3.砂卵石地层盾构

o2 3
36.35
o3 3
34.45 33.95
o3 1
31.15
o2 1
41.09
40.19 39.79 39.39
=20
41.02 39.02
=21
36.48 =24
35.29 34.99
=33
=45
37.41
34.32 33.22
31.59
N (63.5) =32
30.82 (=) 99.7.23
切削刀
土体
鱼尾刀
土体 鱼尾刀切削土体示意图
盘圈贝型刀
砂卵石地层采用滚刀效果不好，改用盘圈贝型刀较好地解决了盾构机切削砂 卵石的难题。盘圈贝型刀示意图如下。
较成功案例基本情况
北京地铁五号线18标和四号线14标，均采用土压平衡盾构机施工，刀盘为 辐条式，开口率大，在刀具高差上配置了先行刀和副切削刀（如下图）。
盾构机停止前各环掘进参数一览
刀盘扭矩居高不 下，推力增大，
推进时间长
刀盘扭矩
Push Cylinders
摩擦力 推进时间
位置
推力 土压 土压力
[m] [KNm] [KN] [bar] [KN] [KN] [min]
278 332.40 279 333.60
3468 3196
7634 9035
1.21 3724.12 3910KN 1.46 4493.57 4541KN
31.02
o2 2
ZC
o4
26.95
o5 2 o5 1
22.05 21.35 20.55 /25.00
o5 o6
ZC
=35
26.99 26.29 25.69
=26 N 63.5 =18
23.69
21.69
=37
N 63.5 =60
19.39
N (63.5) =29
26.62
o4 3
24.02 22.42 /23.00
45.42
44.75
o1
44.39 N 63.5 =15
44.22
K50 45.25
DN150上水标高44.35
DN400污水标高42.27 K51
45.05
o1 1
DN500污水标高42.08 DN400上水标高43.86 K52 44.89
43.99
K53 44.66
42.96
41.05
o2
39.35
切削刀的开挖方式与土的破坏机理
切削刀的基本切削过程是：切削刀通过刀刃的切削作用和前刀面的推挤作用使 得被开挖土体产生应力与变形。其中刀刃的切削作用使切削层土体沿刀刃方向产生 分离。前刀面的推挤作用使得已分离的土体产生变形而与母体分离形成土屑。
刀具切削时，通常做两个方向的 运动：① 沿开挖面的运动，它起 着分离岩土的作用；② 切入开挖 面的运动，它改变切削的厚度， 如图3.10。
283 338.40 3256 10682 1.37 4216.57 6465KN 79min
284 339.60 3342 12356 1.39 4278.12 8078KN 104min
285 340.80 3437 9792 1.33 4093.46 5699KN 105min
286 342.00 3425 8635 1.54 4739.79 3895KN 88min
鱼尾刀
设置在刀盘中心位置，尺寸较大的 鱼尾状的刀具。鱼尾刀的设计和布置原 理是：① 将鱼尾刀设计与其他切刀不在 一个平面上，使鱼尾刀最先切削土体， 让盾构机先小圆切削土体后扩大到全断 面切削土体；② 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 土体增加一项翻转运动（如同犁地一般 ）。这样既解决了中心部分土体的切削 问题，改善了切削土体的流动性，又提 高了盾构机整体掘进水平。
掘进时间图
刀具磨损状况
外周边刀已 完全磨损
第一排齿刀 （切削刀） 严重磨损
刀具磨 损状况
刀具磨损系数及分析
刀具的磨损系数采用公式：K＝δ/L计算
代入量测数据经计算得磨损系数：k＝0.491mm/km
如此高的磨损系数，如不想办法降低，土压平衡盾构在北京砂 卵石地层将无法施工。
辐条式刀盘及耐磨刀具配置
刀盘
圆砾 层
22.05
粉质 粘土及 重粉 质粘土
盾构机所在位置地质横断面 (k9+124.52)
盾构刀盘所在位置断面图
停机前的掘进参数及其他特征
(1)刀盘扭矩值一直居高不下，而且波动幅度较小。 (2)刀盘过载频繁，扭矩过大。 (3) 推进时间延长，泡沫和膨润土用量增大，渣土含水 量增大。 (4) 千斤顶推力增大。 (5) 排出渣土变热。 (6) 至289环时推进时，刀盘扭矩急剧上升无法继续推 进。
