盾构机滚刀转速
盾构机刀具的使用磨损
(7) 齿刀
在岩石较软的情况下掘进时，由于盘形滚刀与岩
石掌子面之间不能产生一定的附着力，将导致滚刀
不能滚动而产生弦磨，滚刀不能滚动将失去有效的
破岩功能。因此，在较软的岩层中应将部分盘形滚
刀更换成齿刀，利用齿刀进行破岩。由于齿刀上装
有2个切削刃，因此刀盘正反转时齿刀都能进行破
岩。
齿
刀
破
岩
机
理
图
33
29
3)破碎阶段：当相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互
连通时，表面部分岩体便被裂缝分割，形成碎片并脱离开挖面。
30
影响裂缝能否形成的直接因素有： 1) 岩石硬度： 在刀具挤压阶段，必须保证刀具硬度要
高于岩石硬度，才能切入岩石表面，形成必要深度的应 力核心区。
2) 抗压强度：刀具切入岩石表面后，当应力大于岩石
14
海瑞克刮刀是用硬质合金钢做为刀头，高耐 磨合金钢作为刀体。
15
其它进口盾构刀具在材料方面由两至 三种构成，即基体材料、硬质合金材 料、刀具刃口堆焊材料等复合制成。 下表为一种用于盾构机刀具刃口的铁 基堆焊材料的化学成分和性能。
堆焊 镶铸
一种铁基刀具刃口堆焊材料的化学成分和性能
硬度
化学成分
(砂质土)
(10<N<25)
标准贯入锤击数
卵石层(N>40)
砂砾卵石 (10<N<40)
冲击粘土 (0<N<10)
17
5 刀具的作用及切削机理
(1) 切削刀
切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀一 般形状如左下图所示。一般情况下，β(前角)与α(后 角)值随切削地层特性不同变化，取值范围在5～20 度之间，粘土地层稍大，砂卵石地层稍小。
浅析城市轨道交通隧道盾构施工关键技术
浅析城市轨道交通隧道盾构施工关键技术摘要：盾构法施工因其安全高效，在城市轨道交通隧道等基础设施建设中广泛应用。
盾构工程施工管理必须实现地质、装备、人的因素高度融合，对照地质针对性认知装备、对照装备客观应对地质，是盾构应用关键问题。
基于此，本文主要针对城市轨道交通隧道盾构施工关键技术进行了分析。
关键词：城市轨道交通；隧道；盾构施工；关键技术一、盾构机选型原则1.适用性原则。
要求所配置盾构机设备满足各项性能指标要求，并具备到头易于更换、配备气压舱、具备铰接系统、独立存在加泥与加泡沫系统等使用功能。
同时，根据工程设计要求与现场地质情况，对盾构机结构体系与功能模块进行优化调整。
2.技术先进性原则。
在多个种类盾构机的使用性能均满足实际施工需要与设计要求的前提下，需要从技术先进、可操作性、刀头使用寿命等维度进行综合评分，从中配置综合评分最高的盾构机，以此提高城轨施工水准，为工程质量提供保障。
3.经济合理性原则。
为控制工程造价成本，避免产生不必要的成本支出，在确保盾构机设备使用性能达标的前提下，可以选择配置现有的盾构机设备，而非新购盾构机。
二、盾构机类型比选在部分城轨工程中，具备配置多种类盾构机设备的基础条件，如何从中选择最佳种类的盾构机，则是盾构机选型工作的重点。
在这一工程背景下，应从施工技术、经济效益等方面进行比较分析。
例如，在北京城轨四号、五号、十号线工程中，同时具备配置泥水式盾构机与加泥式土压平衡盾构机的条件，工作人员从经济技术方面对两种机型进行比较分析，比较项目包括适用地层、止水性、方向控制、排土设备、开挖效率、综合造价、配套设备、大源石处理等。
最终，选择配置加泥式土压平衡盾构机。
三、盾构机关键功能的选择在多数城轨工程中，要求盾构机在一般性功能外，还要具有以下使用功能：（1）刀头易于更换。
采取螺栓连接方式来固定连接刀盘外侧分布的刀头，要求盾构机在开舱8h内完成刀头更换作业。
同时，具备滚刀与刮刀互换功能，在盾构机穿越岩层等特殊地层时，可以直接互换滚刀与刮刀，无须开舱开展更换刀头作业。
盾构机技术性能参数
2
盾构机技术性能参数
详细部件名称 刀盘上的注入点 泥浆（澎润土）注入系 泵流量 统主要参数 泥浆罐容积 泥浆泵装机功率 额定抓举能力 侧向挤压力 转动扭矩 静扭矩 型式 驱动方式 管片安装机主要参数 自由度 移动行程 旋转角度 旋转速度 控制方式 超前钻机安装位置 形式 起吊能力 管片吊机主要参数 起吊高度 移动行程 控制方式 形式 导向系统参数 测量精度 有效工作距离 摄像头数量 监视系统参数 显示屏数量 拖车数量 连接桥长度（一段） 后配套主参数 允许服务到与通过尺寸 拖车外形尺寸 后配套拖车行走方式 冷却能力 水管卷筒规格 进水压力 冷却水系统主要参数 进水温度 出水压力 出水温度 形式 排污系统参数 排污管规格 扬程/能力 排量 额定压力 储气罐 空气系统主要参数 供气分配网 初次过滤器 二次过滤器（供人闸使用） 自动保压装置/数量 流量 二次通风系统参数（备 风管直径 选） 装机功率 油箱容积 液压油 液压装置参数 滤清质量 过滤功率 主要部件名称 技术性能参数
3
盾构机技术性能参数
