盾构刀盘刀具在在不同地层刀盘刀具应用

CREC No. 3
盾构直径
驱动类型 驱动功率 总推力 最高日进度 6280mm frequency Converter 660Kw 37000KN 21.6m
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广深港狮子洋隧道
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三、盾构刀盘刀具管理
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（一）盾构刀具管理的意义
中铁隧道集团有限公司
盾构刀盘刀具管理与不同地层
刀盘刀具应用
李凤远 盾构及掘进技术国家重点实验室 2014年06月 郑州
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纲要
一、盾构刀盘刀具概述 二、盾构刀盘刀具管理 二、盾构刀盘刀具及地质适应性
三、盾构刀盘刀具管理 四、盾构滚刀选型与损坏分析 五、刀盘动态掘进实验试验分析 六、盾构带压进仓技术
CREC No. 8
盾构直径
6280mm
驱动类型
Hydraulic
驱动功率
630Kw
总推力
34000KN
最高日进度
20.4m
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天津液化淤泥层：
中国中铁1号与天津的粉土、淤泥地质
地表深降小于3mm
成功穿越价值50亿的瓷房子
CREC No. 1
盾构直径 驱动类型 驱动功率 总推力 最高日进度 6400mm
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刀盘维修后掘进再次遇到孤石，因不具备开仓和从 地面进行加固处理的条件，强行推进出洞。
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案例二：
某TBM工程施工，边刀与刮板均接近磨损的极限需要 更换时，未引起管理者的重视，不是选择仔细的跟踪检 测或立即更换刀具，而是决定继续掘进待后处理，结果 导致刀盘边缘结构遭到磨损，刮板座及边刀座因过度磨 损无法继续使用而停机修复边缘刮倒座。
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制造商海瑞克盾构机面板式刀盘
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制造商NFM公司盾构机面板式刀盘
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制造商维尔特TBM面板式刀盘
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辐条式刀盘（日本小松、IHI）
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2、刀盘支撑的形式
隧道掘进机刀盘支撑的形式一般有中心轴式，中 间支撑方式，周边支撑方式等几种。 1）中心轴式一般使用于小直径的盾构机； 2）中间支撑方式一般实用于大中型直径的掘进 机，此种方式一般采用双数横梁进行支撑，广州地 铁二、三号线的德产“先锋号”盾构机就使用了这 种支撑方式，此方式缺点是在软岩条件下，容易在 横梁中间形成泥饼，影响刀具机械性能和掘进速度； 3）周边支撑方式，刀盘由框架支撑，机内中间 空间大，有利于大块岩石和障碍物的处理，此种国 内所使用的掘进机基本少见。
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一、盾构刀盘刀具概述
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1、一般盾构刀盘分类
按照掘进机纵向形状一般分类： 目前使用的掘进机的刀盘形状,根据掘进机纵剖 面的形状,可分为垂直平面型,锥型和弓型三类： 垂直平面型刀盘掘进中是呈平面对掌子面进行作 业开挖的,作业平面可使掌子面稳定。 锥型刀盘即刀盘形状类似麻花钻,刀盘中心有一 突出的钻头,此种形状可保持开挖方向性,提高开挖 效率。 弓型刀盘用于硬岩掘进机,适合砾石层和微风化岩 层的开挖。
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4、硬岩滚刀刀圈分类 盾构机滚刀具按刀圈外径规格一般分为12英寸， 15.5英寸，17英寸，19英寸等系列，目前国内地铁盾 构机所用刀具主要为17英寸，以下是四种系列刀具的 特征参数。
刀具尺寸 （刀圈外径） 12英寸 15.5英寸 17英寸 19英寸 （305mm）（394 mm） （432 mm） （483 mm）
刀具质量（kg） （正面刀）
60~80
125~170
135~180
180~210
应用范围 (断面直径）
2~3m
3~5m
5m以上
8m以上
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5、盾构刀具的受力机理