o4 3
N 63.5 =28 24.32
o5 1
=23
43.78 41.68 38.78
32.48 30.08 28.18 25.98 22.98 /21.50
o6
20.82
N (63.5) =35
18.82
ZC =39
=44
o7 =42
13.32
K56 44.40
o2 2
40.50
38.90 38.20
切削刀工作原理图
切削刀的开挖方式
(a) 流动型切屑
P
(b) 裂断型切屑
CF 1 N1 1N1
N0 0N0
FT FN
(c) 剪断型切屑
(d) 剥离型切屑
Ft
N0 cos
0N0 sin
CF1 A(sin 1 cos )
Fn
N0
sin
0N0
cos
CF1 B
(cos
0
sin )
某盾构刀具磨损事故分析
切削刀的刀头种类及其工作原理 主切削刀
旋转切线方向
后刀面百度文库δ
t 切入深度
土体
γ 前刀面
盾构前进方向
主切削刀一般形状及其切削土体示意图
主切削刀 盾构前进方向
主切削刀的切削原理是在刀盘的转动下，通过刀刃和刀头部分 插人到地层内部，像犁子犁地一样切削地层。 ： 前角 ：后角
先行刀（超前刀）
先行刀的设计原理是：考虑与主切削刀组合协同工作。在主切削刀切削土 体之前先行切削土体，将土体切割分块，为主切削刀创造良好的切削条件。
基本情况介绍
北京地铁五号线某标段，采用面板式土压平衡盾构机掘进。推进到约 346m处遇到异常，无法继续推进。
盾构所在地层条件
北京地铁五号线土建工程17合同段区间隧道地质剖面图
DN200上水标高44.03
36*24电信标高45.08 K45 45.87
DN300污水标高44.09
K46 45.60
43.87
33.80
30.00
26.30 25.80
21.60 19.50
14.30 /30.10
标纵断面图
★刀盘大部分位 于圆砾层中 可预见其磨损 将相当严重
地面,45.55
41.05 39.35 36.35 34.45
33.95 31.15
26.95
粘质 粉土 素填土
粘质 粉土 砂质 粉土
粉细 砂层 粉质粘 土及 粘质粉 土 粉细 砂层 中粗 砂
★先行刀的切削宽度比主切削 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，大大降低切削刀的扭矩， 提高切削刀的切削效率，减少 切削刀的磨耗。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。
土体
主切削刀 主超前刀
主超前刀
盾构前进方向
主切削刀与主超前刀协同切削土体示意图
=41
26.10
23.07 21.67 /24.20
o5 2
24.40 23.70
N 63.5 =27
22.80
21.80
o7 2
18.60
o7
15.60 /30.00
K47 45.55
DN200上水标高43.64
DN300污水标高42.86 K48
45.49
DN200上水标高44.3
DN600污水标高43.6 K49
14.89 /30.00
K54 44.82
K55 44.48
o1 1 o1
40.82
o2
39.32
N 63.5 =30
o4 2 o4
o5
=28
35.82 =30
o3
FX
=37
o 32.82 33
31.82
=27
30.62 ZC
N (63.5) =32
28.82
o3 1 ZC
27.12 24.32
=40
主切削刀
先行刀（Ⅰ） 副主切削刀
先行刀（Ⅱ） 注浆孔
刀盘辐条上的刀具
辐条式刀盘
配置了先行刀 和主副切削刀
北京地铁五号线某标 盾构掘进刀具磨损调研
基本情况
五号线某标整个盾构掘进区间长度为820m，盾构刀盘累积转数为33200转， 其中正转（顺时针方向）17045转，反转（逆时针方向）16155转。盾构通过土层 以粉细砂层、圆砾层及粘质粉土、砂质粉土为主。
o ZC 6
o7 2
=31
o7
=38 15.49 /30.00
41.05 40.55
N 63.5 =11
39.05 =21
37.05 =30
35.25
=31
o3 1
31.45
=49
o2 o3 o3 3
