能為盾構施工提供有效依據(jù)，主要以物理，力學，水文，顆分，標貫，芯樣等綜合指標形成對地質的認識，細化沖洪積層的風險控制有效的選用盾構施工。 回填土及於泥質粘土 細沙，粉細沙，中粗沙，粗砂，礫沙，卵礫 洪積層的沙質粘土，殘積土，泥巖等。,風化巖層 主要指各類基巖地層，其特性侏羅系較安定，巖性以中微風化為主抗壓強度大，發(fā)育裂隙小，微透水單軸抗壓強度較大，如：微風化花崗巖。 目前國內在盾構隧道碰到最硬的達到236MPa（二氧化硅含量均要達到70-80左右

2、）。微風化砂巖也要達到90MPa左右。但巖石自穩(wěn)性極好。 地質風險在盾構施工賦存主要為白堊系地層中 泥質粉砂巖 粉砂巖 含礫混合巖 花崗巖 各類變質巖 以上巖性，主要 為強全風化巖，發(fā)育裂隙較大，盾構在推果極差。尤其盾構施工的風險，超欠控、壓力波動（送排泥流量不平衡等造成失控）。,上軟下硬地層： 上軟下硬地層在地下非開挖工程中，均有不同程度的風險和難點發(fā)生。其表現(xiàn)在以下幾類模式。 三、四系互交層（上沖下巖） 強全中微互交 強全風化巖中的變質巖 沉積巖夾碎裂帶 巖溶洞（上硬下軟）,盾構施工中，上述三大類地質表現(xiàn)在應用及設備造型合理。風險控制，難點克服是可行的。 關鍵詞：地質是基礎,強全中微風化層

3、如圖：,四系地層中的漂石（稱為外來異物）如圖：,盾構選型： 刀盤刀具。（刀盤結構強度，開口率、刀具選用布置） 功能配置。（壓力、扭矩、推力等選用） 安保措施（超前加固，安全閘門，破碎功能，油脂類磨損檢測等） 環(huán)流系統(tǒng)（壓力控制、流量不平衡等） 信息系統(tǒng)（PLC功能、姿態(tài)自動檢測等）,列出下表以供大家參考,根據(jù)上述特殊地質特別強調刀盤的耐磨，建議安裝耐磨板，最外圈保護刀采用加強型焊 接形刀，在同一軌跡線上安裝n把，確保最大開挖直徑。并在開口導流處，安裝背溜保護刀 值得一提的是，目前直徑9m以上大盾構所出現(xiàn)的刀盤刀具問題，給工程造成一定的風險 ，除刀盤結構強度和刀具選用問題之外，個人認為，最大的原

4、因是忽略了刀具在特殊地 質層里摩擦系數(shù)，而導致外圈切削刀具快速磨損。所以，按照刀具配置的設計原理， 設 定如下： T：刀具的刀刃磨損量（mm）； K：刀具磨損系數(shù) (mm/1000km) 先行刀的磨損系數(shù)k采用刀具磨損系數(shù)的最大值，根據(jù)高低差度2.0和1個掘削軌跡上配置 3把刀具，設定磨損降低效果為0.693。 1條軌跡配置n把切削刀的場合，與1 條軌跡配置1把切削刀相比，摩擦系數(shù)K為n-0.333倍。 例如，n=3的場合，摩擦系數(shù)K= n-0.333=0.69倍，刀具壽命為1/0.69=1.45倍。 簡單的說，最外圈的主切刀因回轉半徑最大，在旋轉過程中所承受的線速度最大，即摩 擦力最大，在整

