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盾构机的刀盘和刀具

The Cutter Head and Tools of the Shield Machine

豳中铁七局集团第三工程有限公司何小娥／HE Xiaoe 刀盘是盾构的主要工作部件，不同地质地层应采用 不同的刀盘结构形式及刀具布置，刀盘及刀具的好坏关 系到盾构施工的成败，影响盾构掘进的速度和效益，甚 至关系到盾构施工的成败

1 刀盘

刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构 机的最前部，用于切削土体。“刀盘”的工作原理可简单 比作是一把剃须刀，在前进过程中逐渐将泥土砂石变成 碎块，再排放到“刀盘”后的“储藏室”内，即，土仓。 1．1刀盘的特点

的切削效果和掘进速度，甚至关系到盾构施工的成败。 个性化：盾构在施工过程中会遇到各种不同地层， 从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。刀盘刀具不可能是 千篇一律的，必须根据工程地质情况进行个性化设计。 多样化：随着城市建设的加快，土地资源越来越珍 贵，为了节省空间，越来越多的异形盾构出现，刀盘也随 之变得各式各样。 1．2刀盘的功能

开挖功能：对掌子面的地层进行开挖，开挖后的 渣土顺利通过渣槽，进入土舱，

稳定功能：支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能；

重要性：刀盘的选择是否合适直接影响盾构掘进机搅拌功能：对土舱内的渣土进行搅拌，使渣土具有一 力值趋于减小。在低速情况下沥青混凝土路面呈粘弹 性状态，刀具前角对切屑的挤压以及后角对已加工路面 的摩擦使得刀尖附近的应力值增大；随着切削速度的增 大，沥青混凝土在切削过程中脆性越来越明显，产生的 切屑对前刀面的挤压程度降低，从而使得刀尖附近的应 力值趋于减小；当速度达到一定程度的时候，这个值趋 于平稳。另外还可以看出在切削过程中刀尖前端的沥青 混凝土路面主要受到刀尖对其的挤压，从而o?o。。和 o，，呈现为负值；o。、a，，和o，，由低速慢慢随着速度 的增大而不断增大，这是因为沥青混凝土的粘塑性随着 切削速度变化而引起的。

表3为切削深度为60 mm的不同切削速度下的刀 具切削力计算结果。可以看出，切削速度由100 mm／s 逐渐增大到1 000 mm／s的过程中，刀具受力增加比 较缓慢，所以刀具所受到的冲击不是很大，刀具的磨损 也不会很严重。切削速度从l 000 mm／s增大到6 000 mm／s过程中，刀具受力急剧增加，所以刀具的磨损将

表3切深为60 mm时不同切削速度下的刀具切削力

切削速度／(mm／s) 100 300 500 1000 2000 3000 6000

最大切削力／N 1673．31 2004 06 2846 79 3967．15 10494．2 28497．4 71443 3

平均切削力／N 1088 70 1289 93 1498 62 2421．64 6966．83 12172．77 47007．86

1 00 CMTM 2010．05

会迅速加剧。因此高速、大切深铣刨路面对铣刨机的刚 性和功率提出了较高的要求。

综上所述，对于较小切削深度的路面铣刨机，切削 速度最好维持在2 000 mm／s以下，对于较大的切削深 度，可以选择较大切削功率的路面铣刨机以较大的切削 速度来完成切削作用，提高切削效率。

参考文献

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[2】2蔡玉俊，段舂争，李圆圆，王敏杰．基于Abaqus的高速切削 切屑形成过程的有限元模拟．机械强度，2009，31(4)：693．696． [3】M．Movahhedy,M．S．Gadala，Y．Altintas，Simulation of the

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Materials Processing Technology,2000，103，267-275．

[4】G．R．Johnson，W．H．Cook，A constitutive model and data for

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Symposium on Ballistics，The Hague，1983，541-547．

收稿日期：2010．01-28

通讯地址：湖南省湘潭市(411105) 羲搿镂耪

万方数据

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定的塑性，能通过螺旋输送机来调整控制土舱内的压力。 1．3刀盘的主要构成