1）滚刀滚压原理 由于刀盘推力和驱动扭矩的存在，刀圈轴向受力 挤压岩层，刀盘推力使刀具隧道轴向承受推力，只 要达到岩石的强度极限，便可挤压破岩；同时刀具 的驱动回转力矩使刀具滚动径向受力，从而克服来 自掌子面的摩擦力矩。
不及时对刀具出现的磨损、损坏采取措施处 理的，不但会降低掘进效率，还会导致刀盘出 现不同程度的磨损，严重的会影响刀盘的主体 结构，影响工程工期，造成工程风险，给施工 造成很大影响。
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设备风险：刀盘损坏
施工风险：无计划换刀，地表塌 盾构及掘进技术国家重点实验室 陷
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案例一：（未计划的换刀造成后果）
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其中第二次遇孤石损坏：(未提前祥勘处理造成后果)
刀盘前方靠外部出现高强度高达156Mpa，最大外形尺寸达到 2500mm（掘进方向长度）×2700mm（宽）×1800mm（高） 不规则形状的孤石。 刀盘面板14处被磨穿；滚刀遭到严重的弦磨和损坏，其中外 围的滚刀刀体弦磨超过200mm；所有刮刀、外部切刀损坏。
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案例三： 软土掘进时，也应重视刀具管理。图示为某盾构工 程因刀盘中心结泥饼而导致刀盘中心磨损。
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（二）隧道掘进机类型及刀具管理的差异
目前国内使用的隧道掘进机类型主要有：
适用于硬岩掘进的敞开式TBM、双护盾TBM以及适用 于软土和复合地质的土压盾构机、泥水盾构机。
累计沉降值/mm
3号线10标地表点沉降示意图 40 20 0 -20 -40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 水平距离/m -60
Hydraulic 630Kw 34000KN 21.6m
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（二）硬岩刀盘刀具地质适应性
针对硬岩地层，刀 盘选择一般滚刀破岩 为主，一般对于铁路、 公路、水利、引水大 埋深隧道，通常均在 基岩中掘进，刀盘也 主要以面板式为主， 采用中间支撑方式。 开口率较小。目前刀 具主要以17〞盘型滚 刀为主，对于大直径 的硬岩刀盘，刀具有 向大直径发展的趋势。
同时可用做硬岩掘进中的刮渣。
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3、刀具类型
仿形刀
单刃滚刀
用于局部扩大隧道断面
用于硬岩掘进
刀刃距刀盘面175mm，可换装齿刀。
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4、硬岩滚刀刀圈分类
刀具的种类
平头型刀具
楔型刀具A
楔型刀具B
形 状
特 征
从新品到报废刀刃 适用于龟裂少的硬岩 适用于石灰岩、泥岩 都保持一定的宽度。 及混有卵石的岩层。 等磨损较少的堆积岩 能用于多种岩石。 使用初期切入性很好， 等。 但磨损较快。
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北京圆砾石地层 第二部分 复合盾构施工技术
特点： 圆砾石10～60mm占60%,还有少量大卵石，地层密实。地下 水在底板以下。
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中国中铁3-5号 盾构设计适应地质：大卵石地 层； 破岩设计思路：以排为主，排 破结合； 盾构特点：带式螺旋输送机， 刀盘 面板与辐条结合 ； 大功率电驱。
1、刀盘刀具管理的主要意义
刀盘刀具是隧道掘进机（TBM、盾构）的核心部件 和掘进载体。
1)、计划性实施刀盘刀具检查和更换，能及时了解、
掌握和分析刀具使用状况，有效利用刀具和保护刀盘。 2)、建立准确、详尽刀具台帐和完善刀盘刀具维护、 修理工艺，能最大限度地降低刀具的使用成本。 3)、掌握并熟练运用刀具检查、更换的方法，加强
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第二部分 复合盾构施工技术 西安老黄土、砂砾石地层：
特点：老黄土密实，水含量少；砂砾石粒径 小（0.1～30mm），水含量少，粘性颗粒少。
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中国中铁6、16号与西安的黄土及砂层地质
CREC No.16 盾构直径 驱动类型 驱动功率 总推力 最高日进度 6280mm Frequency Converter 660Kw 37000KN 13.5m
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开挖直径 5930mm
刀间距 约65mm
中心刀 6
正滚刀 41
边滚刀 3
扩挖刀 1
