南京长江隧道盾构刀具设计改进及工程应用研究
中铁十四局运用德国盾构技术攻克南京长江隧道纪实
中铁十四局运用德国盾构技术攻克南京长江隧道纪实内容提示：南京长江隧道全线贯通,标志着我国在特殊不良地质条件下水下隧道建设取得了重大成功,标志着中国铁建已经掌握了世界上最先进的超大型盾构的推进和超大型隧道的建造技术。
延伸阅读：中铁十四局南京盾构长江隧道一次成型的钢铁巨无霸在水下隧道工程中，采用近15米超大直径盾构机施工的项目，我国仅有三个：已经建成的上海长江隧道、上海中上路隧道和南京长江隧道。
从技术含量看，南京长江隧道是技术难度最高、水土压力最大、地质条件最为复杂的深水隧道。
（参考《》）南京长江隧道左右线施工，采用的是两台德国海瑞克公司生产的泥水平衡式盾构机。
每台盾构机有3万多个大小零部件，总长134米，总重近4000吨。
一共分几十船从德国运到南京，又动用了200多辆超大型货车才运到工地。
其中刀盘直径达14.93米，相当于5层楼高，重达400多吨，是目前国内盾构机刀盘整体下井实例中重量最大的。
这两台当今世界水下隧道施工最先进的大型综合设备，是十四局集团斥资7亿多元，专门为南京长江隧道量身定做，称得上是让水下隧道一次成型的钢铁巨无霸。
攻克世界级技术难题这两台泥水平衡盾构机，要在南京长江隧道中成功运用，需要破解六大世界级技术难题：14.93米的刀盘直径是当今世界上直径最大的盾构机之一；隧道最低点水土压力高达0.65兆帕，居世界同类隧道之最；隧道在江底穿越淤泥、粉细砂、砾砂、卵石和风化岩等，地质情况极为复杂；强透水层占总掘进长度的85%以上，为国内外罕见；覆土厚度远低于盾构隧道常规安全埋深要求，构成高风险超浅埋段；掘进距离长达3公里多，在石英含量高的砂层中盾构机刀具磨损系数是软土地层中的10倍以上。
十四局集团建设者面对的这些技术难题都是全新的挑战，国内外尚无成功经验可以借鉴。
因此，专家断言南京长江隧道堪称长江流域水下工程施工难度最大、科技含量和风险性最高、挑战性最强的工程项目。
在建设单位南京长江隧道公司的组织和专家组的指导下，十四局集团对德国技术进行引进消化吸收再创新，破解了诸多重大技术难题，创下了成型隧道不渗、不漏、不裂的工程奇迹。
南京地铁十号线长江隧道总体方案设计研究
南京地铁十号线工程是南京市首条开工建设的过
中，透水性和富水性差；微承压水含水介质为粉细砂、
江地铁线路。其中，江心洲站—滨江大道站区间为本
砾砂以及砾石层中，透水性和富水性好；碎屑岩类裂隙
工程的过江段，线路穿越长江，区间全长约 4.25km，是
水赋存于白垩系浦口组泥岩、粉砂质泥岩裂隙中，富水
南京市继纬七路、纬三路长江隧道后的第三条过长江
隧道的使用功能、
工程造
险、环境影响、通风防灾、疏散救援等多方面对采用大、
中、小盾构方案进行了比较研究，详见表 1 所述。
如若采用沉管法，存在以下一些缺点：①为了管节
地貌单元内，地层为第四系松散层和白垩纪上统浦口
的制造和运输，施工期间需要在江边施做较大的干坞，
组基岩，松散层岩性主要为杂填土、淤泥、淤泥质粉质
对局部航道及防潮防汛有一定影响；②长江河床的最
* 收稿日期：2019-03-22
修回日期：
2019-03-26
作者简介：张美聪（1980-），
男（汉族），
湖南邵阳人，
高级工程师，
现从事隧道与地下工程方面的设计研究工作。
2019 年第 12 期
173
西部探矿工程
大冲刷深度达 10.3m，加上必要的覆土厚度，沉管隧道
南京地铁十号线过江隧道方案采用盾构法施工方案。
基槽开挖深度及宽度较大，再加上气候和水流条件影
2.3
响，基槽开挖难度大；③沉管施工，对长江航道将造成
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
性较差，视为弱含水层。
隧道，同时也是国内首条单洞双向大直径盾构过江地
2.2
铁隧道。过江隧道所处位置江面宽约 1900m。
1.2
过江施工方案选择
盾构隧道施工技术研究与改进方案设计
盾构隧道施工技术研究与改进方案设计一、引言盾构隧道是现代城市地下交通建设和地下综合利用的重要技术手段之一，其施工技术的研究与改进对于提高工程施工效率、降低施工风险和保障工程质量具有重要意义。
本文以盾构隧道施工技术的研究与改进为主题，结合实际工程项目经验，阐述了盾构隧道施工技术的研究现状、存在问题以及具体改进方案设计。
二、研究现状分析1. 盾构隧道施工技术的发展历程与现状：介绍了盾构隧道施工技术的发展历程，包括国内外的研究成果和重要实践案例。
分析了当前盾构施工技术的主要特点和存在的问题，如施工效率低、风险控制不足、质量难以保障等。
2. 盾构隧道施工技术的关键技术与难点：探讨了盾构隧道施工技术中的关键技术与难点，如地质勘察与预测、隧道导向与控制、地下水处理与围岩加固等。
分析了这些技术与难点在实际工程中的作用和所面临的挑战。
三、改进方案设计1. 地质勘察与预测方案设计：针对盾构隧道施工中存在的地质问题，提出了一套全面有效的地质勘察与预测方案设计。
包括综合利用地质勘察、地下水位监测、地震预测等手段，准确全面地评估地质环境的复杂程度，并制定相应的施工方案和应急预案。
2. 盾构隧道导向与控制方案设计：针对盾构隧道施工中常见的导向与控制问题，提出了一套先进可靠的导向与控制方案设计。
结合先进的导向仪器和控制技术，确保盾构隧道施工的准确性和稳定性，避免施工过程中可能发生的偏移、塌陷等问题。
3. 地下水处理与围岩加固方案设计：针对盾构隧道施工中常见的地下水问题和围岩稳定性问题，提出了一套科学有效的地下水处理与围岩加固方案设计。
充分利用现代水力学和土力学知识，制定合理可行的地下水处理方案和围岩加固方案，保障盾构隧道施工的安全性和稳定性。
四、案例应用与效果评估本文结合具体的盾构隧道施工项目，对改进方案进行了应用，并对应用效果进行了评估。
通过实际工程的应用，验证了改进方案的可行性和有效性。