主要部件名称 详细部件名称 初级电压 二次电压 主驱动变压器/数量 变压器防护等级/功率因素 高压电缆托架数量及能力 电缆 灭火器数量 可编程控制器 显示器 控制通讯系统参数 数据采集系统 通讯 与地面上的通讯 刀盘驱动 扩挖装置 推进系统 管片安装机 螺旋输送机 皮带输送机 注浆泵 砂浆储存罐的搅拌器 液压油过滤泵 主轴承润滑 管片吊机 空压机 冷却水系统 其它设备 总功率 超前注浆孔数量 超前钻机类型 钻杆长度 钻机驱动形式 最大流量 入口最大压力 出口最大压力 入口传感器数量 数量 类型 型号 称的数量 传感器数量 探测目标 探测距离 探测原理 注浆泵数量 出口最大压力 泵的功率 水玻璃储存罐容积 技术性能参数
泥水盾构机滚刀使用分析
泥水盾构机滚刀使用分析摘要：泥水盾构机是一种典型的全面隧道掘进机，利用泥浆在隧道工作面上形成一层粘土膜支撑和稳定隧道开挖面，平衡开挖面上的水土压力，广泛用于高含水量、高水压、渗透系数大的粘性土、砂砾层等。
随着近40年来隧道工程和盾构隧道技术的快速发展，隧道工程呈现出大直径、深埋、高水压的趋势，盾构机的直径和承压能力也在不断提高。
盾构机总装结构，主要由刀盘、刀具、盾体、主驱动系统、液压系统、推进系统等部分组成。
关键词：泥水盾构机；滚刀；使用分析引言杭州天目山项目施工采用两台气垫式泥水平衡盾构机施工，刀盘主要配置滚刀和刮刀，在施工过程中遇到及其复杂的地质条件，如⑥淤泥质黏土、⑦粉质粘土、⑯碎石夹粘性土、⑯1含砾粉质粘土、㉓1全强风化凝灰岩、㉓3-2中风化下段凝灰岩，整条盾构区间上述几种不同地质大部分情况在同一断面共存，盾构推进过程中因地质条件问题导致滚刀损耗量较大。
1滚刀磨损因素分析项目双线贯通后合计更换滚刀894把，平均每环更换0.51把；其中，左线更换滚刀479把，平均每环更换0.54把，右线更换滚刀415把，平均每环更换0.47把/环。
出现两条盾构区间滚刀损耗出现偏差的原因主要为左线盾构机在推进过程中领先右线200环左右，右线盾构机推进参数是针对左线盾构机推进参数进行优化后实施的。
由于盾构机刀盘不同轨迹半径的滚刀，其线里程呈指数性增长，因此按照滚刀安装位置、区间不同地层两项指标对项目泥水盾构机滚刀检查和更换记录进行数据筛查分析。
1.1按照滚刀安装相对位置分析滚刀不同安装位置更换频次依次从刀盘中心（13#）向外侧逐渐增大（81#，同轨迹三把滚刀），从下图可看出趋势线逐步增高。
刀盘中心滚刀运行轨迹半径从中心向外侧陆续增加，不同滚刀轨迹运行圆周长度（线里程）呈线性变长，相同地层中滚刀磨损程度也是逐渐变大，符合物理规律。
1.2按照区间断面不同地层分析由于整个区间多种不同地质条件长距离共存，根据开仓检查情况发现对两两相距较远的滚刀磨损情况差异较大。
盾构分体始发
一、盾构区间施工安排本标段盾构机从G3工作井始发向G2盾构井方向掘进。
到达G2盾构吊出井后解体吊出撤场。
二、设计概况G3-G2区间起讫里程：K2+208.077-K5+508.426，区间全长3300.349m。
区间最小平曲线半径400米，最大纵坡1.771%，顶覆土厚度10.1～24.4m。
区间采用1台土压盾构机，从G 3盾构工作井向G2盾构工作井推进。
G3盾构井始发端地层：⑤2-1层粉质粘土、⑤2-2层含砂粉质粘土、⑦2-1层含泥粉细砂；G2盾构井接收端地层：⑩3层中风化基岩；区间主要穿越地层：⑤1层粉质粘土、⑤2-1层粉质粘土、⑤2-2层含砂粉质粘土、⑦1层粉质粘土、⑦2-1层含泥粉细砂、砾砂、⑦2-2含泥圆砾、卵石、⑩1层全风化基岩、⑩2层强风化基岩、⑩3层中风化基岩等。
区间特点G2-G3盾构区间隧道线路附近有一条港华高压天然气管线，区间下穿高压天然气管线2次，2次下穿中间区域及天然气高压管线并行，并行长度约2539m，最小平面间距11m。
2次下穿位置约在里程K5+398及K2+859处，竖向间距约4.4m～19.4米。
管材为DN620mm钢管，埋深约3~7米。
盾构掘进管线沉降变形要求高。
G3盾构井概况G3始发井南端头设置13m×7.5m的盾构机下井口，用于盾构机和后配套台车的吊装下井组装。
在始发井北端头设置6.8×7.5m的出土口，用于分体始发掘进阶段的渣土吊运。
如下图：三、始发段概述盾构始发是指在始发竖井内利用临时组装的管片、反力台架等设备，使台架上的盾构机推进，从井壁上的到达口处入地层，并沿着规定路线掘进的一系列作业。
本工程先进行右线始发，鉴于始发场地局限，盾构机始发不能按照正常始发方案进行，盾构机部分台车必须位于地面。
以延伸管线实现始发，经过台车转接使盾构机设备正常连接和正常掘进，进行两次始发。
四、盾构机概况本区间采用一台辽宁33土压平衡盾构机始发掘进。
该盾构机适宜复合地层、泥岩、砂岩、砂卵石、软土等土层的掘进施工；盾构机掘进最小曲率半径250m，最大坡度50‰；盾构机设备总重量约为450T，盾体刀盘长度为9.07m，包括后配套总长73m，分为盾构机主机和后配套设备两大部分，后配套设备分别安装在7节后续台车上；盾构机盾尾间隙29mm，最大掘进速度10cm/min，最大推力36000KN。
土压平衡盾构机刀盘转速自动控制技术
土压平衡盾构机刀盘转速自动控制技术摘要：本文介绍了我公司生产的土压平衡型盾构机刀盘的特点，从机械结构，电气控制等方面对刀盘驱动系统进行分析，并比较了刀盘转速自动控制与人工控制的优劣性最后设计了刀盘转速自动控制程序，为盾构机变频驱动技术的研究提供参考。