5、個刀盤的所有刀具中，它的壽命最短。所以，目前在大盾構所有項目上， 刀盤刀具出現(xiàn)不同程度的問題。上面所述就是主要原因之一。,盾構選型：主要是針對地質條件。選用適用的盾構工法。目前在國內外應用比較廣泛的盾構工法有以下幾類： 敞開式TBM硬巖機、雙護盾、單護盾、泥水加壓、土壓平衡等。 盾構選型重點討論盾構的幾個重點 刀盤刀具。（刀盤結構強度，開口率、刀具選用布置） 刀盤選型主要有三大參數(shù)： 刀具配置 結構強度 根據(jù)地質勘探情況，確定荷載條件下的P1、F1、F2 P1：刀盤軸向推力 F1：刀盤面板的摩擦阻力（F1 =P1 (:鐵和土的摩擦系數(shù)=0.3)） F2：刀盤外周板阻力（粘土粘附力） 根據(jù)以上參

6、數(shù)，選定刀盤結構強度系數(shù)值。,扭矩 A 扭矩分類 通常所說的刀盤扭矩包括三種形式： 第一扭矩（額定轉速0.85rpm時的扭矩13900KN.M） 第二扭矩（刀盤最大轉速3.2rpm時的扭矩5137KN.M） 脫困扭矩（刀盤侵入土體停機后，重新轉動時的扭矩18070KN.M）,B 刀盤扭矩計算 刀盤旋轉主要要克服以下四個阻力扭矩： T=T1+T2+T3+T4 T 總阻力扭矩 T1刀具的切削阻力扭矩 T2大刀盤面板與地層的摩擦阻力扭矩 T3大刀盤外周部與地層的摩擦阻力扭矩 T4中間支撐梁的阻力矩 1）、刀具的切削阻力扭矩：T1 H=9.82.1ecB0t10(-0.22)/1000 T1=ntHR

7、k 其中ec：切削阻力系數(shù) B0：切削刀刃寬度 t：切入深度 ：切削刀刃的前角 nt：刀盤刀具裝備數(shù) Rk：刀盤刀具平均安裝半徑2,2）、大刀盤面板與地層的摩擦阻力扭矩： T2,其中 ：l為大刀盤外周板的寬度 4）、中間支撐梁的阻力矩 T4,其中：為大刀盤開口率 3）、 大刀盤外周部與地層的摩擦阻力扭矩；T3,2）、盾構機前方的土水壓力的推力F2,3）、管片與盾尾密封的摩擦阻力的推力：F3 F3snsDs(Ps+Px) 其中：s：管片與盾尾密封的摩擦系數(shù)(一般取0.3) Ps：盾尾密封的緊迫力 (3.1kN/m) Px：水壓引起的緊迫力 (,4）、后套設備的牽引阻力的推力：F4 F4Gtt9.

8、8 其中 t：牽引阻力系數(shù)(0.2) 一般情況，F(xiàn)最終作用于刀盤僅為30。,主推系統(tǒng) 根據(jù)工程條件，選用44支油缸組成主推系統(tǒng)，共分四組，油缸最大行程2700mm，設計伸出速度40mm/min，最大伸出速度1500mm/min（四組同時），最大回縮速度3000mm/min（四組同時）。推進時，四組油缸可采用連鎖工作，即四組同步；也可采用單組或單支工作。 推進時，設計比推力為1275Kg/m3，最大總推力為13850KN。 盾構機掘進時，油缸的總推力：F = F1 + F2 + F3 + F4 F1：外殼板外周面與坑壁的摩擦阻力的推力 F2：盾構機前方的水土壓力的推力 F3：管片與盾尾密封的摩擦

9、阻力的推力 F4：后配套設備的牽引阻力的推力 1）、盾體外殼板外周面與坑壁的摩擦抵抗的推力：F1,),。紅色顯示刀具問題區(qū),刀盤整體加強筋板情況,刀盤中心加強筋板改造 輻板與輻條之間的加強改造,內圈變形,刀具布置及應用,刀具承載力不夠多角偏磨,沖擊性磨損端蓋脫落,軸與刀體分離,下面顯示幾組照片供大家研究探討；,掌子面強中風化層,刀刃完好、螺栓斷裂,刀圈未損、刀體磨損,互換刀座開裂,TBM滾刀,我們在這里計算按照17寸盤形滾刀的設計承載能力25噸進行分析計算。 滾刀受力分析 （1） 在盾構掘進方向，可以建立刀盤推力與各滾刀法向推力的平衡關系：,刀盤、滾刀受力分析示意圖 式中：Fni為第i把面刀的