具体案例包括盾构隧道施工的技术路线选择、关键节点控制、地质问题处理等。
盾构机械刀具结构的优化设计与改进
盾构机械刀具结构的优化设计与改进一、引言盾构机械是隧道工程中常用的工具，其刀具结构的优化设计与改进对提高作业效率、降低成本具有重要意义。
本文将主要探讨盾构机械刀具结构的优化设计与改进方法。
二、盾构机械刀具的常见问题在实际操作中，由于盾构机械刀具的结构存在一些不足之处，所以需要进行改进优化。
常见的问题包括：1. 刀具寿命短：由于工况恶劣，刀具容易磨损，影响作业效率；2. 切削质量低：刀具设计不合理，导致切削过程中出现振动、噪音等问题，影响切削质量；3. 刀具更换困难：传统的刀具结构存在更换困难的问题，需要减少停机时间。
三、盾构机械刀具结构的优化设计方法为了解决上述问题，可以采取以下优化设计方法：1. 刀具材料的选择：选择高硬度材料，并且具有抗磨损、抗冲击的特性，可以延长刀具使用寿命。
2. 刀具结构的改进：采用合理的几何结构和刀片位置安排，减少切削振动和噪音，提高切削质量。
3. 刀具润滑措施：合理设计刀具的润滑系统，减少切削温度和磨损，延长刀具寿命。
4. 刀具更换系统的改进：采用快速更换刀具的设计方案，简化更换过程，提高作业效率。
四、盾构机械刀具结构的改进方案基于以上优化设计方法，可以提出以下改进方案：1. 刀具材料的选择：选择高硬度、高抗磨损的工具钢作为刀具材料，如M2高速钢，提高刀具的耐磨性。
2. 刀具结构的改进：优化刀片的几何结构，减少切削振动和噪音。
同时，采用合理的固定方式和刀片位置安排，提高切削质量。
3. 刀具润滑措施：设计刀具的润滑系统，采用恰当的冷却液和润滑剂，减少切削温度和磨损。
并且，可以考虑使用涂层技术，提高刀具表面的硬度和润滑性。
4. 刀具更换系统的改进：引入快速更换刀具的设计方案，例如采用夹紧机构和快速装卸机械手等，使刀具更换过程更加高效和方便。
五、盾构机械刀具结构的改进效果评估对于上述改进方案，可以通过实验和数据分析来评估其改进效果。
主要考虑以下几个方面：1. 刀具寿命：通过对比改进前后的刀具寿命，可以评估刀具材料和润滑措施的效果。
常压更换刀具换刀程序和改进方案
图 ２ 常压下可更换刀具结构图 Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅｏ ｆ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇｔ ｅ ｅ ｔ ｈｔ ｈ ａ ｔ ｃ ａ ｎｂ ｅｒ ｅ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｄｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ａ ｔ ｍ ｏ ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ
２ ７ ． ５ ｋ ｇ ／ ｃ ｍ ， 隧道所穿越的主要地层包括填土和淤泥
质粉质黏土、 粉土、 粉砂、 粉细砂、 砾砂、 圆砾以及少量 强风化粉砂质泥岩， 地层的透水性较强（ 渗透系数达
－ ３ － ２ １ ０ ～ １ ０ ｃ ｍ／ ｓ ） ， 水文地质情况比较复杂。在盾构
掘进期间， 曾多次进行常压更换刀具的检查、 更换， 下 面介绍常压更换刀具的换刀程序。
２ ． ２ 常压更换刀具的拆卸步骤 在常压下拆卸更换刀具前， 首先准备好有关的工 具， 包括葫芦、 导向螺杆、 拆装螺杆、 扳手、 闸门开闭专 用油缸和手动液压泵等， 具体步骤如下： １ ） 刀盘旋转到位。首先将安装了拟拆卸刀具的 刀盘辐条旋转到 ６点位置， 便于施工人员进入刀盘辐 条内工作； 然后打开刀盘中心锥上的舱门通风换气， 安 装从盾构机到该辐条的气管、 水管和照明线路等， 并安 装吊装刀具的葫芦。 ２ ） 安装导向杆与闸门开闭油缸。 ① 拆除位于刀 具尾部的用来安装导向螺杆的螺栓， 见图 ３ 。 ② 将导 。 向螺杆安装至上一步所拆除螺栓的螺栓孔中， 如图 ４ 如图 ５ 。 ④ 将刀具闸门开闭 ③将拆装螺杆安装到位， 专用油缸与闸门两端连接固定起来， 如图 ６ 。 ⑤ 将手
＋ 中图分类号：Ｕ４ ５ ７ ． ４
文献标志码：Ｂ
文章编号： １ ６ ７ ２－ ７ ４ １ Ｘ （ ２ ０ １ ０ ） ０ ３－ ０ ３ ３ ９－ ０ ５
盾构机刀盘刀具的设计与优化
盾构机刀盘刀具的设计与优化盾构机是一种用来建设城市地下隧道的重要工程机械，而刀盘刀具又是盾构机中的核心部件之一。
刀盘刀具的设计与优化对盾构机的工作效率和质量至关重要。
在本文中，我们将探讨盾构机刀盘刀具的设计原则、优化策略以及一些新技术的应用。
首先，盾构机刀盘刀具的设计应考虑以下几个方面：刀具材料的选择、刀具形状的优化以及刀具的布置方式。
刀具材料应具有一定的硬度和耐磨性，以保证刀具在长时间工作中不易损坏。
常见的刀具材料有高速钢、硬质合金等。
刀具的形状优化主要是为了提高切削效率和降低切削力，一般采用多刀刀盘设计，以增加刀具数量和刀具布置的灵活性。
刀具的布置方式则需根据具体工程项目的要求和地质条件来确定，以确保刀具能够适应不同的地质环境。
其次，盾构机刀盘刀具的优化策略主要包括刀具的布置优化、刀具参数的优化以及刀具寿命的优化。
在刀具布置优化方面，可以采用非对称布局、间距调整等方法来改善刀具的使用效果。
刀具参数的优化则需要通过合理选择刀具的直径、刀具间距、刀具角度等，以提高切削效率和降低切削力。
刀具寿命的优化可以通过改进刀具材料、刀具涂层等方式来延长刀具的使用寿命，降低更换频率，从而提高盾构机的工作效率。
另外，近年来，一些新技术的应用也为盾构机刀盘刀具的设计与优化带来了新的机会。
其中，数值模拟技术是一种非常有效的方法。
通过建立盾构机工作的数值模型，可以对刀具受力情况进行仿真分析，预测切削力、刀具磨损情况等，从而指导刀具的设计与优化。