N (63.5) =44 28.25 =56
o4
27.05
=50
25.45
o5
23.75
N 63.5 =34
53min 77min
280 334.80 3155 9941 1.45 4462.79 5478KN 70min
281 336.00 3348 11016 1.50 4616.68 6399KN 59min
282 337.20 3411 11084 1.45 4462.79 6621KN 65min
接近顶峰，只好降低速度，
6000
缓慢推进
4000
2000
0
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
推力变化图
250 推进时间曲线
200
288环时推进 时间剧增 无法掘进
推进时间(min)
150
100
50
0
环号
273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288
（2）先行刀磨损量的量测 测量了先行刀的磨损量，并计算出了各自的磨损系数。
（3）切削刀磨损量的量测 测量了切削刀的磨损量，并计算出了各自的磨损系数。
同时对其宽度方向的磨损量也进行了量测，还对刀头的缺损、 脱落以及刀具母材的磨损程度进行了详细记录。
对上述量测结果进行统计分析，作一元线性回归，并绘各刀具 磨损量与切削轨迹关系图如下.
刀具磨损状况
刀具磨 损很小
刀具磨损状况
刀具磨损很大 有缺损脱落
北京地铁四号线某标 盾构掘进刀具磨损
基本情况
两区间盾构掘进共为1920m，盾构刀盘累积转数为118049转，其中正转（顺时针 方向）60470转，反转（逆时针方向）56428转。
刀具磨损量测
刀具磨损的量测项目和量测方法同前。分析结果所示如下图 （图中磨损量单位mm,切削轨迹长单位Km） 。
287 343.20 3350 9113 1.48 4555.12 4558KN 219min
管片拼 装时间
[min] 37 min 53 min 99 min 68 min 55 min 77 min 88 min 75 min 67 min 88 min
14000
12000
10000
8000
284环时推力已急剧上升
北京地区砂卵石地层盾构掘进
如何解决砂卵石地层盾构掘进问题 是北京盾构选型的关键问题
盾构所经地 层的砂卵石
粒径超过200mm
影响掘进的主要是刀盘刀具磨损
（1）盾构刀具（刀盘）磨损的因素； （2）盾构刀具磨损特征研究； （3）砂卵石地层刀具磨损系数及不换刀能掘进的最长距离； （4）从机械和土性改良两方面研究减少刀具（刀盘）磨损的方法；
o1 1
41.67
40.77 40.27
FX
36.86 35.77
34.27
ZC 32.17 31.57 30.77
o3 1
o4
27.17
39.90 39.30 38.60
N 63.5 =8
37.40 35.90
=18 =24
34.60
=31
o4 2
30.60 L
29.40
=38 N (63.5) =52
N 63.5 =17
38.76
=21
=23
34.79 =33
34.66 34.26
o3
=43
30.89
N (63.5) =30 30.16 (=) 99.7.21
=28
31.56 30.36 29.06
26.99 26.19
24.79
25.76 25.06
22.09 18.39
21.66 ZC
20.16 /24.50
刀具磨损量测
主切削刀
刀具磨损量 量测采用 游标卡尺
游标卡尺
刀具磨损状况图（部分）
刀具几乎没太多磨损
（1）B-C 辐条间边刀 （2）D-E 辐条间边刀
（3）先行刀C1
（4）先行刀B2
（5）先行刀F4
（6）切削刀DL1
量测的项目
（1）外周边刀磨损量量测 测量了各边刀的磨损量，并计算出了各自的磨损系数。
=31
o5
21.05 N (63.5) =32
19.05
=41
=55
15.25 /30.00
41.35 40.05
o2 3
38.55 37.65
35.06 33.95 32.95 31.75
26.45 25.85
24.85
o5 2
20.65 19.55 /25.50
o7
40.89
40.86
39.19 38.79 38.39