浅谈盾构机球齿滚刀圈的应用

浅谈盾构机球齿滚刀圈的应用
摘要：本文主要简单介绍盾构机的基本工作原理、盾构机球齿滚刀的产生、盾构机球齿滚刀的应用，盾构机球齿滚刀的适用范围及其优势。

关键词：工作原理滚刀的分类球齿滚刀
1 土压平衡盾构机的基本工作原理
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。

该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。

挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。

1.1盾构机的掘进
液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。

1.2控制排土量与排土速度
当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀盘开口进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍塌或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。

1.3管片拼装
盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装衬砌管片，使隧道—次成型。

1.4盾构机的组成
盾构机的开挖直径为6.28m，总长75m，其中盾体长8.5m，后配套设备长66.5m，总重量约520t，总配置功率1743kW，最大掘进扭矩5300kNm，最大推进力为34210kN，最大掘进速度可达8cm／min。

盾构机主要由9大部分组成，他们分别是刀盘、盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。

2 滚刀的分类
2.1滚刀分为齿形（球齿、楔齿）滚刀和盘形滚刀
2.1.1滚刀刀圈的材质是滚刀能否胜任掘进硬岩的关键。

盘形滚刀根据刀圈不同一般有以下4种类型
1)耐磨层表面刀圈：适用于掘进硬度40MPa的紧密地层，硬度80～100 MPa 的断裂砾岩、砂岩、砂粘土等地层。

(2)标准钢刀圈：适用于掘进硬度50～150MPa的砾岩、大理石、砂岩、灰岩地层。

(3)重型钢刀圈：适用于掘进硬度120～250MPa的硬岩，硬度80～150MPa 的高磨损岩层，如花岗岩、闪长岩、斑岩、蛇纹石及玄武岩等地层。

(4)镶齿硬质合金刀圈适用于掘进硬度高达150～250MPa的花岗岩、玄武岩、斑岩及石英岩等地层。

2.1.2
刮碴板的作用是将滚刀破碎的岩碴，及时排出，防止滚刀对岩碴的二次破碎，保护滚刀。

前刮碴板主要铲装刀盘前方的落碴，铲装量大，磨损较快，后刮碴板主要铲装下护盾推进中从隧道底部堆积起来的碴石，铲装量小，磨损较小
3 盾构机球齿滚刀的产生
随着近十年来地铁在国内的飞速发展，盾构机被广泛应用于地铁施工中。

目前国内盾构掘进中的滚刀多采用合金工具钢或合金结构钢制造的钢刀圈，这种钢刀圈对地层的适应范围较广，从软土到软岩甚至硬岩均能一定程度的适应，但受刀圈材料性能的限制其耐磨性有一定的限度，同时这种钢刀圈在较软的地层中掘进时由于掌子面提供给滚刀的主动转矩不足以克服滚刀转动的被动转矩，滚刀转动不起来进而使滚刀产生偏磨。

而在广州、深圳地区，存在大量的粉砂岩、砂岩、粉沙质泥岩等风化程度较高的软岩（土）地层，这种地层的磨砺性较强、稳定性较差，常常不具备换刀条件或换刀成本高，盾构施工单位总希望找到一种耐磨性好的刀圈来减少盾构掘进过程中的换刀次数，于是就产生了堆焊球齿刀圈。

盾构机破碎岩石的机理是：在掘进时盘型滚刀沿岩面滚动，同时对岩面施加压力，形成滚动挤压切削而实现破岩。

刀盘每转动一圈，将贯入岩面一定的
深度，在盘型刀刃与岩石接触处，岩石被挤压成粉末，由此产生的裂缝向相邻的切割槽扩展，进而形成片状石碴。

刀间距必须科学合理，如果刀间距太大，相邻盘型刀的破岩范围不能相接，就不能开挖出片状石碴，从而降低开挖效率；反之，如果刀间距太小，则会使石碴块太小，也会降低开挖效率。

4 盾构机球齿滚刀的应用
4.1盾构机球齿滚刀的优势
我公司盾构掘进施工的广州市轨道交通五号线〖潭~员盾构区间〗主要地质为隧道洞身主要在＜7＞、＜8＞、＜9＞地层中穿过，局部在〈3-2〉、〈5-1〉、〈5-2〉、〈6〉地层中穿过。