此外，激光测量技术也可以用于实时监测刀具的磨损情况，及时调整刀具参数，提高盾构机的工作效率。
在实际应用中，盾构机刀盘刀具的设计与优化需要结合具体工程项目的要求和地质条件进行深入研究。
同时，应重视刀具的维护和管理，定期进行刀具的检查、修复和更换，以确保刀具的正常工作和延长使用寿命。
总结起来，盾构机刀盘刀具的设计与优化是提高盾构机工作效率和质量的重要环节。
通过合理选择刀具材料、刀具形状以及刀具布置方式，优化刀具参数和刀具寿命，并结合新技术的应用，我们可以提高盾构机的工作效率，降低切削力，提高切割质量，从而为城市地下隧道的建设贡献力量。
南京长江隧道工程盾构始发方案
南京长江隧道工程盾构始发方案清晨的阳光透过窗帘的缝隙，洒在桌面上，我拿起笔，思绪开始飘散。
关于南京长江隧道工程的盾构始发方案，我已经构思了许久，现在，就让我用这流畅的文字，将这份方案一气呵成。
一、项目背景南京长江隧道工程，是我国长江流域的一项重大基础设施项目，全长约10.3公里，西起南京江北新区，东至南京主城区。
工程采用盾构法施工，盾构直径达14.93米，是我国直径最大的盾构隧道之一。
项目建成后将大大缓解南京过江交通压力，促进两岸经济发展。
二、盾构始发方案1.始发井建设盾构始发井位于江北新区，占地面积约2000平方米。
井内设置盾构机安装、调试、维修等设施，同时配备相应的供电、供水、通风等系统。
始发井建设采用明挖法施工，确保施工安全、高效。
2.盾构机选型3.盾构始发程序（1）盾构机安装调试在始发井内，将盾构机各部件组装完毕，并进行调试。
确保盾构机在始发前各项性能指标达到最佳状态。
（2）盾构机进洞盾构机进洞前，需要对洞口进行加固处理，防止土体流失。
进洞时，要注意控制盾构机姿态，确保顺利进入隧道。
（3）盾构机推进盾构机推进过程中，要密切关注地质条件变化，调整推进参数。
同时，加强对盾构机的维护保养，确保施工顺利进行。
（4）盾构机出土盾构机出土过程中，要合理控制出土速度，避免对地面产生影响。
出土后的渣土要及时外运，减少对环境的影响。
4.施工安全措施（1）加强监测施工过程中，要对地面、地下水位、隧道结构等进行实时监测，确保施工安全。
（2）应急预案针对可能出现的突发情况，制定应急预案，确保施工过程中能够迅速应对。
（3）人员培训加强施工人员培训，提高安全意识，确保施工安全。
三、施工进度安排南京长江隧道工程盾构始发方案预计施工周期为24个月。
具体进度安排如下：1.始发井建设：3个月2.盾构机安装调试：2个月3.盾构机进洞：1个月4.盾构机推进：15个月5.盾构机出土：2个月6.施工验收：1个月四、项目效益1.缓解过江交通压力，提高交通效率。
(南京)长江隧道超大直径盾构掘进施工技术
K6+20 K6+620
K30+73
0
K6+03
K06+500
0
0
★超浅覆土始发与到达：由于受线路控制影响，本工程盾构始发段属于超
浅埋，最浅覆土厚度为5.5m，仅为0.37D，主要穿越地层为流塑状的④层淤泥质
粉质粘土和⑥层淤泥质粉质粘土夹粉土，在国内盾构超浅覆土始发施工中尚属首例，
施工技术难度非常大。
地段均段采取水土分算的方法进行计算，同时结合本工程地质特点及刀盘对掌子面
的支撑作用，关键要根据地表监测数据，对理论计算的泥水压力P及1=时Kγ进sa行th 修正。
●泥水压力上限值: P上=P1＋P2＋P3= K0[γ×(H h) ＋γsat×h]＋20
●泥水压力下限值:
P下=P1＋P2＋P3= Ka [γ×(H h) ＋γsat×h]＋20
掘进③施推工进总速推度力的最快大慢不必易须大满于足额每定环总掘推进力注的浆70量％的进要行求控，制保。证同步注浆系统始 终处于良好工作状态。
④掘进速度选取时，必须注意与地质条件和地表建筑物条件匹配，避免速度选择不 合适对盾构机刀盘、刀具造成非正常损坏和造成隧道周边土体扰动过大。
18
第十八页，共39页。
掘进非扭加固矩浅综覆合考K3虑+65。5~
土
+730
1.8～2.4
30000～ 45000
30～40
0.7～0.9 33.3～57.1 1.8～3.0
◆长根江据大堤海瑞克K+73设8+07计30~生产2.4的～3盾.0 构机450000性0000能～ 参30数～和40 本项0.8目～1地.0 质3水0～文50特点2，.0～依3.据0 盾构试掘
盾构机刀盘设计与刀具优化分析
盾构机刀盘设计与刀具优化分析引言：盾构机刀盘是现代隧道工程中不可或缺的工具，其设计和刀具的优化分析对于提高隧道工程的效率和质量至关重要。
本文将会就盾构机刀盘的设计要点和刀具的优化分析进行详细探讨，希望能够为相关从业人员提供有价值的参考。
一、盾构机刀盘设计要点1.适宜的刀盘直径选择：刀盘直径的选择需要根据具体的隧道工程情况进行合理的选定。
通常情况下，刀盘直径不宜过大，以免给隧道掘进带来过大的应力。
同时，刀盘直径也要足够大，以确保刀盘能够顺利穿越地下障碍物。
2.刀盘结构的设计：刀盘结构的设计需要考虑刀盘的整体强度和稳定性。
首先，需要选择适宜的刀盘材料，以确保其正常工作状态下不会发生破损。
其次，刀盘的结构应该具备合理的刚性和刚度，以能够对复杂的地质情况和地下水力进行有效的抵抗。
3.刀盘导向系统的设计：刀盘导向系统是刀盘在掘进过程中的重要支撑系统，其设计的合理与否直接影响着刀盘的准确定位和稳定性。
因此，需要在设计中充分考虑刀盘导向系统的刚度和韧性，以确保刀盘能够准确地控制掘进方向并避免出现误差。
二、刀具的优化分析1.刀具材料的选择：刀具材料的选择直接影响着刀具的使用寿命和切削效率。
通常情况下，刀具应选择硬度较高、耐磨性能好的材料，以确保刀具在长时间的切削过程中不会出现过快的磨损和损坏。
2.刀具结构的优化：刀具结构的优化主要包括刀具形状和刀具排列方式的设计。
在刀具形状方面，需要选择适合具体地质条件的刀具形状，以确保切削效果的良好。