关键词：变频驱动,plc,转速自动控制abstract：the paper introduces the production of my company earth pressure balance shield machine the characteristics of cutter head.from the mechanical structure, electrical control aspects of cutterhead driving system is analyzed,and compare the cutter head rotation speed automatic and manual the final design the program of cutter head speed automatic control.for epb machine variable frequency drive technology research to provide the reference..key words:variable frequency driving, plc, automatic speed control中图分类号：f407.6 文献标识码：a 文章编号：0引言随着我国地铁项目的日益发展，土压平衡型盾构机越来越多的被应用在城市地铁隧道的建设中，相比于传统的施工方法，盾构施工法具有不影响交通,安全性高，施工效率高，在软硬地层亦有较强的适应性,地表沉降易于控制,施工噪音小等优点，无疑是目前地铁隧道施工的首选方法，而盾构机掘进过程中刀盘转速的控制又是整个盾构施工中的重中之重，其控制质量的优劣直接影响整个盾构机控制系统的可靠性和稳定性，盾构机的刀盘具有直径大，重量大，扭矩大的特点，而且其转速要根据地层条件，埋深，地面沉降值和掘进参数的变化而变化，现如今随着变频技术被广泛的应用到盾构机主驱动系统之中，以及控制技术的快速发展，刀盘转速自动控制技术的实现已经成为可能。
盾构机常识
序号位 置 适应 工作 条件项目名称 地层土质种类 最小转弯曲线半径 最大坡度 总长 总重 开挖直径 前盾外径 中盾外径 尾盾外径 前盾盾壳厚度 中盾盾壳厚度 粘土、泥浆、砂土 水平 R﹦150 ㎜ 3﹪ 8680 ㎜参数1约 330T（包括后配套） Φ6370 ㎜ Φ6340 ㎜ Φ6340 ㎜ Φ6340 ㎜ 40 ㎜ 40 ㎜ 40 ㎜ 30 ㎜ 约 792.2KW 0～6。
0 ㎝∕min 37730KN 钢丝刷式 3 段 数量和位置（土仓内 4 个、螺旋机 1 个） 数量和位置（推进油缸压力 4 个、总压力 1 个） 计算寿命为三排圆柱滚子轴承 23122 小时（根据埋 深不同寿命取松弛土 2 倍的盾构机直径） 刀 盘 密 封 0.8Mpa, 铰 接 密 封 0.8Mpa, 盾 尾 密 封 0.4Mpa 刀盘密封 1MPa,铰接密封 1Mpa,盾尾密封 0.7Mpa 59.380 ㎜ 辐条加面板式 变频电机驱动（变频调速控制） 。
盾 构 2 整 体尾盾盾壳厚度 盾尾间隙 装备总功率 最大掘进速度 最大推力 盾尾密封 土压传感器 液压传感器 主轴承寿命 最大工作压力（bar） 最大设计压力（bar） 包括后配套总长 型式 驱动形式 主驱动最大承压能力（bar） 开挖、超挖直径[mm]3刀 盘开挖Φ6360.超挖直径Φ6590(超挖直径理解为超挖 刀全伸 125 ㎜时挖掘直径) 采用 0.25rpm ～1．3 rpm 、5 极变速 5147HN－m(100％) 6176KN－M(120％) a﹦20。
2（(100％)。
a﹦24。
2(120％) 55×8﹦440kW最大转速 扭矩 脱困扭矩 扭矩系数 驱动功率序号位 置项目名称 刀盘开口率 超挖刀型式 最大超挖量 超挖刀数量 刀盘对复合地层的适应性 刀间距的布置 中心刀的类型 滚刀的数量及轴向转动力矩 各种刀具高差设置 型式 最大行程差 垂直、水平 最大转角 垂直、水平 数量 40％ 液压油缸驱动式 125 ㎜参数超挖刀配备有 2 套(其中一套为预备用)。
盾构性能和参数
本刀盘没有配置先行刀
刮刀的数量
刀盘上布置了68把切刀，8把铲刀，通过在实际工程中的应用证明，这样的布置方式是完全能够适应广州地区的工程地质条件的。
各种刀具的高度差
滚刀刀刃距刀盘面板的高度为175mm，齿刀、切刀和齿刀刃距刀盘面板的高度为140mm，滚刀高出齿刀和切刀35mm，这样在全断面岩层、存在硬岩的地段掘进时可以保护切刀和刮刀不受破坏。
正常压力
Kgf/cm2
21~31.5Mpa
全新设备状态良好
转速
48
rpm
扭矩
kgf.m
9061~13500N.M
全新设备状态良好
数量
2台
全新设备状态良好
搅拌器回转
正常压力
Kgf/cm2
无
本盾构机没有配置搅拌器
扭矩
kgf.m
无
本盾构机没有配置搅拌器
数量
无
本盾构机没有配置搅拌器
工作压力
无
本盾构机没有配置搅拌器
全新
管片拼装机保持油缸
推力(tf)
800KN左右