刮板 5 ×6
齿刀 12
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（三）复合型刀盘刀具地质适应性
由于我国地域广阔，各地方地层千差万别，就是 同地区地层也呈现不均质的态势，单纯的软土刀盘 刀具及硬岩刀盘刀具已经不能满足我国地下工程建 设的需要。正是由此，复合型刀盘刀具随之产生。 复合型刀盘特点主要体现两方面： 一方面在刀盘结构强度刚度兼顾软土、硬岩，一般 以面板式为主，结构形式复合。 另一方面安装刀具复合，刀盘刀具安装设计兼顾 软土剪切型刀具及硬岩滚压型刀具安装，根据盾构 掘进地层情况，可以进行部分硬岩刀具安装、部分 软土刀具安装及全软土刀具安装及全硬岩刀具安装。
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刀具管理机型的差异 由于TBM与盾构机在工作环境和方式上存在一些差 异，在刀具管理方面存在不同点。
1、TBM工程一般施工距离相对较长，基本均具有停
机检查刀具的条件（特殊的断层破碎带、富水地段等 除外），易建立定期检查刀盘刀具的制度。
深圳地铁某盾构工程地质主要为全/强风化地层，在掘进过程中， 前后三次遇到地质突变，一次为上软下硬的地质不均地段，两次 为孤石侵入隧道洞身范围。 掘进过程中，初期遇到地质突变未引起施工方足够的重视，待盾 构机掘进遇到困难，无法推进时才想到开仓处理，此时刀盘已遭 到严重的磨损。由于地质条件影响，停机位置已不具备开仓条件 （在无地层加固的辅助措施下进行开仓作业将导致地表沉降不可 控制），不得不先后两次停机一个月进行地层加固处理，后开仓 维修刀盘、更换刀具。此工程因为刀盘需要检修而导致工期滞后 达半年之久。
对刀盘的监控，能避免刀具非正常原因的大面积损坏，
保证施工顺畅，降低施工风险。
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（一）盾构刀具管理的意义
2、不重视刀盘刀具管理的后果 刀具管理无计划； 不良地层影响，要更加重视刀具管理：TBM 受特殊的断层破碎带、富水地段等不良地质 段影响等； 刀具管理要充分考虑地面建（构）筑物的 影响；
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• 刀盘支承方式有3种： 1）中心支承式（适用于中小型直径盾构） 2）中间支承式（适用于中大型直径盾构） 3）周边支承式（适用于小型直径盾构）
①中心支承方式
②中间支承方式
③周边支承方式
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3、刀具类型 刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层 的开挖，主要刀具按刀具结构分常见类型有：单刃 滚刀，双刃滚刀、中心滚刀、齿刀、切刀、弧形刮 刀和仿形刀。
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5、盾构刀具的受力机理 2）软岩刀具破岩原理 软岩的切削主要是刀具直接对土层进行剪切破坏 来进行切削的。
软土刀具切削机理示意图
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二、盾构刀盘刀具及地质适应性
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（一）软土刀盘刀具地质适应性
对于如上海地区、天津、西安、郑州等均一的软 土地层，通常只使用刮刀类刀具就可以了。这类刀 盘结构相对简单，通常称为辐条式刀盘。 刀具也主要以软土切削型刀具为主，适用于未固 结成岩的软土地层和某些全风化或强风化的软岩地 层，一般破岩能力在单轴抗压强度20Mpa以下。
双刃滚刀 双刃中心刀 用于硬岩掘进 ， 在软土中 可以换装齿刀。 刀。 用于硬岩掘进 刀刃距刀盘面175mm，可换装齿
中心齿刀 用于软土掘进，替换滚刀， 更换后可以增加刀盘中心部分的 开口率。
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3、刀具类型
正齿刀
用于软土掘进。 软土刀具。
切刀
弧形刮刀
软岩刀具。 同时在硬岩掘进下可用作刮 渣。
CREC No. 6 盾构直径 驱动类型 驱动功率 总推力 最高日进度 6280mm Hydraulic 630Kw 37000KN 15m
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沈阳无水砂卵石地层：
• 地层以粒径0～20MM,20～40mm中粗砂、砂砾、圆 砾石为主； • 地下水水位在掘进断面以下1m左右.
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1、一般盾构刀盘分类 掘进机的刀盘根据前部面板形状分面板型和轮辐 型两种。 硬岩刀盘：面板型刀盘可防止过多德坍塌，有利 于掌子面的稳定； 软岩刀盘：轮辐型刀盘可减低刀具实际负载力矩， 有利于渣土的流动，并可将土仓内土压有效传递到 作业面。 复合型刀盘： 针对复合地层，刀具互，基本为面板式刀盘。