10、推力，F(xiàn)nj為第j把邊刀沿隧道軸線方向的作用力，F(xiàn)為刀盤推力，n為面刀數(shù)量，m為邊刀數(shù)量。,在刀盤的設計理論中，一般假設每把滾刀（包括面刀和邊刀）沿隧道軸線方向上的作用力都相等，即平均分擔刀盤的推力，則面刀法向推力為,（2）邊刀法向推力為 在刀盤的設計理論中，一般假設每把滾刀（包括面刀和邊刀）沿隧道軸線方向上的作用力都相等，即平均分擔刀盤的推力，則面刀法向推力為,(3)邊刀法向推力為,為第j把邊刀的法向推力，,為第j把邊刀的安裝角。,過渡圓弧處滾刀安裝角度示意圖,根據(jù)上面的公式（3）可以計算76#82#滾刀的受力如下表1,76#82#滾刀受力數(shù)據(jù),刀盤刀具選用建議: 針對不同地質必須選用正確的

11、刀具，目前根據(jù)全國地下盾構施工現(xiàn)狀，在復合地層中刀盤和刀具的成功應用案例不是很多，尤其是直徑9米以上大盾構的施工刀盤刀具問題尤為突出。給施工帶來很大損失和風險。不得不引起我們的重視和關注。本人從事盾構事業(yè)已有20多年，至今還在一線做盾構施工技術管理工作，在工作實踐中，逐步積累了應對各類復合地質層的盾構施工經驗，尤其在近10年的國內盾構施工中主導和參與項目獲得了成功的經驗和應用。并參加了鐵道部，中鐵建，南水北調等部分地鐵項目的專家組，在公路；鐵路；水利；地鐵等領域針對不同的特殊地質盾構施工方案及發(fā)生的難題和風險提出了個人見解和方案。并取得了一定成果。 復合地層選用復合刀盤刀具；（混裝刀具同一軌跡

12、） 所裝刀具能響應地質有效距離保證開挖直徑（外圈刀具） 刀具的選用要有針對性（自轉扭矩，耐壓性，承載力等） 刀盤結構強度針對本工程地質的安全系數(shù) 刀盤輻條及面板的耐磨保護 土艙內的渣土改良及泥水沖刷效應,有限元分析建模 帶有壓力平衡的滾刀二維圖如下所示,1. 82#刀分析結果 （1）有壓力平衡孔,可以看到帶壓力平衡孔的82#刀的刀軸最大應力1689MPa，位于刀軸左部軸肩；最大變形為0.05185mm，位于刀軸的中心位置的右邊。,（2）無壓力平衡孔,可以看到帶壓力平衡孔的82#刀的刀軸最大應力1689MPa，位于刀軸左部軸肩；最大變形為0.05185mm，位于刀軸的中心位置的右邊。 圖14 8

13、2#無壓力平衡刀軸變形圖 可以看到帶壓力平衡孔的82#刀的刀軸最大應力2005MPa，位于刀軸左部軸肩；最大變形為0.05236mm，位于刀軸的中心位置的右邊。,2. 76#刀分析結果 （1）有壓力平衡孔,從76#有壓力平衡刀軸變形圖 可以看到帶壓力平衡孔的76#刀的刀軸最大應力914.3MPa，位于刀軸左部軸肩；最大變形為0.05279mm，位于刀軸的中心位置的右邊。,（2）無壓力平衡孔,從76#無壓力平衡刀軸變形圖 可以看到無壓力平衡孔的76#刀的刀軸最大應力1238MPa，位于刀軸左部軸肩；最大變形為0.05212mm，位于刀軸的中心位置的右邊。,3. 正面滾刀分析結果 （1）有壓力平衡