在刀具排列方式上，需要根据地质情况和工程要求进行合理的选择，以避免切削过程中的堵塞和卡刀现象。
3.刀具切削参数的优化：刀具切削参数的优化是提高切削效率和减少刀具磨损的关键。
在设计中，应合理选择切削速度、进给量和切削深度等参数，以确保刀具在长时间的切削过程中保持稳定的磨损状态和高效的切削效果。
结论：盾构机刀盘设计和刀具的优化分析对于隧道工程的顺利进行和质量的保障具有重要意义。
通过合理的刀盘设计和刀具优化分析，可以提高隧道工程的效率和质量，降低工程风险，为隧道工程从业人员提供更好的工作条件。
盾构机械刀具材质及结构优化设计研究
盾构机械刀具材质及结构优化设计研究一、引言盾构机械在现代地下工程建设中发挥着重要的作用。
盾构机械的刀具是其中关键的部件之一，对其材质及结构的优化设计研究能够提高盾构机械的工作效率、降低刀具磨损、延长刀具使用寿命。
本文旨在对盾构机械刀具材质及结构进行优化设计研究，以期提供工程实践的参考。
二、盾构机械刀具材质的选择1. 磨损性能：刀具的磨损性能直接影响盾构机械的工作效率和刀具的使用寿命。
优化设计应考虑刀具耐磨性能，选择耐磨性较好的材料，如高硬度合金、陶瓷材料等。
2. 强度和韧性：盾构机械在地下工程中面临着复杂的工况和高强度的土壤压力。
刀具需具备足够的强度和韧性，以抵御土壤的冲击和挤压。
高强度合金、高速钢等材料可作为刀具材质进行考虑。
3. 耐腐蚀性能：水环堵剂和泥浆等工作环境下，刀具容易受到腐蚀。
因此，在材质选择上应考虑刀具的耐腐蚀性能，选择具有良好腐蚀抗性的材料，如不锈钢、高合金材料等。
三、盾构机械刀具结构的优化设计1. 刀具形状设计：刀具的形状设计直接影响刀具的工作效率和磨损情况。
优化设计应考虑刀具的切削角度、刀尖弧度、侧刃角度等参数，以减小刀具与土壤的摩擦力和抗磨损能力。
2. 刀具刃口设计：刃口设计是刀具结构优化的重要方面。
应考虑刃口的形状、数量和排列方式，以实现刀具的良好切削性能和刀具寿命的最大化。
同时，还要合理设计刀具的刀刃角度，以提高切削效率。
3. 刀具固定机构设计：刀具固定机构直接影响刀具的稳定性和刀具在工作过程中的振动情况。
应考虑固定机构的刚性和稳定性，以提高刀具的工作精度和切削效率。
同时，还要根据具体刀具的工作情况，选择合适的固定材料和方式。
四、盾构机械刀具材质及结构优化设计的实验研究针对盾构机械刀具材质及结构优化设计，可进行以下实验研究：1. 材料对比实验：选取不同材料的刀具，进行切削实验，比较不同材料刀具的耐磨性能、耐腐蚀性能和切削效率，以找出最优材料。
2. 结构参数优化实验：针对刀具的形状、刃口和固定机构等结构参数，设计实验方案进行对比实验，分析不同参数对刀具性能的影响，以找出最优的结构设计方案。
盾构刀具异常磨损及改进研究
ｔｏ ｘｔ ｓ ｆ ｒ ｉａ ｏｅ ，ｈｃ ｏｌ ｋｎａ ｆｒｎｅ ｒ ｉ ｉｒ ｒ ｅｔ． ｏｌｉｓ ｍｅ ｉ ｎ ｎｓｗ ｉ ｃｕｄｂ ｔ ｅ ｓ ｅ ｅｃ ｍｌ ｏ ｅｓ ｓｓ ｉ ｉ ｏ ｏ ｇ ｌ ｈ ｅａ ｒｅ ｏ ｆ ｓ ａｐ ｊ
Ｋ ｙ ｗｏ ｄ ｓｕ ｒ ｈ ｅｄ； ｒ ｖ ｍｅ ｔ ｆ ｏ ｌ ａ ｎ ｒ ａ ｒ ｓｏ ； ａ ｅ ｔａｕ ｅ ｒ ｓ： ｌｒｙ ｓ ｉ ｌ ｉ ｏ ｅ ｎ ｏ ； ｂ ｏ ｌ ａ ａ ｉ ｎ ｇ ｖ ｌ ｒ ｔ ｍ ｍｐ ｏｔ ｍ ｂ ｒ ｓ
随着我 国基础 建设 的发展 ． 构 用 于 隧道 开挖 盾 越 来越 普遍 ，但砾 砂 一 卵 石地 层一 直 是 困扰 盾构 砂 掘 进 的一个 难 题 ， 在此 地 层 因刀盘 刀 具设 计 不 良导 致停 机事 故在 国 内时 有发 生 。 在建 南京 长江 隧道 采用 ２台直径 １．３ｉ 泥 ４９ ｎ水 加压 平衡 盾 构机 分左 、 线 隧道 施 工 。原 刀具 按 一 右 次掘 进 中途不 换 刀进 行设 计 和配 置 。 右线 盾 构进 但
Ａｂ ｔ ｃ ：ｎ ｄ ａ ｉｇ ｗｉ ｅ ａ ｎ ｒ ｌ ｒ ｓｏ ａ ｐ ｎ ｄ ｔ ｈ ｏ ｌ ｆｔ ｅ ｌｒ ｅ ｄ ａ ｔｒｓｕ ｒ ｈ ｅｄ ｍａ ｈ ｎ ｓ ｉ ｓ ｒ ｔ Ｉ ｅ ｌ ｔ ｔ ｂ ｏ ｍａ ａ ａ ｉｎ ｈ ｐ ｅ ｅ ｏ ｔ ｅ ｔｏ ｓｏ ａ ｇ － ｉｍｅｅ ｌｒｙ ｓ ｉｌ ｃ ｉ ｅ ｎ ａ ｎ ｈｈ ｂ ｈ
隧道所 处 地层 上部 松 散粉 细砂 ，中部 中密～ 密 实粉细砂 ， 下部为密实状砾砂、 圆砾等 。盾构隧道穿 越 地层 以粉细 砂地 层 和砾 砂地 层 为 主 ， 砾 石含 量 卵 为 ２ ％～０ 分 布不 均匀 ， 层 密 实 ， ０ ４ ％， 地 部分 胶 结 ， 卵 石最 大粒径 达 ３０ｍ 砾砂 和 圆砾 的点载荷 抗压 强 ０ ｍ．
中铁十四局集团公司南京长江隧道工程第五项目部创新管理提升盾构隧道管片生产专业水平
科技信 息
。建筑 与工程 ｏ
Ｓ ＩＮ Ｅ＆Ｔ Ｃ Ｏ ＯＧ Ｎ Ｏ ＭＡ Ｉ Ｎ ＣＥ Ｃ Ｅ ＨＮ Ｌ ＹＩＦ Ｒ ＴＯ
２０ ０ ８年
第１ ４期
中 十四 集团 南 长 隧 程 五 部 铁 局 公司 京 江 道工 第 项目 创 管 提升 构 道管 生 专 水平 ‘ 新 理 盾 隧 片 产 业
胡洪 安
南 京 长 江 隧 道 工 程 指 挥 部 第 五 项 目部 是 由 中 铁 房 山 桥 梁 公 司 组
王伯 海
三 、 过 程 环 节调 控 中 把 握 一个 “ ” 在 严 字
建 的 专 业施 工 队伍 ， 有 员 工 ４ ８人 。 队伍 ２０ 现 ３ ０ ６年 ６月 陆 续 进 场 ， 主 管 片和 箱 涵 生 产 是 以满 足 盾 构 掘 进 工 期需 要 为 前 提 的 ，工 期 、 质 要 担 负 南 京 长 江 ６公 里 长 盾 构 隧 道 所 用 直 径 １． 管 片 和 箱 涵 生 产 量 标 准差 一 点 都 不 行 。 对 工 期 把 握 ， 目 部 以 只争 朝 夕 的 精 神 ， 建 ４５米 项 从