前期掘进中采用普通钢刀圈滚刀掘进，但使用后发现滚刀偏磨严重，隧道顶部多软土很难常规状态下换刀，给正常掘进带来许多困难。

为解决盾构掘进中滚刀的偏磨及提高滚刀刀圈的耐磨性，我公司采用了部分球齿滚刀，在上述地层中一次性掘进了500多米后隧道开仓检查，发现球齿滚刀转动良好未发生偏磨现象，同时刀圈的磨损并不严重还能继续使用，与同时装机的普通钢刀圈滚刀相比具有明显的优势。

4.2球齿滚刀工作原理
现就球齿滚刀的有关制造工艺、工作原理、应用等介绍如下：
球齿滚刀刀圈就是在刀圈上镶嵌钨钴合金球齿，具体制造工艺主要包括：合金钢下料→锻造毛坯→毛坯预处理→刀圈粗加工→热处理→刀圈刃口两侧堆焊耐磨层→钻球齿孔→压入合金球齿（钨钴硬质合金）→刀圈精加工→产品检测→合格产品出厂。

盾构机滚刀在推进油缸的推力作用下，滚刀刀圈刃部贯入掌子面（贯入度一般10mm左右），同时滚刀随刀盘绕刀盘轴心公转转动，滚刀在掌子面岩土主动摩擦力的作用下绕滚刀刀轴自转转动，通过滚刀绕刀盘中心的公转、滚刀绕刀轴的自转及推进油缸的推进作用形成对掌子面岩土的切削，完成盾构的掘进。

滚刀刀圈对掌子面岩土切削的同时，滚刀刀圈也受到岩土的摩擦作用，也就是在掘进过程中，刀圈会被岩土慢慢地磨蚀掉，尤其在刀圈刃口顶部。

为提高刀圈的耐磨性，在刀圈外缘周围镶入圆球齿形钨钴硬质合金，而且球形顶部露出刀圈母体5mm,同时在刀圈母体两侧堆焊耐磨层，这样刀圈对岩土的切削主要通过球形钨钴硬质合金齿及耐磨层部分来实现的。

由于这两种目前用来凿岩最耐磨的材料被巧妙地运用在滚刀刀圈上，提高了整个刀圈的耐磨性，从而使刀圈在掘进中不易被磨损，盾构掘进的长距离换刀成为可能，节约了盾构施工成本。

球齿刀圈的凹凸不平作用能增加掌子面岩土对滚刀的主动转矩，进而减少滚刀偏磨发生的几率。

滚刀在空载状态下滚刀的启动转矩（阻力矩）主要由两部分组成：浮动密封金属面间的摩擦阻力矩（当它的安装槽等因素固定后，一般
不能调节，每对浮动密封间的阻力转矩约为7牛米，若还有防尘密封，防尘密封还可能产生部分阻力矩）；轴承内外圈与滚柱的摩擦阻力矩（通过调节两个轴承间的隔环厚度或锁紧端盖的松紧，可调节其摩擦阻力矩，但根据轴承的使用要求轴承的预紧力不能过大或过小），所以理论上每把正滚刀的启动转矩可调节为大于14牛.米的某数值。

滚刀在掘进时还要受到渣土产生的摩擦阻力矩（当隧道埋深较深时，此摩擦阻力矩较大），所以滚刀要灵活转动必须是滚刀的主动转矩大于以上三个阻力矩之和，才能防止发生刀圈偏磨。

而滚刀的主动转矩主要滚刀刀圈随刀盘转动时掌子面上岩土提供给刀圈的摩擦力等产生的，球齿刀圈由于球齿的凹凸不平作用，有利于增加滚刀的主动转矩，从而使滚刀转动的主动转矩大于滚刀的被动转矩，使滚刀转动灵活，减少偏磨发生的几率。

4 盾构机球齿滚刀的适用范围
经过工程使用证明，球齿滚刀在地质较软（岩石的单轴抗压强度不超过60Mpa）的复合地层一般掘进距离在500米以上，具有较好的耐磨性，同时还能减少滚刀的偏磨，从而克服普通钢刀圈使用过程中的易磨损和偏磨等缺点，节约施工成本，具有较好的经济性及推广价值。

但是球齿刀圈制造工艺较复杂、材料成本高，造成刀圈的价格高。

同时球齿刀圈对地层的适应性不强，经使用证明对单轴抗压强度超过60Mpa的硬岩岩石地层不适应，发生球齿崩裂及母体强度不够等故障。

所以下一目标是开发既适合软土又适合硬岩的球齿滚刀，充分发挥球齿滚刀的优越性。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。