全新设备状态良好
行程mm
40mm
全新设备状态良好
数量(台)
1台
全新设备状态良好
工作压力
100bar左右
全新设备状态良好
最高压力
约110bar
全新设备状态良好
仿形刀油缸
推力(tf)
1410KN
全新设备状态良好
行程mm
50mm
全新设备状态良好
数量(台)
1台5刀刃滚刀
人闸气压设备
全新的人闸及气压设备状况良好，完全能够适应本工程的需要。
盾构机具备的气垫调压功能，能够持久地提供稳定的泥浆压力支撑开挖面的稳定，同时挖掘出的渣土与靠近出渣管的新鲜泥浆混合，在盾构土仓底部产生三角流效应从而使渣土极易流出。可以很好地防止管路堵塞。本盾构机完全能够适应本工程的施工需要。
盾构刀具选择详述
盾构机刀具配置是盾构机刀具设计中是非常重要的内容。
本论文着重介绍了刀具的种类和切削原理，同时针对不同的地层情况，提出刀具的具体配置方式。
针对盾构机在复合地层隧道掘进，解释了刀具配置的差异性、刀具配置的“矛盾”现象。
结合工程实例，在砂卵石地层中（尤其是含大直径漂石）长距离隧道掘进的工况下，提出了盾构机生产厂家关于刀具配置新的设计理念和思路。
最后提出了刀具配置设计中应考虑的因素。
1 、引言盾构机刀具的配置是盾构机刀具设计中是非常重要的内容，其配置是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机的刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工效率。
2 、刀具种类和切削原理2.1、切刀（齿刀，刮刀）切刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构机向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力，在刀盘的转动下，刀刃和刀头部分插入到地层内部，不断将开挖面前方土体切削下来。
切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂、卵石、粘土等松散体地层。
2.2、先行刀（超前刀）先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置。
先行刀在设计中主要考虑与其它刀具组合协同工作。
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。
先行刀的切削宽度一般比切刀窄，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，尤其是砂卵石地层先行刀的使用效果十分明显。
2.3、贝型刀贝型刀实质上是超前刀，盾构机穿越砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层时，若采用滚刀型刀具，因土体屑松散体，在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，大大降低滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。
将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石。
2.4 、中心刀（鱼尾刀、双刃或三刃滚刀、锥形刀、中心羊角刀）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（羊角刀），一般鱼尾刀超前600 mm左右。
盾构机技术参数
TB 880E隧道掘进机一、概述TB 880E型隧道掘进机由德国维尔特（Wirth）公司制造。
TBM 880E型隧道掘进机为开敞式硬岩掘进机，适用于硬岩的一次成型开挖。
隧道掘进机的英文为“Tunnel Boring Machine”，所以隧道掘进机又简称为“TBM”。
TBM集机、电、液、气、仪于一体，采用微电脑全程监控操作。
采用TBM施工，无论是在隧道的一次成型、施工进度、施工安全、施工环境、工程质量等方面，还是在人力资源的配置方面都比传统的施工工法有了质的飞跃，实现了隧道施工工厂化作业。
该机曾用于18.46km的西康铁路秦岭隧道施工，最高月进度达528.1m。
在6113m长的西安南京铁路磨沟岭隧道的施工中，创造最高日掘进达41.3m，最高月掘进达573.9m的国内新记录。
TBM具有优良操作性能，其主要特点是使用可靠性的内外凯（Kelly）机架。
TBM主机主要由刀盘、刀盘护盾、主轴承与刀盘驱动器、辅助液压驱动、主轴承密封与润滑、内部凯式、外部凯式与支撑靴、推进油缸、后支撑、液压系统、电气系统、操作台、变压器、行走装置等组成。
外凯机架上装有X型支撑靴；内凯机架的前面安装主轴承与刀盘驱动，后面安装后支撑。
刀盘与刀盘驱动由可浮动的仰拱护盾、可伸缩的顶部护盾、两侧的防尘护盾所包围并支承着。
刀盘驱动安装于前后支撑靴之间，以便在刀盘护盾的后面提供尽量大的空间来安装锚杆钻机和钢拱架安装器。
刀盘是中空的，其上安装许多刮板和铲斗，将石碴送到置于内凯机架中的输送机上。