管片钢筋具有圆弧多 、 栓多 、 位孔多 、 浆孔多 、 埋件多等特点 ， 序 ， 时， 物工程以每 一片管 片 、 一道丁序 作为一个单 元 ， 螺 定 压 预 同 实 每 与绩 效
钢 筋 下 料 要 求 尺 寸 公 差小 ． 直 标 准 高 ． 千 根 钢 筋 成 笼 由 ２ ０ 弯 数 ０ ０多 个 考 核 挂 钩 。 星 期 组 织 一 次 检 查 ， 月进 行 一 次 评 比 ． 确 保 工 程 进 度 每 每 以 严 项 既是 房 焊 点 连 续 而 成 ． 筋 密 ， 接 难 度 相 当 大 。 房桥 公 司 凭 借 砼 构 件 生 产 、 和 质量 受 控 。第 三 、 格 各 级 人员 的 岗位 职 责 ， 目经 理 赵 誉 ， 笼 焊
盾构机刀盘刀具磨损分析与改进
盾构机刀盘刀具磨损分析与改进一、引言盾构机是一种用于地下隧道开挖的机械设备，其刀盘刀具是关键部件之一。
刀盘刀具的磨损情况直接影响到盾构机的开挖效率和寿命。
本文将对盾构机刀盘刀具磨损进行分析，并提出改进措施，以提高盾构机的工作效率和使用寿命。
二、盾构机刀盘刀具磨损分析1. 磨损形式刀盘刀具主要有刀头、滚刀、凿岩头等组成。
在盾构机开挖过程中，刀具与隧道地层不断磨擦，导致刀具磨损。
刀盘刀具主要磨损形式包括磨耗磨损、断裂磨损和自擦磨损。
磨耗磨损是最为常见的磨损形式，主要是因为刀头与地层的摩擦导致切削面材料磨损。
断裂磨损则是刀盘刀具在工作时由于受到剧烈冲击或超过其材料强度限制造成的断裂现象。
自擦磨损是指刀头上的刀具与切削面之间的磨损，主要是因为刀具材料之间的磨擦产生摩擦热而引起的。
2. 磨损原因刀盘刀具的磨损主要受以下几个方面的影响：（1）地层硬度：地层硬度越大，刀具与地层摩擦力越大，磨损程度也越大。
（2）地层结构：地层的裂隙、节理等结构对刀具磨损具有一定影响。
（3）刀具材料：刀具材料的硬度、韧性、耐磨性等性能对磨损情况有直接影响。
（4）刀具设计：刀具的形状、角度、排布等设计因素会直接影响磨损情况。
三、刀盘刀具磨损改进措施1. 材料优化刀盘刀具的材料选择至关重要。
根据地层的硬度以及磨损形式，选用具有良好硬度、韧性和耐磨性的材料，可以有效延长刀具的使用寿命。
目前，硬质合金、高速钢等材料被广泛应用于刀盘刀具制造。
2. 刀具设计改进通过改进刀具的形状、角度和排布等设计因素，可以降低刀具的磨损程度。
例如，合理的刀具刃角可以减少切削阻力和磨损；适当增加刀头与地层的接触面积，可以分散磨损力，延缓刀具的磨损速度。
3. 切削液的应用在盾构机开挖过程中，切削液的应用可以减少刀具与地层之间的摩擦阻力，从而降低刀具的磨损程度。
合适的切削液类型和浓度可以根据具体地层情况进行调整。
4. 定期检测和维护定期对刀盘刀具进行检测，及时发现和修复磨损、断裂等问题，可以保持刀具的良好工作状态，延长使用寿命。
盾构机刀盘及刀具设计优化
盾构机刀盘及刀具设计优化盾构机是一种专门用于隧道掘进的工程机械装备，它在地下工程中起到了至关重要的作用。
盾构机的刀盘和刀具作为关键部件，直接影响着盾构机的掘进效率和质量。
因此，对于盾构机刀盘及刀具的设计优化具有重要意义。
首先，盾构机刀盘及刀具的设计需考虑到地质条件、盾构机类型和掘进要求等因素。
地质条件直接影响到盾构机的切削阻力和切削速度，需要对刀盘结构和刀具的数量和类型进行合理选择。
盾构机类型也会对刀盘设计产生影响，如土压平衡盾构机和非土压平衡盾构机，需要在设计中考虑到盾构机的形式尺寸和刀盘的结构强度。
此外，根据掘进要求，刀盘和刀具的尺寸、形状和材质也需要进行相应的优化设计。
在盾构机刀盘及刀具设计中，刀盘的结构应合理布局，刀具的材质和形状应选择适当。
刀盘结构应考虑到刀具的均布性和稳定性，以确保刀具在掘进过程中的正常工作和寿命。
刀盘的布置应遵循合理的原则，以确保刀具之间的间隙和配合尺寸符合要求，减小刀具在挖掘过程中的卡住和堵塞现象。
同时，刀盘的强度和刚度应满足设计要求，以承受掘进时的切削力和地质应力。
刀具的选择和设计是盾构机刀盘和刀具设计优化的重要部分。
刀具的材质应考虑到其硬度、耐磨性和抗冲击性等特性，以延长刀具的使用寿命和维持切削效果。
在刀具形状设计中，需要考虑到刀具的切削角度、刀片形状和锋面处理等参数，以提高切削效率和切削质量。
刀具形状的设计可以根据地质条件和掘进要求进行优化，以实现最佳的切削效果和刀具寿命。
此外，在盾构机刀盘及刀具设计优化中，还可以考虑引入先进的技术手段和智能化控制系统。
例如，利用仿真软件对刀盘和刀具进行数值模拟分析，优化刀盘结构和刀具布局，以提高掘进效率和质量。
同时，可以利用智能传感器和监测系统实时监测刀盘和刀具的工作状态，及时发现问题并进行调整和维修。
总之，盾构机刀盘及刀具的设计优化对于提高盾构机的掘进效率和质量具有重要作用。
在设计过程中，需要考虑地质条件、盾构机类型和掘进要求等因素，合理布局刀盘结构和选择刀具材质。
复杂工况下盾构机刀具修复方案的适应性选择
及 圆砾石 等 地层 。其 中穿 越 砾 砂 、 圆砾 地 层 施 工 地 段 占整 个 隧道 长度 的 ４ ３ ． ８ ％ 。该 地层 具 有上 软 下 硬 、 透 水性强 、 施 工 难度 大 等 特点 。 １ ． ３ 盾构 设 备相 关 主 要参 数 刀盘 驱 动 总 功 率 ３ ７ ５ ０ ｋ Ｗ， 最 大 扭矩 ４ ． ５ 万
辐臂上安装大铲刀 ， 刀盘的开 口率为 ２ ８ ％。
Ｌ Ｉ Ｕ Ｑ 凡 ｇ— ｗ ｅ ｎ
（ Ｔ ｈ ｅ Ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｈ ｅ ａ 由ｕ ａ ｒ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ Ｃ Ｒ Ｃ Ｃ
