刀盘刀具应用分析

Fni Ftj
F′nj Fnj
刀盘推力F
刀盘、滚刀受力分析示意图
式中：Fni为第i把面刀的推力，F‘nj为第j把边刀沿隧道轴线方向的作 用力，F为刀盘推力，n为面刀数量，m为边刀数量。
在刀盘的设计理论中，一般假设每把滚刀（包括面刀和边刀）沿隧道轴线 方向上的作用力都相等，即平均分担刀盘的推力，则面刀法向推力为
（2）无压力平衡孔
从76#无压力平衡刀轴变形图
可以看到无压力平衡孔 的76#刀的刀轴最大应力 123Fra Baidu bibliotekMPa，位于刀轴左部 轴肩；最大变形为 0.05212mm，位于刀轴的 中心位置的右边。
3. 正面滚刀分析结果
（1）有压力平衡孔
从正面滚刀有压力平衡刀轴变形图
可以看到带压力平衡孔的正面 滚刀的刀轴最大应力650.2MPa ，位于刀轴左部轴肩；最大变 形为0.03723mm，位于刀轴的 中心位置。
强全中微风化层如图：
四系地层中的漂石（称为外来异物）如图：
列出下表以供大家参考
盾构选型：
刀盘刀具。（刀盘结构强度，开口率 、刀具选用布置） 功能配置。（压力、扭矩、推力等选 用） 安保措施（超前加固，安全闸门，破 碎功能，油脂类磨损检测等） 环流系统（压力控制、流量不平衡等 ） 信息系统（PLC功能、姿态自动检测 等）
（2）无压力平衡孔
从正面滚刀无压力平衡刀轴变 形图 可以看到无压力平衡孔
的正面滚刀的刀轴最大应力 790.4MPa，位于刀轴左部轴 肩；最大变形为0.0363mm ，位于刀轴的中心位置。
结论： 1.从上面的分析可知，带有压力平衡的刀轴比不带有压力平衡 的刀轴所受应力更小一些，即容易产生强度失效；而在刀轴变形方 面，则是带有压力平衡的刀轴比不带有压力平衡的刀轴更大一些， 即容易产生刚度失效。 2.从上面的分析也可以知道，正面滚刀刀轴所受应力和变形都 较小，而过渡圆弧区的滚刀刀轴由于受力比较复杂，既有正向垂直 力又有侧向力产生的弯矩，所以应力和变形都较大。
地质条件 上软下硬地层
刀盘结构强度安全系数 刀具配置 安全系数α＞1.5 混装式刀具
最大扭矩值的安全系数 安全系数S＞1.5
卵砾层
安全系数α＞1.3
保 证 有 效 最 安全系数S＞1.5 大开挖直径
保 证 有 效 最 安全系数S＞1.3 大开挖直径
断碎裂带
安全系数α＞1.3
钙磷变质砂岩 安全系数α＞2.0 （简称孤石）
②风化岩层 主要指各类基岩地层，其特性侏罗系 较安定，岩性以中微风化为主抗压强度大 ，发育裂隙小，微透水单轴抗压强度较大 ，如：微风化花岗岩。 目前国内在盾构隧 道碰到最硬的达到236MPa（二氧化硅含量 均要达到70-80左右）。微风化砂岩也要达 到90MPa左右。但岩石自稳性极好。 地质风险在盾构施工赋存主要为白垩系地 层中 泥质粉砂岩 粉砂岩 含砾混合岩 花岗岩 各类变质岩 以上岩性，主要 为强全风化岩，发育裂隙 较大，盾构在推果极差。尤其盾构施工的 风险，超欠控、压力波动（送排泥流量不 平衡等造成失控）。
有限元分析建模
带有压力平衡的滚刀二维图如下所示
1. 82#刀分析结果
（1）有压力平衡孔
可以看到带压力平 衡孔的82#刀的刀轴最 大应力1689MPa，位 于刀轴左部轴肩；最 大变形为0.05185mm ，位于刀轴的中心位 置的右边。
（2）无压力平衡孔
可以看到带压力平衡孔的82# 刀的刀轴最大应力1689MPa， 位于刀轴左部轴肩；最大变形 为0.05185mm，位于刀轴的中 心位置的右边。
' Fni Fnj
F nm
（2）边刀法向推力为 在刀盘的设计理论中，一般 假设每把滚刀（包括面刀和边刀）沿隧道轴线方向上的作 用力都相等，即平均分担刀盘的推力，则面刀法向推力为
' Fni Fnj
F nm
(3)边刀法向推力为
' Fnj Fnj cos j
Fnj
为第j把边刀的法向推力，
2）、盾构机前方的土水压力的推力F2
F2
Q1 Q2
2