后配套系统为双线轨道及加利福尼亚道岔系统，装有主机的供给设备与装运系统，石碴的运输通过矿车运出。
后配套系统由若干个平台拖车和一个皮带桥组成，皮带桥用来联接平台拖车与主机，平台拖车摆放在仰拱上的轨道上。
前进时皮带桥被TBM后端拉着，在掘进过程中后配套平台拖车是固定的，在掘进结束时被两个液压油缸牵引。
在后配套系统上，装有TBM液压动力系统、配电盘、变压器、总断电开关、电缆卷筒、除尘器、通风系统、操纵台、皮带输送系统、混凝土喷射系统、注浆系统、供水系统等。
盾构施工计算
1.1 盾尾间隙的计算盾尾间隙包括以下几部分：理论最小间隙、管片允许拚装误差、盾尾制造误差、盾尾结构变形、以及盾尾密封的结构要求等。
（1）理论最小间隙 管片外径D=6000mm ； 盾尾端至第一环管片前端的距离L=2600mm ；R o —隧道曲线半径，考虑到盾构蛇行的因素取R o =350m ；则隧道管片内侧曲线半径：0/2347R R D m =-=盾尾端部至第一环管片前端对应的圆心角：-1-1 = sin (L/R)= sin (2.6/347)=0.429φ︒ 则理论间隙为：b1 =R(1-cos )=347(1-cos0.429)=0.0097m =9.7mm φ⨯︒取b1=10mm（2）管片精度及管片拚装误差： b2=5mm（3）盾尾制造误差： b3=5mm （4）盾尾变形： b4=5mm （5）其它因素：图3-9-1 盾尾结构图φ1500图3-9-2 盾尾理论间隙计算示意图b5=5mm（6）盾尾密封刷安装尺寸： b6=45mm 所以盾尾间隙为1234561055554575b b b b b b b mm=+++++=+++++= b=9.7mm 是曲线半径350m 时，管片在盾尾内的最小极限间隙值，考虑到管片本身的尺寸误差、拼装的精度、盾尾的偏移等因素，同时考虑到盾尾还要安装同步注浆管道和盾尾密封，根据经验实际选取盾的间隙为75mm 。
1.2 推力计算1.2.1 盾构外荷载的确定由于盾构工程沿线的隧道埋深差别很大，在ZCK17+000处的隧道顶部的覆土厚度约为37m ，而在较浅处的隧道顶部距地面不足6m 。
由于盾构从洞中通过时的时间相对较短，根据常用算法，盾构的外部荷载将按照最大埋深处的松动土压和两倍盾构直径的全土柱高产生的土压计算，并取两都中的最大值作为盾构计算的外部荷载。
在大石—汉溪区间最大埋深位置在ZCK17+000处，但此处围岩为7号地层，稳定性较好。
而YCK17+020处隧道顶部为6号地层，埋深约35m ，所以对盾构计算取此断面埋深为最大埋深值。
盾构机参数表
螺旋输送机闸门系统
皮带机
管片拼装机
管片吊机
一次葫芦
二次葫芦
同步注浆
二次注浆
空压机
冷干机
泡沫系统
加泥加水系统
通风系统
齿轮油循环泵
滤油器
液压油循环泵
油脂供脂泵
密封冷却水泵
刀盘电机冷却水泵
液压油冷却水泵
齿轮油冷却水泵
照明其它设备
备用电源
总功率
30KW 以上电机
先行刀(转角 B)
初 装 滚 刀
刀 盘 (45
刃)
中心滚刀(8 连单刃)
单(双)刃滚刀
边缘保护刀
边缘刮刀 A
边缘刮刀 B
边缘刮刀
保护刀
切削刀
导向刀
切削刀（焊接型）
注入口保护刀
磨损检测刀(液压式)
刀盘磨损检测(液压式)
仿形刀
中心注水口
仿形刀
仿形刀型式（滚刀/切刀）
仿形刀数量
行程
最大超挖量
最大顶出力
液压工作压力
前盾
前盾直径
前盾长度
前盾块数
前盾壁厚
前盾材质
前盾重量
前盾土仓门数量及直径
土仓压传感器数量
超前钻预留孔数量
人舱
主舱工作压力
主舱容积
主舱容纳人数
辅舱工作压力
辅舱容积
辅舱容纳人数
驱动系统
主轴承型式
主轴承寿命
密封型式
密封抗压强度
主轴承密封寿命
刀盘驱动型式
驱动马达数量
单个马达功率
马达冷却方式
刀盘驱动功率
额定扭矩（100%）
盾构机参数表
设备系统和
盾构机推力计算
7.8.2盾构机的推力和扭矩计算盾构机的推力和扭矩计算包括软土和硬岩两种情况进行。
7.8.2.1在软土中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算地层参数按〈6〉岩石全风化带选取，由于岩土体中基本无水，所以水压力的计算按水土合算考虑。
选取可能出现的最不利受力情况埋深断面进行计算。
根据线路的纵剖面图，〈6〉层埋深不大，在确定盾构机拱顶处的均布围岩竖向压力P e 时，可直接取全部上覆土体自重作为上覆土地层压力。