Ｎｎ ｉ ｎ ｇ Ｙ ｏ ｕ ｔ ｈ Ｏｌ ｙ ｍ ｐｉ ｃ Ａ ｘ ｉ ｓ ．Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｎ∞ ｎ ｇ ２ １ ０ ０１ ９ Ｃｈ ｉ ｎ ａ
２ 盾 构 施 工及 停 机 原 因分 析
停 机位 置 在 第 ６ ８ ９环 ， 里程 Ｒ Ｋ ４＋ ９ ２ ４ 。通 过 对
右线盾构机刀具进行检查以及对江 中地质补充勘察 ， 结合掘进过程 中可更换刀具 的严重磨损情况 ， 确定 了 致使停机的主要原因： （ １ ） 地质原因， 砾砂层砾石含量 多， 地 层软 硬不 均 ， 石英 含 量 较高 ， 对 刀具 磨损 大。 （ ２ ） Байду номын сангаас备原因， 刀具 的设计与砾砂 圆砾复合地层不完 全适应 ， 导致刀具合金 头崩齿 、 破损 、 掉齿严 重 ， 磨 损
１ ８ ． ７ ５ ｍ， 盾构掘进断面下部为⑩砾砂层 ， 上部为⑧粉
细砂层 ， 盾 构顶 部 覆 土厚 度 为 ２ １ ． ４ ７ １ ｍ， 从 上 到下 分
盾构机械刀具设计与优化
盾构机械刀具设计与优化盾构机是一种用于隧道施工的重要设备，其刀具的设计与优化对于施工效率和隧道质量具有重要影响。
在本文中，我们将讨论盾构机械刀具的设计原理、结构优化和性能提升方法。
一、盾构机械刀具设计原理盾构机械刀具是指在施工过程中，通过刀具对土壤进行破碎、切割和挖掘的工具。
其设计原理主要包括以下几个方面：1. 土壤力学特性分析：通过分析隧道施工区域的土壤力学特性，确定刀具的适宜形状、材料和结构参数。
2. 切削力计算：根据土壤的物理力学参数和切削过程的力学原理，计算刀具受到的切削力和切削压力。
3. 刀具与盾构机匹配：根据盾构机的工作原理和结构特点，设计刀具与盾构机的匹配方案，确保刀具能够有效地运行和切削土壤。
4. 刀具的韧性和耐磨性：在设计刀具时，要考虑到土壤的不均匀性和难以预料的地质情况，选择具有良好韧性和耐磨性的材料，以延长刀具的使用寿命。
二、盾构机械刀具结构优化为了提高盾构机械刀具的使用效率和切削质量，可以对其结构进行优化。
以下是一些常见的优化方法：1. 刀具形状与尺寸优化：通过优化刀具的形状和尺寸，使其具备更好的破碎和切削能力，提高施工效率。
2. 刀具刃口材料选择：结合地质条件，选择具有较好耐磨性和强度的材料作为刀具刃口，以延长刃口使用寿命。
3. 刀具刃口的切削角度和锋利度：通过调整刀具刃口的切削角度和锋利度，提高刀具切削效果，降低能耗。
4. 刀具支撑结构优化：通过优化刀具的支撑结构，提高刀具的稳定性和切削精度，减少振动和冲击。
三、盾构机械刀具性能提升方法除了结构优化之外，还可以通过以下方法进一步提升盾构机械刀具的性能：1. 刀具自动化控制：采用自动化控制系统，实时监测刀具的工作状态和切削力，及时调整刀具的工作参数，提高切削效率和施工质量。
2. 刀具润滑和冷却：采用合适的刀具润滑和冷却系统，降低刀具磨损和温度，延长刀具寿命。
3. 刀具保养与更换：定期对刀具进行保养和更换，保持其正常工作状态，减少刀具故障和施工延误。
南京地铁盾构的刀具配置与维修
97CONSTRUCTION MACHINERY 2014.11施工技术CONSTRUCTION TECHNOLOGY南京地铁盾构的刀具配置与维修孟晶晶（南京河西工程项目管理有限公司，江苏 南京 210019）［摘要］针对南京地铁某区间隧道的地质条件，叙述了盾构刀盘的刀具配置、掘进施工参数、刀具的磨损及其维修，分析了刀具磨损的原因，从而指导了后续施工。
［关键词］盾构刀盘；刀具配置；维修［中图分类号］TU621 ［文献标志码］B ［文章编号］1001-554X （2014）11-0097-03Shield tunneling machine cutterhead configuration and repair in nanjing sunwayMENG Jing -jing盾构穿越的南京地铁某区间隧道，地层是大量全风化和中风化的花岗岩地层以及软硬不均的地层，属于典型的复合性地层（有软岩也有硬岩，一段软一段硬或上软下硬、密实胶结卵石土等软硬不匀的地层），对盾构的刀盘形式、刀具配置、维修和管理提出了特殊的要求，以便保证刀具的使用寿命，降低施工中频繁换刀的风险，保证施工质量和进度。
1 盾构刀盘形式及刀具配置1.1 刀盘形式南京地铁盾构所使用的刀盘为复合型刀盘，见图1。
左左左左右右右右图1 复合型刀盘结构示意图（1）刀盘结构为对称的4条辐条和4块面板组合而成，开口靠近刀盘的中心位置， 以利于中心部位碴土的流动［1］。
刀盘的开口率根据安装的刀具类型不同而有所变化，当全部安装硬岩刀具时开口率为28%。
（2）刀盘面板上共有8个泡沫注入口，用以注入泡沫剂、膨润土及其它添加剂，其中刀盘中心位置4个、刀盘外圈位置4个。
合理地使用泡沫剂，在硬岩地段掘进时能减少岩石对刀具和刀盘的摩擦力；在软岩地段掘进时能够降低刀盘的转矩，并防止刀盘中心部位出现泥饼，使刀具周围空隙被 堵塞。
（3）刀盘的周边焊有耐磨条，以保证刀盘在岩层掘进时的耐磨性能。
南京长江隧道盾构刀具设计改进及工程应用研究
南京长江隧道盾构刀具设计改进及工程应用研究
张公社
【期刊名称】《国防交通工程与技术》
【年(卷),期】2009(007)004
【摘要】在建南京长江盾构隧道区间总长约2 900 m,双洞双线六车道设计,区间主要为粉细砂和砾砂地层,原刀具设计为一次掘进中途不换刀,但实际施工过程中刀具磨损失效严重.针对南京长江隧道原装刀具失效现状,从地质、刀具布置、选材、工艺等方面对失效原因进行了全面分析,在此基础设计了刀具改进方案:加大刀刃硬质合金断面尺寸和单块合金宽度,改进焊接工艺,优化掘进工作参数.工程实践表明:新改进刀具完全适应当前地质条件,换刀距离由改进前不足50环(100 m)提高到普遍超过300环(600 m),工程经济效益明显.