3）、管片与盾尾密封的摩擦阻力的推力：F3 F3＝μs×ns×π×Ds×(Ps+Px) 其中：μs：管片与盾尾密封的摩擦系数(一般取0.3) Ps：盾尾密封的紧迫力 (＝3.1kN/m) Px：水压引起的紧迫力 ( 1.0 0.3 P1 Q1 Q2 P3
简单的说，最外圈的主切刀因回转半径最大，在旋转过程中所承受的线速度最大，即摩
擦力最大，在整个刀盘的所有刀具中，它的寿命最短。所以，目前在大盾构所有项目上， 刀盘刀具出现不同程度的问题。上面所述就是主要原因之一。
盾构选型：主要是针对地质条件。选用适用的盾构工法。目前在国内外应用比较广泛的盾构工法有以 下几类： 敞开式TBM硬岩机、双护盾、单护盾、泥水加压、土压平衡等。 盾构选型重点讨论盾构的几个重点 刀盘刀具。（刀盘结构强度，开口率、刀具选用布置） 刀盘选型主要有三大参数： • 刀具配置
2）、大刀盘面板与地层的摩擦阻力扭矩： T2
其中：ξ为大刀盘开口率 3）、 大刀盘外周部与地层的摩擦阻力扭矩；T3
2 D T2 c 1 3 2
3
D T3 2 C l 2
4）、中间支撑梁的阻力矩 T4
2
其中 ：l为大刀盘外周板的宽度
冲击性磨损端盖脱落
刀具承载力不够多角偏磨
轴与刀体分离
掌子面强中风化层
刀刃完好、螺栓断裂
刀圈未损、刀体磨损
互换刀座开裂
TBM滚刀
我们在这里计算按照17寸盘形滚刀的设计承载能力25吨进行分析计算。
滚刀受力分析
（1） 在盾构掘进方向，可以建立刀盘推力与各滚刀法向推力的平衡关系：
' F F ni nj F i 1 j 1 n m
古河床漂石残 安全系数α＞1.3 留冲洪积层 超高强度各类 安全系数α＞2.0 风化岩
混装式刀具
安全系数S＞2.0
混装式刀具
安全系数S＞2.0
保证有效最 大开挖直径 安全系数S＞2.0
根据上述特殊地质特别强调刀盘的耐磨，建议安装耐磨板，最外圈保护刀采用加强型焊 接形刀，在同一轨迹线上安装n把，确保最大开挖直径。并在开口导流处，安装背溜保护刀 值得一提的是，目前直径9m以上大盾构所出现的刀盘刀具问题，给工程造成一定的风险 ，除刀盘结构强度和刀具选用问题之外，个人认为，最大的原因是忽略了刀具在特殊地 质层里摩擦系数，而导致外圈切削刀具快速磨损。所以，按照刀具配置的设计原理， 设
4
D2 4
)
4）、后套设备的牵引阻力的推力：F4
F4＝Gt×μt×9.8 其中 t：牵引阻力系数(＝0.2) 一般情况，F最终作用于刀盘仅为30％。
。红色显示刀具问题区
刀盘整体加强筋板情况 刀盘中心加强筋板改造 辐板与辐条之间的加强改造
内圈变形
刀具布置及应用
下面显示几组照片供大家研究探讨；
刀盘刀具的应用
目录
1 地质分析
2
刀盘结构、强度及刀具配置
3
刀具应用原理
4
泥水及土压盾构的添加剂
地质分类：
①冲洪积层； 地质勘探结果能为盾构施工 提供有效依据，主要以物理， 力学，水文，颗分，标贯，芯 样等综合指标形成对地质的认 识，细化冲洪积层的风险控制 有效的选用盾构施工。 回填土及於泥质粘土 细沙，粉细沙，中粗沙，粗砂， 砾沙，卵砾 洪积层的沙质粘土，残积土， 泥岩等。
• 结构强度 根据地质勘探情况，确定荷载条件下的P1、F1、F2 P1：刀盘轴向推力 F1：刀盘面板的摩擦阻力（F1 =P1×μ (μ:铁和土的摩擦系数=0.3)） F2：刀盘外周板阻力 （粘土粘附力） 根据以上参数，选定刀盘结构强度系数α值。
F1
P1
F2
B 刀盘扭矩计算 刀盘旋转主要要克服以下四个阻力扭矩： T=T1+T2+T3+T4 T ――总阻力扭矩 T1――刀具的切削阻力扭矩 T2――大刀盘面板与地层的摩擦阻力扭矩 T3――大刀盘外周部与地层的摩擦阻力扭矩 T4――中间支撑梁的阻力矩 1）、刀具的切削阻力扭矩：T1 Hα=9.8×2.1×ec･B0･t･10(-0.22θ)/1000 T1=nt×Hα×Rk 其中 ec：切削阻力系数 B0：切削刀刃宽度 t：切入深度 θ：切削刀刃的前角 nt：刀盘刀具装备数 Rk：刀盘刀具平均安装半径2 •扭矩 A 扭矩分类 通常所说的刀盘扭矩包括三种形式： 第一扭矩（额定转速0.85rpm时的扭矩13900KN.M） 第二扭矩（刀盘最大转速3.2rpm时的扭矩5137KN.M） 脱困扭矩（刀盘侵入土体停机后，重新转动时的扭矩18070KN.M）