盾构机所受压力：Pe =γh+ P 0P 01= P e + G/DLP 1=P e ×λP 2=(P+γ.D) λ式中：λh γ为土容重，γG 为盾构机重，D 为盾构机外径，D=6.25 m ； L 为盾构机长度，L=8.32 m ； P 0为地面上置荷载，P 0=2 t/m 2； P 01为盾构机底部的均布压力；P 1为盾构机拱顶处的侧向水土压力；P 2为盾构机底部的侧向水土压力；P e =1.94×12.8+2=26.83 t/m 2 P 01=26.83+340/（6.25×8.32）=33.37t/m 2 P 1=26.83×0.47=14.89t/m 2P 2 =(26.83+1.94×6.25)×0.47=18.3t/m 27.8.2.1.1盾构推力计算盾构的推力主要由以下五部分组成：54321F F F F F F ++++=式中：F 1为盾构外壳与土体之间的摩擦力 ；F 2为刀盘上的水平推力引起的推力F 3为切土所需要的推力；F 4为盾尾与管片之间的摩阻力F5为后方台车的阻力πμ.)(4121011DL P P P P F e +++= 3.0=μμ数，计算时取：土与钢之间的摩擦系式中：t F 23.11443.032.825.63.1889.1437.3383.26411=⨯⨯⨯+++⨯=π）（ ）（d P D F 224π=为水平土压力式中：d P ，）（2D h P d +=λγ m D h 93.15228.68.122=+=+ 2/52.1493.1594.147.0m t P d =⨯⨯=t F 48.44552.1428.64/22=⨯=）（π ）（C D F 234/π=式中：C 为土的粘结力，C=4.5t/m 2t F 06.1385.425.6423=⨯⨯=）（πc c W F μ=4式中：W C 、μC 为两环管片的重量（计算时假定有两环管片的重量作用在盾尾内，当管片容重为2.5t/m3，管片宽度按1.5m 计时，每环管片的重量为24.12t ），两环管片的重量为48.24t 考虑。
盾构隧道穿越全断面硬岩地层刀具磨损分析及控制技术
盾构隧道穿越全断面硬岩地层刀具磨损分析及控制技术2.中煤隧道工程有限公司江苏徐州 221000）摘要：在高强度硬岩地层中掘进，刀具磨损量大，换刀频繁。
刀具磨损程度的判断、开仓位置的选定以及刀具磨损的控制是盾构施工面临的难题，也关乎施工安全及经济效益。
本文以徐州市城市轨道交通3号线二期工程徐钢医院站~下淀站区间盾构掘进为例，研究了刀具更换条件、开仓换刀位置选择，提出盾构隧道穿越全断面硬岩地层刀具磨损控制技术。
论文的研究对于全断面硬岩盾构开仓换刀施工、盾构推进控制具有一定的参考价值。
基金项目：深地科学与工程云龙湖实验室资金资助项目（104023006）0引言近年来，随着我国城市地铁的快速发展，盾构法因安全、快速、环保、对周边环境影响小等诸多优点，在地铁隧道建设中得到广泛应用[1-2]。
雍毅等[3]针对复杂地层条件下的盾构施工安全风险进行分析，进而合理配置刀具，通过分析盾构施工典型问题并提出了应对措施；赵鑫等[4]对针对上软下硬复合地层对刀具磨损特性进行分析，提出刀具减磨措施；王海峰[5]通过对富水复合地层中盾构刀具非正常损坏问题的研究，提出刀具损坏控制技术；李强等[6]以杭州地铁2号线杭发厂站—人民路站盾构区间隧道工程为背景，对盾构穿越上软下硬复合地层段的刀具磨损情况进行了分析，针对盾构刀具非预见性严重磨损的工况，提出了地基加固结合常压换刀的处理方法；韩冰宇等[7]对深圳地铁9号线区间隧道盾构刀具进行现场磨损监测，分析了不同类型刀具在复合地层中的磨损规律；李雪等[8]分析了南京某越江泥水盾构隧道施工过程中8次换刀刀具磨损情况，系统划分了切削刀具磨损类型，对刀具磨损规律进行了分析；包治强[9]对刀具磨损的现象和原因进行分析，总结了减少刀具磨损的刀具保护技术措施。
现有研究多针对上软下硬的复合地层，针对全断面硬岩地层换刀条件判断以及刀具磨损控制研究较少。
本文以徐州市城市轨道交通3号线二期工程徐钢医院站~下淀站区间盾构掘进为例，通过掘进参数的变化分析刀具磨损情况，给出了刀具更换条件的判断及开仓换刀位置的选择，并提出了刀具磨损控制措施。
中船6260mm土压盾构机安全操作规程
中船6260mm土压盾构机安全操作规程1.设备运行参数1.1主机参数盾构直径：6260mm 开挖直径：配滚刀6300mm 配刮刀6280mm 管片内径：5400mm 盾尾间隙：30mm刀盘结构形式：面板式开口率：30%~33%刀盘转速： 0-3rpm额定扭矩：5440KN.m 脱困扭矩：6528KN.m最大推进速度：67mm/min 最大推力：36000KN螺旋输送机最大出土量：338m³/h2. 操作规程及方法2.1开机前检查a.开始掘进前必须先检查各系统是否正常，泡沫、油、水、砂浆、油脂、膨润土等是否充足，渣土车是否到位；b.检查后配套轨道是否正常；c.检查盾构操作面板状态：螺旋输送机前闸门开启，螺旋机缩限位，管片拼装模式应无效。
有无其他报警提示；d.检查导向系统（PPS、演算工房等）工作是否正常；2.2掘进操作a.推进前必须将面板的螺旋输送机转速调节旋钮、刀盘转速调节旋钮、掘进速度旋钮等调至最小位；b.推进前必须先启动盾尾密封油脂泵，选定油脂孔，并选择自动位，如果实际需要可选择手动位；c.先按警报器三秒以上,再启动皮带机；d.再启动刀盘，根据显示的盾构滚动角正负状态选择刀盘转向，调整刀盘转速，并且同时选择手动或半自动方式启动泡沫系统；e.刀盘启动转速严禁调节过快，注意刀盘扭矩变化，若刀盘停转，先把转速调至最小再重新启动；f.慢慢开启螺旋输送机的后闸门，启动螺旋输送机，并渐渐增大螺旋输送机的转速；g.开始推进；h.掘进时应有一个人随时巡检盾构机各种设备的状态，如泵站噪声情况，液压系统管路是否渗漏，油脂及泡沫系统原料是否充足，轨道是否通畅，注浆是否正常等；i.主司机应时刻监视螺旋输送机的出渣情况，根据导向系统（PPS、演算工房等）调整盾构的姿势。