【总页数】7页(P39-44,63)
【作者】张公社
【作者单位】中铁十四局集团有限公司,山东,济南,250014
【正文语种】中文
【中图分类】U455.31
【相关文献】
1.中铁十四局集团公司南京长江隧道工程第五项目部创新管理提升盾构隧道管片生产专业水平 [J], 胡洪安;王伯海
2.浅谈南京长江隧道砾砂层盾构刀具的保护 [J], 陈鹏
3.南京长江隧道泥水盾构刀具磨损分析 [J], 陈鹏
4.浅析盾构法隧道二次注浆技术——以金陵石化南京长江盾构工程为例 [J], 常喜平;刘小林;王乐;寇辰旭
5.浅析盾构法隧道二次注浆技术——以金陵石化南京长江盾构工程为例 [J], 常喜平[1];刘小林[1];王乐[1];寇辰旭[1]
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
盾构刀具异常磨损及改进研究
盾构刀具异常磨损及改进研究夏晓中【摘要】针对南京长江隧道大直径泥水盾构在穿越砾砂-砂卵石地层时刀具出现异常磨损,从刀具设计和工艺等方面对磨损原因进行分析,提出刀具的改进方案.工程应用表明,改进后的刀具其使用寿命是原装刀具的6倍,工程效益明显,对类似工程有很好的借鉴作用.【期刊名称】《现代交通技术》【年(卷),期】2010(007)002【总页数】4页(P67-70)【关键词】泥水盾构;刀具改进;异常磨损;砾砂地层【作者】夏晓中【作者单位】中铁十四局集团有限公司,山东,济南,250014【正文语种】中文【中图分类】U455.43随着我国基础建设的发展，盾构用于隧道开挖越来越普遍，但砾砂-砂卵石地层一直是困扰盾构掘进的一个难题，在此地层因刀盘刀具设计不良导致停机事故在国内时有发生。
在建南京长江隧道采用2台直径14.93 m水泥加压平衡盾构机分左、右线隧道施工。
原刀具按一次掘进中途不换刀进行设计和配置，但右线盾构进入砾砂层不足400 m时，刀具严重磨损，本文针对这一问题从地质及刀具设计等多角度进行了全面分析，在此基础上提出了刀具改进方案，取得了良好工程应用和经济效果，对类似工程有很好的借鉴作用。
1 工程概况及盾构刀盘结构介绍1.1 工程概况南京长江隧道设计为双线盾构隧道，隧道起点位于长江北岸，终点为江南梅子洲，穿越长江主航道，隧道建筑长3 790 m，其中盾构区间长约3 020 m。
隧道最大水土压力为6.5 kg/cm2。
隧道所处地层上部松散粉细砂，中部中密～密实粉细砂，下部为密实状砾砂、圆砾等。
盾构隧道穿越地层以粉细砂地层和砾砂地层为主，卵砾石含量为20%～40%，分布不均匀，地层密实，部分胶结，卵石最大粒径达300 mm，砾砂和圆砾的点载荷抗压强度分别为128 MPa和148 MPa，地层石英含量约占35%。
1.2 刀盘结构形式本工程所使用的盾构刀盘采用辐条-面板式结构，配有6个主辐臂和6个副辐条臂，开口率约35%，刀具由189把刮刀、16把先行刀、6对周边大铲刀、6对焊接式小铲刀和2把仿形刀组成，刮刀高出面板200 mm，先行刀高出面板250 mm，先行量为50 mm，刀盘结构见图1。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
收稿日期:2009205220 作者简介:张公社(1958—),男,高级工程师,1983年毕业于石家庄铁道学院工程机械专业,主要从事隧道施工与管理工作南京长江隧道盾构刀具设计改进及工程应用研究张公社(中铁十四局集团有限公司,山东济南250014)摘 要:在建南京长江盾构隧道区间总长约2900m ,双洞双线六车道设计,区间主要为粉细砂和砾砂地层,原刀具设计为一次掘进中途不换刀,但实际施工过程中刀具磨损失效严重。
针对南京长江隧道原装刀具失效现状,从地质、刀具布置、选材、工艺等方面对失效原因进行了全面分析,在此基础设计了刀具改进方案:加大刀刃硬质合金断面尺寸和单块合金宽度,改进焊接工艺,优化掘进工作参数。
工程实践表明:新改进刀具完全适应当前地质条件,换刀距离由改进前不足50环(100m )提高到普遍超过300环(600m ),工程经济效益明显。
关键词:盾构刀具;泥水盾构;砂砾层;异常失效中图分类号:U455.31 文献标识码:A 文章编号:167223953(2009)0420039207目前我国在建或规划的非岩石地层水底隧道多采用盾构法施工,主要以泥水平衡或泥水加压平衡盾构为主[1]。
采用盾构施工有经济、快速、安全、优质等特点,但因其机械化施工特点也带来了一些问题,在砂砾层中如何降低刀具磨损、实现长距离掘进为其中比较突出的问题之一。
由于非岩石地层水底换刀十分困难,超长隧道(>4km )通常采用江中对接施工方式来实现一次掘进,避免江中换刀,如日本已建的东京湾海底隧道和中国在建狮子洋隧道,而中长距离(<3km )则以采取技术措施一次掘进为主。
在建南京长江隧道盾构单线盾构区间约3km ,穿越地层以粉细砂和砾砂为主,原刀具设计拟一次掘进中途不换刀,但右线掘进到655环(1310m )时,推进出现异常,经抽刀检查,发现刀具出现异常磨损,左线停机检查,刀具也出现严重磨损。
本文针对这一工程问题从多个方面进行了分析研究,在此基础上设计了刀具改进方案,提出了合理施工控制措施,取得了良好工程应用效果。
1 工程概况南京过江通道是《南京城市总体规划》确定的一条重要的城市过江快速通道,连接南京河西新城区-江心洲-浦口区。
整个工程通道总长5853m ,采用“左汊盾构隧道+右汊桥梁”方案,其中左汊盾构隧道江北起点里程为K3+600,江南梅子洲到达里程为K6+532.756,盾构区间长度为2932.756m ,采用德国海瑞克公司生产的两台 14.93m 泥水加压平衡盾构机施工。
隧道主要穿越第四系和白垩系地层,地层上部由第四系全新统新近沉积松散粉细砂组成,中部由第四系中密～密实粉细砂组成,下部由上更新统密实状砾砂、圆砾等组成,第四系地层下伏基岩为白垩系钙质泥岩夹钙质细砂岩。
本工程盾构隧道穿越地层以8号粉细砂地层和10号砾砂地层为主,卵石最大粒径达200mm ,地层石英含量约占35%,磨损系数大,对刀具是一严峻考验。
2 刀盘刀具结构形式本工程盾构采用德国海瑞克公司生产的2台 14.93m 辐条面板式泥水加压平衡盾构施工,盾构刀盘配有6根主辐臂和6根副辐条臂,刀具由189把刮刀(包括118把固定刀和71把常压可更换刀)、16把先行刀、6对周边大铲刀、6对小铲刀和2把仿形刀组成,刮刀高出面板200mm ,先行刀高出面板250mm ,先行量为50mm ,沿半径方向有8把固定刮刀配置了磨损监测装置,在1#、3#辅助辐臂的大铲刀上也分别安装了磨损监测装置,刀盘结构见图1。
2.1 固定刮刀固定刮刀是盾构开挖的主要刀具,采用螺栓与刀座相连,刀座焊接于刀盘上,盾构推进过程中不可常压更换。