(1)主驱动连接法兰(连接主驱动)；

图1

(2)刀盘支撑(传递扭矩及轴向力)，有两种支撑方 式(表1)：

裹1

中心支撑方式中间支撵方式 (1)4m以下的外径使用的业绩多。 (2)此类型当刀盘偏载荷作业难以 确保刀盘面板的强度。

(3)刀盘密封直径小，密封耐久，可 靠性高。

(4)土仓的土砂流动良好。

(5)进仓作业空间小。

广

著

——

(1)6m以上外径使用的业绩多。 (2)容易满足面板所需载荷强度。

适用于高载荷、偏载荷作业。

(3)刀盘密封难度较大。 (4)土仓的土砂流动较好。 (5)迸仓作业空间充分。

(3)外圈梁(加强结构强度)} (4)刀梁(安装刀具)； (5)搅拌棒(渣土改良)；

(6)渣土该良注入I：I(渣土改良)；

(7)N转接头(向刀盘的面板上输入泡沫或膨润土 及向超挖刀液压油缸输送液压油)；

(8)耐磨层：除了安装刀具，还需要焊接耐磨层对刀 盘本体进行保护，耐磨层一般有三种形式：

a用耐磨焊条堆焊耐磨网格或耐磨层，

b．焊接hardox500钢板； c．焊接耐磨复合钢板。 1．4刀盘的分类

(1)按结构形式分为：面板式和辐条式2种基本型 式

辐条式刀盘与面板式刀盘的比较表(表2) (2)按功能分：软土刀盘和复合式刀盘

表

_______2

比较刀盘形式 项目面板式幅条式 刀盘

—一、—-乎飘—一x≯V

1 土仓

—]卜

； ，

结构

——亩，一

一般存在3个压力：P1为开挖只有一个压力P，密封舱内 面～面板之间；P2为面板开口土压计压力与开挖面的压 进出口之间I P3为面板与密封力相等，PI=P3，因而平衡 土压

舱内壁之间(即土压计压力)。压力易于控制。

2 其中：P2有扭转产生的抵抗压

管理

力，受面板开口影响不易确定， 而P3=P1-P2开挖面压力不易控 制，同时控制压力实际低于开 挖面压力。

开口部的渣土容易产生附着和渣土流进性好，进渣通畅，

3 泥饼

凝结，进而形成泥饼。不易形成泥饼。

负载刀盘扭矩阻力大，需增加设备刀盘扭矩阻力小，设备造

4 及磨能力，造价高，刀具磨损较快。价低，刀具磨损较小。

损

对各种类型的地层均能适应， 结构简单，强度稍弱，开口 结构

刀盘即使被磨损仍能保持整体率大，仅能适应特定的地

5 强度不发生变形、在半仓掘进时层、辐条式刀盘要求严格

特点

面板对开挖面有一定机械支撵实施满仓掘进。 作用。

隧道施工总是在一定的施工环境(基础地质、工程 地质、水文地质等)中进行，按其变化程度可分为均一地 层和复合地层。均一地层可分为两种：单纯的软土地层 和单纯的硬岩地层。 a．软土刀盘

在软弱土地层一般只需配置切削型刀具，如切刀、 边刮刀、中心刀等即软土刀盘，图2所示。

图2

b．复合式刀盘

复合地层的组合方式非常复杂多样，但总的来说可 分为三大类：一类是在掘进断面上不同地层的组合；一

2010．05建设机械技术与蕾理1 01

万方数据

类是在掘进轴线方向上不同地层的组合；另一类是上述 两者兼而有之。在广州、南京、深圳的地铁修建中都遇到 了大量的复合地层。为了应对不同的地层条件，发明了复 合盾构技术。复合盾构技术是根据掘进面不同的地层条 件，盾构机采用不同的掘进模式，例如土压平衡模式、气 压平衡模式及非土压平衡模式等。在复合式地层，也要求 刀盘采用混合式设计，即在同一个刀盘上同时布置2种 或2种以上的类型的刀具，刀和滚刀并存，图3所示。

围3

1．5刀盘的几个概念

(1)开VI率：开口面积站整个面积的百分比，一般化

0％～65％‘

(2)刀间距：指在直径方向上，相邻两条轨迹上的刀

具之间的距离，一般在设计中要综合考虑刀间距。距离 过大影响切削效果过小又会造成浪费； (3)刀高：指刀具深处面板的高度； (4)刀具高差：指不同刀具之间的高度差。

2刀具

刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常重要 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两类：一是切削类刀具，二 是滚动类刀具。 2．1切削类刀具

(1)刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀 具，刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的切 削刃具类有边刮刀、切刀、齿刀、先行刀、仿形刀等。 (2)先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置，

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因此也称为超前刀。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，一般设计为切刀的一半，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。 (3)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。鱼尾刀的设计和布置 技术如下：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他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，又大大提高盾构整体掘进效果。 (4)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，通过一个液压油缸来控制仿形刀的伸 出量，从而控制超挖范围。图4所示：

(a)球齿滚刀(”楔齿滚刀 圈4钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀

2．2滚动刀具(滚刀)