2.3 掘进结束2.3.1当掘进结束时，必须按以下顺序停止掘进：a. 停止注入泡沫、水、空气；b. 停止推进(注意按要求保持停机时的土压)；c. 逐步降低螺旋输送机的转速至零，停止螺旋输送机；d. 关闭螺旋输送机后闸门；e. 停止皮带机；f. 若刀盘扭矩较大，则可持续转动刀盘，在扭矩降低至一定程度时，减小刀盘转速至零，停止刀盘，这样有利于下次刀盘启动；3.维护保养要求3.1定期润滑3.1.1为了安全使用盾构机，增加各部位的使用寿命，减少故障率，必须按照要求进行维保。
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损或失效状况。
德国海瑞克公司生产了具有磨损探测功能的刮刀，刀具中的探测装置由传感检测
探头、检测数据发射器和接收器组成[[41,42]。这种特制的刮刀根据所用传感检测方式的
不同分为两种类型，一种是在在刀具里预埋线圈，线圈电路的通断情况表明了刀具的
德国维尔特公司在秦岭隧道工程中使用了具有异味添加剂的滚刀[41]，它是在滚刀
轴承润滑剂中加入一种具有特殊气味的名为MOLYUAN的添加剂，当滚刀磨损到一
又dm' cot(B)
,-于露par}}}x
Buchi.E.(zs-zs]
ABR指数
魏南珍、沙明元。2]
岩石种类、刀位
杨媛媛、黄宏伟(33]
围岩等级划分
ABR = Mo立竺
Go
花岗岩:n = 0.0417x2 + 1.068x+I3.629
术己成为国外掘进装备厂商竞相开发的核心技术。因此，本文以TBM的工程应用为
背景，对TBM掘进过程中滚刀磨损和转速在线监测的理论与方法进行研究，建立相
应的在线监测平台，让TBM操作人员能实时了解滚刀的磨损和转速的改变，进而让
施工人员准确判断滚刀的换刀时机，避免滚刀的过度磨损和滚刀刀圈断裂等严重影响
全断面岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，简称TBM)是集掘进、出渣、换
步、初期支护、通风除尘等诸多功能于一体的技术密集型的隧道施工机械。它将隧道
通风、供排水技术、电子信息、通信工程、遥测传感及激光导向等多种学科前沿技术
应用到实际隧道成型的工程施工中，使得TBM隧道施工具有作业连续、掘进速率高、
应用”(2012AA041803)项目。
2国内外研究现状
2.1刀具磨损预测研究进展
TBM掘进过程中，与岩石直接接触的是滚刀刀圈，刀圈的实际磨损过程和TBM
掘进时的地质条件、TBM掘进参数等诸多因素相关联。为了探讨TBM掘进中岩石对
刀具的影响，国外通常的做法是采用大量的磨耗性试验来描述岩石的研磨性和强度，
往会使我国隧道工程建设面临高额施工成本和技术上受制于外的境地。现下是发展
TBM的关键时期，我国在国务院印发的文件《国家中长期科技发展规划纲要
(20062020)》中指出重点领域交通运输业优先主题为交通运输基础设施建设与养护技
术及装备[[lo]，因此加速发展我国TBM的研发及产业化拥有现实的工程应用价值及商
的数据，这种岩层的多变性会给刀具磨损的预测造成许多不确定因素，尤其是当TBM
掘进施工遇到高磨耗性的岩体条件时，刀盘刀具的磨损就会加剧。
除了掘进中地层岩石种类的影响，滚刀的磨损还和滚刀的几何尺寸、滚刀在刀盘
上的安装布置状况密切相关〔16]，不同安装半径上的滚刀会因掘进中破岩体积的不同导
基础设施的建设亦急剧扩张，预计截止至2020年时，全国铁路营总运里程数将达12
万公里[[al，其中目前正在施工与待开工的隧道总长累计1万公里，公路基建方面，城
市轨道交通总规模将超4000公里[[5l，由中心城市向外放射的高速公路总里程预计达到
8.5万公里[6]。除了上述铁路与公路工程中的隧道建设项目将会使TBM隧道掘进机在
刀具检查与更换作业劳动强度大、有一定的危险性，施工人员若未按标准操作规
程检测刀具磨损程度，及时更换磨损刀具，在刀具磨损剧烈的条件下持续进行TBM
掘进作业，会致使刀具破岩效率降低、TBM掘进速率低下，当刀盘上出现大面积的刀
具失效时还会导致刀盘的分裂解体等重大工程事故。TBM施工中刀具的状态监测技
近几年内产生巨大的市场需求，在水利水电工程方面，除了已投资的2000亿元外，
我国还将继续进行总额超过2万亿元的投资用于相关基础设施建设[[}]，其中就包括用
于十三大水电基地梯级电站引水隧道建设。
图1-2 TBM主机实物图
(a)撑靴式TBM; (b)单护盾TBM; (c)双护盾TBM
TBM隧道施工的高效性使其在我国的隧道工程应用十分广泛且其数量也持续增
长，但真正全面掌握TBM核心技术的仍然是美国Robbins、德国海瑞克和德国维尔
特、日本的三菱和川崎重工[8-13j等国外为数不多的几家公司。目前国内隧道工程建设
中，德、美两国生产制造的TBM仍是市场主导机型，其占有率高达95%[l0]，长此以
NTNU[zz]
SJ, AYS指数
CLI=13.84 x
}}g[z3]
Nizamoglu等人(2a]
CAI指数
CAI指数
Ys二0.74
(x'13
又Avs}
CAI'.