固定刮刀前角和后角分别为28°和10°,刀刃硬质合金尺寸为35mm ×15mm ,结构形式如图2所示。
2.2 可更换刮刀刀具寿命原设计为一次掘进中途不换刀,可更实例Analysis ofPractical Example s 分析图1 刀盘结构图2 固定刮刀结构形式(单位:mm)换刮刀用于长距离掘进安全储备及正常掘进时刀具磨损检查,作业人员在主辐臂内可实现常压更换。
可更换刮刀总为71把,中心7个圆柱刀每轨迹一把,其余每轨迹2把,刀刃硬质合金尺寸与固定刮刀一样为35mm ×15mm ,可更换刀具形式及更换示意见图3。
图3 可更换刮刀结构形式及更换示意(单位:mm)2.3 先行刀本盾构所配置的16把先行刀焊接于刀盘主辐条上,刀刃高出面板250mm ,高出刮刀50mm ,掘进过程中先于刮刀松动地层,起到减小刮刀磨损、保护刮刀的作用。
先行刀结构形式如图4所示。
2.4 周边大铲刀周边大铲刀成对布置于刀盘边缘,切削外径略大于盾构外径(切削外径14.96m ,盾构外径14.93m ),图4 先行刀结构形式(单位:m m )图5 周边大铲刀(单位:m m )使其产生一定超挖效应,可有效降低刀盘周边磨损,并减小盾构推进时摩擦阻力,周边铲刀形式见图5。
2.5 仿形刀每台盾构装备两把仿形刀(见图6),结构形式与中心刀一样,为圆柱刀头,对称设置于1#和4#主辐臂内,油缸伸出行程有三级,分别为10mm 、20mm 和40mm ,最大开挖直径为15110mm ,用于曲线施工或特殊情况下扩挖施工。
图6 仿形刀结构示意(单位:mm)3 刀具磨损分析及改进措施刀具切削地层过程[2,3]如图7所示,从图可看出,刀具正常磨损包括两部分:其一为刀刃直接切削土体引起的磨损,主要造成刀刃变短变平,直接影响切削效果;其二为渣土流动对刀具的磨损,包括刀刃、刀体、刀座甚至刀盘面板的磨损均来源于此。
两部分磨损中刀刃直接切削土体引起的磨损是主要的,但砾砂地层中的二次磨损及卵石冲击引起的刀刃硬质合金崩裂也非常严重,对这些现象应有足够重视。
图7 刀具切削地层示意预测刀具磨损计算公式如下[4,5]:δ=kL式中,δ为刀具磨损量(mm );k 为磨损系数(mm/km );L 为刀具切削运行距离(km )。
其中,L =πD S /P ,P =v/N 。
式中,D 为刀具切削外径(m );S 为盾构推进距离(km );P 为锥入度(mm/r );v 为推进速度(mm/min );N 为刀盘转速(r/min )。
从公式可以看出,在不考虑刀刃硬质合金非正常磨损(崩裂破损等)情况下,刀具磨损与硬质合金材料性能(硬度和抗弯强度,决定刀刃的自然磨损系数和抗崩裂能力)、切削半径、推进速度、转速等几个因素密切相关,其中硬质合金材料性能最为关键。
3.1 理论磨损计算根据已有工程数据统计,刀刃硬质合金满足洛氏硬度HRA >86,抗弯强度大于2000M Pa ,且刮刀在有先行刀保护的条件下,泥水盾构在不同地层中磨损系数为:软粘土,2.5×10-3mm/km ;粉细砂,0.01mm/km ;砾砂,0.014mm/km 。
本工程目前在淤泥质粉质粘土中掘进约1100m ,砂砾层中掘进约200m ,计算加权磨损系数:k =(2.5×10-3mm/km ×1100m +14×10-3mm/km ×200m )/1300m =4.27×10-3mm/km同一道切削轨迹布置n 把刀与仅布置1把刀,其磨损系数的关系为:k n =k ・n -0.333。
刀具磨损计算公式为:δ=k n L 。
选取6号辐臂4把不同半径可更换刀进行理论磨损计算,实物照片如图8所示。
图8 6#辐臂可更换刀示意理论磨损计算结果见表1。
表1刀具磨损经验系数理论计算值刀具编号掘进距离S /km 刀盘转速N /rpm 推进速度v /(mm ・min -1)同轨迹刀具数量刀具磨损系数k n/(10-3mm ・km -1)刀具挖掘外径D /m刀具磨损计算值δ/mm383226201.30.752514 1.7714.96 3.259 2.0512.99 3.273 2.9610.59 3.8432.968.192.97通过以上计算结果可得出:(1)如果不考虑刀具崩裂损伤,且刀刃硬质合金性能合格则刀具磨损在目前条件(地质条件和掘进距离)下应该非常轻微,磨损量为3～4mm 。
(2)不同半径处刀具磨损理论计算值比较均衡,实际磨损不应出现异常差异。
3.2 实际磨损情况刀具实际磨损非常严重,普遍出现刀刃硬质合金崩裂或整体脱落、合金刀槽磨平等状况(如图9所示),仅有部分表现为正常磨损。
图9 典型刀具磨损形式假定所有刀具均为正常磨损,部分刀具可量得自然磨损值则取自然磨损值,刀刃整体脱落取磨损值为合金高度35mm ,据此可反推磨损系数,并与经验计算磨损系数对比,计算结果见表2。
3.3 异常磨损原因分析(1)从实际磨损反推计算结果可看出,不同刀具反推得磨损系数离差非常大,最大相差几乎为7倍,磨损极不均匀;而反推磨损系数与经验磨损系数之比为1.54～11.78,除32#刀外其余均在4倍以上,表明刀刃硬质合金性能与地质条件可能不匹配,建议对合金性能进行独立检测。
(2)几乎所有刀具均有刀刃崩裂现象,且以完全崩落为主,结合已有刀具设计经验,当前刀具合金截面尺寸35mm ×15mm 偏小,导致刀刃异常薄弱,容易崩裂。
(3)刀刃硬质合金普遍出现整体脱落,对废弃刀具进行检查分析表明:当前刀具硬质合金与刀体连接采用开槽热镶工艺辅以边缘普通焊接,刀槽深度过浅(刀槽示意见图10),尤其磨损后紧固力不足是合金整体脱落的主要原因。
表2实际磨损反推磨损系数刀具编号同轨迹刀具数量刀具挖掘外径D /m刀具磨损实际值δ/mm反推综合磨损系数k n /(10-3mm ・km -1)反推磨损系数k /(10-3mm ・km -1)经验磨损系数k /(10-3mm ・km -1)38371214.963519.0043.46 4.27361014.49147.8917.00 4.2733913.392112.8026.61 4.2732912.995 3.16 6.57 4.2726310.593022.9433.07 4.272038.193534.8950.314.27图10 硬质合金刀槽示意(4)先行刀数量过少,硬质合金布置不合理,导致先行刀磨损过快,不能对刮刀起有效保护作用。
(5)固定刮刀前角28°过大,直接影响切削效果,加剧磨损,由于固定刀为主要切削刀,所以其前角设计不当直接加剧了整盘刀具的磨损。
(6)工作参数匹配不合理,需进一步优化。
3.4具体改进措施3.4.1刀具改进针对目前刀具存在的问题,结合本工程刀具异常磨损现状对刀具进行改进,具体方案见图11。
图11 刀具改进方案比较(单位:mm)(1)刀刃硬质合金断面尺寸加大,单块合金宽度加宽,提高刀刃截面几何参数[6],增强合金抗折和抗冲击性能。