定如下：
T：刀具的刀刃磨损量（mm）； K：刀具磨损系数 (mm/1000km) 先行刀的磨损系数k采用刀具磨损系数的最大值，根据高低差度2.0和1个掘削轨迹上配置
3把刀具，设定磨损降低效果为0.693。
1条轨迹配置n把切削刀的场合，与1 条轨迹配置1把切削刀相比，摩擦系数K为n-0.333倍。 例如，n=3的场合，摩擦系数K= n-0.333=0.69倍，刀具寿命为1/0.69=1.45倍。
j 为第j把边刀的安装角。
82# 76#
根据上面的公式（3）可以计算76#——82#滚刀的 受力如下表1
76#——82#滚刀受力数据
41°
71
°
刀号
安装角度
法 向 推 力 侧向推力 （吨） （吨）
76#
77#
刀盘面板
41°
47° 53° 59° 65° 69°
18.87
17.05 15.05 12.88 10.57 8.96
图14 82#无压力平衡刀轴变形图
可以看到带压力平衡孔的 82#刀的刀轴最大应力 2005MPa，位于刀轴左部轴肩 ；最大变形为0.05236mm，位 于刀轴的中心位置的右边。
2. 76#刀分析结果
（1）有压力平衡孔
从76#有压力平衡刀轴变形图
可以看到带压力平衡孔 的76#刀的刀轴最大应力 914.3MPa，位于刀轴左部 轴肩；最大变形为 0.05279mm，位于刀轴的 中心位置的右边。
T4 2 na da la ra c
主推系统 根据工程条件，选用44支油缸组成主推系统，共分四组，油缸最大行程2700mm，设计伸出速度40mm/min， 最大伸出速度1500mm/min（四组同时），最大回缩速度3000mm/min（四组同时）。推进时，四组油缸可采用 连锁工作，即四组同步；也可采用单组或单支工作。 推进时，设计比推力为1275Kg/m3，最大总推力为13850KN。 盾构机掘进时，油缸的总推力：F = F1 + F2 + F3 + F4 F1：外壳板外周面与坑壁的摩擦阻力的推力 F2：盾构机前方的水土压力的推力 F3：管片与盾尾密封的摩擦阻力的推力 F4：后配套设备的牵引阻力的推力 1）、盾体外壳板外周面与坑壁的摩擦抵抗的推力：F1 F1 C D Ls
16.4
18.28 20.00 21.43 22.66 23.34
78# 79# 80# 81#
175
过渡圆弧处滚刀安装角度示意图
82#
71°
8.14
23.64
刀盘刀具选用建议:
针对不同地质必须选用正确的刀具，目前根据全国地下盾构施工现状，在 复合地层中刀盘和刀具的成功应用案例不是很多，尤其是直径9米以上大盾构 的施工刀盘刀具问题尤为突出。给施工带来很大损失和风险。不得不引起我们 的重视和关注。本人从事盾构事业已有20多年，至今还在一线做盾构施工技术 管理工作，在工作实践中，逐步积累了应对各类复合地质层的盾构施工经验， 尤其在近10年的国内盾构施工中主导和参与项目获得了成功的经验和应用。并 参加了铁道部，中铁建，南水北调等部分地铁项目的专家组，在公路；铁路； 水利；地铁等领域针对不同的特殊地质盾构施工方案及发生的难题和风险提出 了个人见解和方案。并取得了一定成果。 •复合地层选用复合刀盘刀具；（混装刀具同一轨迹） •所装刀具能响应地质有效距离保证开挖直径（外圈刀具） •刀具的选用要有针对性（自转扭矩，耐压性，承载力等） •刀盘结构强度针对本工程地质的安全系数 •刀盘辐条及面板的耐磨保护 •土舱内的渣土改良及泥水冲刷效应
③上软下硬地层： 上软下硬地层在地下非开挖工程中 ，均有不同程度的风险和难点发生。其 表现在以下几类模式。 三、四系互交层（上冲下岩） 强全中微互交 强全风化岩中的变质岩 沉积岩夹碎裂带 岩溶洞（上硬下软） 盾构施工中，上述三大类地质表现在 应用及设备造型合理。风险控制，难点 克服是可行的。 关键词：地质是基础