TC= 0.2228-CAI +0.0258
Wijk.G[zs]
滚刀受力和结构参数、
CAI指数和岩石指标
片麻岩:n二0.0991x2 +O.b862x一1.1101
正滚刀:y=1.4304-0.17531n(x+2)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ边缘滚刀:X3.7488-0.4589In仓+2)
evo-era;
马广州[[3a]
掘进速率、总推力、刀盘转速与扭矩
场:
Xr
ev}-e}>a
总推力
刀具橄量;
工具，其设计制造水平和在刀盘上的安装布置，对破岩效果、掘进速度和刀具消耗至
关重要[[3]。常见的几种TBM滚刀结构如上图1-3所示。
我国国土面积辽阔，地形地貌复杂，各地地质水文条件的多变性导致了TBM在
实际掘进中出现软硬地层交替的状况，不同岩层的岩石抗压强度、裂隙状况、石英含
量皆不一样[[1s]。目前工程中滚刀磨损状况的预测大多基于滚刀的岩石磨耗性实验得到
业意义。
图1-3 TBM滚刀
(a)单刃滚刀;伪)双刃滚刀;(c)双刃球齿滚刀
TBM掘进机的刀具造价十分昂贵且在掘进作业中易于磨损和失效，实际工程案
例显示，刀具的消耗占TBM整机造价的30%左右[[14]，而滚刀作为TBM的主要破岩
地层扰动小、通风条件好、超挖量小、衬砌质量好等诸多优势，被广泛应用于国内的
铁路、水利工程、城市轨道交通等工程的建设中[fl,zl，图1-1中所示为兰渝铁路西秦岭
隧道工程所使用的直径为10.2m的Robbins 332-336型TBM主机系统结构示意图。
刀盘寸邹动土皮带杭
圈磨损的装置，该装置采用液压油缸从刀盘伸出至滚刀刀圈，通过比较磨损后的伸出
行程与磨损前伸出行程的差值来判断滚刀磨损量。
图1-4海瑞克刀具检测装置
(a)}}J刀磨损检测:(})滚刀刀毅磨损检测;(c)滚刀转速检测
ah =肠 } p.品
1.2.2刀具在线监测研究进展
在TBM工程的掘进机选型阶段，可用滚刀磨损寿命预测公式进行滚刀的质量评
判与滚刀消耗预估。但在TBM的实际掘进过程中，滚刀刀圈的实际磨损过程因受磨
料和刀圈受力状态的不断变化的影响过于复杂，试图从理论上来精确计算刀圈的磨损
量有一定的难度[[40j。刀具的消耗量一方面取决于刀具质量和刀具在刀盘上的安装布置，
磨损状况，另一种是在刮刀刀头前部装入压力传感器，通过感知刀头受力来判断刀具
的磨损。最近，海瑞克在伊斯坦布尔海峡隧道工程中所用的掘进机中使用了可用于双
刃滚刀刀毅磨损及其转速的监测装置，上述刀具检侧装置分别如下图1-4中((a)一((c)所
示。除了以上几种检测装置外，海瑞克公司在其专利中还提到了一种用于检测滚刀刀
赵维刚(35]
刀具数量、刀的力矩半径、刀盘转速与扭矩
张照煌[36,37]
滚刀破岩弧长
c=而 n}}}.n}}}}}}篡
S一)Jr}i+2rf(，一‘
李笑、苏小江(38]
总推力、刀盘转速与扭矩
S=SlT=艺w,At ! refit =艺Av, ! r
朱震寰[39]
刀具岩石的接触应力、相对滑动及磨损系数
掘进机正常工作的状祝出现，同时所获得的监测数据对于研究滚刀磨损机理也有重要
的意义。
2论文的课题来源
本论文的选题来源是湖南省科技重大专项“大型盾构设备研制及产业化”
(201 OFJ 1002)中子项一盾构总体集成技术和样机制造中基于多传感器信息融合的盾构
安全诊断技术的研究以及国家863计划“大直径硬岩隧道掘进装备(TBM)关键技术及
致其磨损快慢也不一致【’7·‘“]，此时若不相互更换这些磨损状况不同的滚刀，就会加剧
其余刀具磨损形成恶性循环[[ 19,20]，于是在TBM掘进中必须常常停机，通过施工人员
对滚刀的磨损状况进行人工检测并更换刀具。据统计刀具磨损检测与换刀占全部工时
的30%}40%}zl]，严重影响了TBM掘进效率的提升。
(如地质岩层状况、TBM掘进时的推进力、刀盘的转速与扭矩等)为变量定量分析它们
对滚刀磨损的影响的大小，也由此提出了各自不同的滚刀磨损预测模型，相关刀具寿
命预测模型总结如下表1-1所示。
表1-1国内外刀具寿命预测模型
提出者使用参数磨损预测模型
图1-1 Robbins TBM主机系统集成
TBM一般可分为撑靴式(也称敞开式)TBM与护盾式TBM两大类，护盾式TBM
又有双护盾和单护盾之分[[3l。其中撑靴式TBM适用于掌子面稳定的硬岩地层，它依
靠撑靴紧撑在隧洞壁上提供的反作用力与反扭矩前进。护盾式TBM则适用于破碎岩
滚刀磨损的预测，为了进一步提高预测结果的准确性，有的预测公式会加上滚刀的相