14、孔,從正面滾刀有壓力平衡刀軸變形圖 可以看到帶壓力平衡孔的正面滾刀的刀軸最大應力650.2MPa，位于刀軸左部軸肩；最大變形為0.03723mm，位于刀軸的中心位置。,（2）無壓力平衡孔,從正面滾刀無壓力平衡刀軸變形圖 可以看到無壓力平衡孔的正面滾刀的刀軸最大應力790.4MPa，位于刀軸左部軸肩；最大變形為0.0363mm，位于刀軸的中心位置。,結論： 1.從上面的分析可知，帶有壓力平衡的刀軸比不帶有壓力平衡的刀軸所受應力更小一些，即容易產生強度失效；而在刀軸變形方面，則是帶有壓力平衡的刀軸比不帶有壓力平衡的刀軸更大一些，即容易產生剛度失效。 2.從上面的分析也可以知道，正面滾刀刀軸所受應力

15、和變形都較小，而過渡圓弧區(qū)的滾刀刀軸由于受力比較復雜，既有正向垂直力又有側向力產生的彎矩，所以應力和變形都較大。,工況判斷 根據(jù)所掌控的盾構機推進原理，在實踐應用過程中發(fā)現(xiàn)推進異常，就必須及時判斷出問題的原因最終找出解決的方法。 以下就根據(jù)近幾年國內一些具代表性的有特殊復合地層盾構選型中刀盤刀具的應用經驗和案例供研究和探討。 案一； 根據(jù)本人的盾構施工經歷，把一個由本人主導的在特殊復合地層盾構施工的成功經驗，推介給在座各位，施工單位與設備供應商的全面合作的典型案例。,提示： 1、為了保證開挖直徑，外圈選用了14把加強形刀； 2、卵礫層的含量占70%以上，最大粒徑在200毫米左右。采用了三刃滾刀

16、； 3、刀盤中、外圈在每個軌跡線上都配置了滾刀和加強形刀，高低差為1.5cm，（加強型刀低于滾刀）目的有效延長刀具壽命，保證一次性通過。,案二；,說明：圖示藍色曲線為推進速度曲線，紅色曲線為刀盤扭矩曲線，黑色曲線框內為推進速度突降，扭矩居高不下的區(qū)間。 從以上表中可以完全看出在推進過程中扭矩和速度明顯發(fā)生了反異差，簡單的判定不是刀具出了問題就是地質發(fā)生突變。,案二,油脂類和添加劑的應用,1 各類油脂 （HBW . EP2 . 液壓油. 潤滑油 盾尾油脂等） 2 泥水漿液質量 3 泡沫液質量及壓力和流量 4 膨潤土的合理應用,20倍以上發(fā)泡倍率驗證法,首先由不同廠商提供各自泡沫產品使用的具體參數(shù)

17、 （濃度C、發(fā)泡率FER），然后要求在相同工況條件下進行對比試驗。（條件包括同一臺泡沫發(fā)生器，同一把泡沫槍，相同土壓下） 在泡沫發(fā)生器前端樣品閥處接一根約1m的軟管或橡皮管進行取樣觀察，取軟管噴出的成品泡沫。 （注意不要樣品閥一開就取，待樣品泡沫成型穩(wěn)定再取，可以將樣品閥打開讓泡沫先打一會，再用容器去盛接。 另外更換泡沫品牌時，需要注意混合液箱內不要留有殘余，以免兩種品牌的混合液混合使用，造成實驗結果不具說服力。更換品牌后，最好使用一段時間后再進行取樣，將之前管路中的殘留泡沫消耗殆盡） 同類泡沫產品在相同工況條件下，各自盛取軟管噴出的相同體積的成品泡沫。 （用容器裝好，并靜置12小時后觀察消泡情況，消泡嚴重的屬于泡沫破裂不符要求，因此一定要扣除消泡體積，僅以最終剩余泡沫體積進行后續(xù)計算） 分別對靜置后的泡沫樣品稱重，去掉容器重量得出實際泡沫重量。 （泡沫的實質是混合