土压平衡盾构机刀具布置方法研究

摘要：在进行土压平衡盾构机选型时，刀具的数目、类型、布置方法会对刀具的使用寿命造成比较大的影响，对盾构工程的经济性、安全性和效率也有比较大的影响。文章首先对土压平衡盾构刀盘进行了介绍，然后对盾构机刀盘刀具开口的特点进行了分析，最后对土压平衡盾构机刀具布置方法进行了探讨。

关键词：土压平衡；盾构机；刀具布置方法；刮刀；装配 文献标识码：A

中图分类号：U25 文章编号：1009-2374（2017）08-0102-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.049

盾构机刀盘主要是利用主轴承内的旋转来实现转动的，在盾构机正常掘进施工时，主轴承会承受径向力、轴向力和振动冲击力。受地质因素的影响，振动冲击力和轴向力会不稳定。所以刀具合理的布置可以防止切削面倾斜，使主轴承保持平衡，防止因为振动过大产生冲击力，避免内部结构或主轴承偏心因结构受力不均匀而产生磨损、变形故障，可以有效避免因为过于严重的破坏而导致盾构机出现瘫痪。

1 盾构刀盘的特点

英国是最早出现盾构刀盘的国家，至今已经有几百年的历史。盾构刀盘在进行运作过程中，主要借助盾构，对地下工程和水底工程来进行开发和挖掘。使用盾构刀盘在进行工作时，具有以下两个方面的优势特点：第一，在进行地下工程和水底工程工作时，不会对日常的交通工作产生负面的影响；第二，在进行盾构工作时，其不会受到外界自然因素的影响。也正是由于盾构刀盘所具有的优势特点，使得盾构机的应用范围不断地进行扩大，目前已经逐渐应用在隧道工程、地下水管工程和地铁等工程的建设中，并且取得了很好的施工质量，提高了经济效益。盾构机在运作过程中，主要的部件为刀盘，其处于整个设备的前沿，采用旋转的方式来进行工作，对土层进行不断切割，并且借助螺栓的传送功能将产生的土渣排到外部去。由于施工的工程比较复杂，刀具在进行工作时，有可能由于受力过大使得设备产生巨大的磨损，因此，在实际的施工过程中，需要确保刀盘的质量符合现场施工的需求，这样才能确保盾构机可以正常的进行工作。盾构机刀盘刀具进行开口具有以下两个方面的特点：

1.1 滚刀破岩

将滚刀放置在岩石的下面之后，岩石会受到滚刀施加的外力，从而产生核状物。与此同时，随着滚刀对岩石施加的外力不断增加时，在核状物的周围会出现大量的细纹和裂纹。此外，滚刀不断向岩石施加外力时，岩石会和裂缝进行频繁的接触。其中，当侧向裂缝和相邻裂缝进行接触和碰撞时，岩石就会破碎。当滚刀施加给岩石的外力增加到一定数值后，岩石就会自动从山体中剥落。之后，滚刀也会不断进行工作，使岩石不断从山体剥落。

1.2 切刀切削岩土

首先，需要对切削的工作原理进行分析。盾构机在进行不断的工作时，切刀会沿着工作的方向进行旋转，释放出一定的力量，对岩土进行不断开挖。在岩土开挖过程中，岩石由于受到应力和结构形变等外界因素的影响，产生出大量的碎渣。再加上岩石的性质和刀具等特点的存在，对土体产生严重的破坏；其次，需要对切刀切削的荷载量进行分析和计算。盾构机在日常的工作中，会产生两种不同的荷载：土体荷载和岩石受到破损之后产生的荷载。由于切刀切削产生的两种不同的荷载，需要采用不同的测试方式来进行检验。

2 刀具的选择原则

目前，国内盾构机市场中，土压平衡盾构机的开掘直径为6.28m。为了有效保证盾构机的工作效率和工作质量，刀具主要使用滚刀和刮刀来进行工作。其中，滚刀内部自带有轴承，随着刀盘的不断转动，刀具在土体的切削面上进行工作，并且借助刀刃来对岩石进行挤压、破碎。将刮刀固定在辐条的两侧，借助刀刃的力量来对其进行切削。一般来讲，滚刀需要高出刮刀20～35mm，这样不仅能够粉碎岩石，在岩石或者坚硬的土块上划出裂缝，而且还能将破碎之后的岩石块带到开口处。

由于岩石的性质和构造不同，与硬土进行比较，岩石由于具有黏度大、强度低等特点，在使用滾刀进行工作时，容易出现糊刀的现象。情况较轻则会使得滚刀无法正常进行工作，设备产生较大的磨损；情况严重则会严重阻碍刀盘的旋转，直接损害驱动系统。此外，设备的清理和维修工作会直接的影响施工工期，从而大大降低施工的工作效率。因此，在对黏度大、硬度低的地质进行开挖时，需要借助撕裂刀来进行工作。撕裂刀由四根力齿组成，借助撕裂刀的切削力来对岩石进行挤压和破碎，从而达到施工的目的。撕裂刀安装在滚刀的刀座上，这样可以实现两种不同的刀具进行交换，混合作业，提高施工效率。在进行刀具高度设计时，需要充分考虑到刀具高出刀盘的距离，并且根据实际情况来对其进行增减，避免糊刀现象的发生。总而言之，为了确保设备主轴承的稳定性和工作效率，刀具在进行安装时需要严格按照自身的运行轨迹来进行布置。

3 刀具的布置

3.1 布置原则

刀具的布置结构图如图1所示。刀具在进行布置的过程中，不仅需要对刀具的种类进行充分的考虑，并且还需要对刀盘面不同尺寸的运动特征和结构特点进行充分的考虑。由于盾构机的开挖直径够大，不同尺寸的挖掘直径会产生不同的线速度和作用，从而形成不同的挖掘效果。

正常工作情况下，刀盘的转速为0.9～1.2r/min，并且刀盘表面距离刀盘越近，其线速度越小，处于中心位置的线速度为零。物料流动性不好的情况下，为了有效避免黏性物料发生堵塞现象，需要将刀盘中部的开口率进行调整。刀盘中心的几何尺寸较小，只能设置单排中心滚刀来进行工作。如果使用撕裂刀来对滚刀进行代替，则可以在中心设置燕尾刀。燕尾刀在进行设计时，需要突出刀盘面，这样可以确保在开挖软土层时，避免糊刀现象。

刀盘表面半径方向上滚刀的分布按照间距100mm为原则来进行设置，对辐条上滚刀的位置进行平均分布。如果开挖物料的黏度较大、硬度较低，可以适当增加滚刀分布的间距；如果开挖物料的黏度较小、硬度较高，可以适当减少滚刀分布的间距。刀盘表面周边的线速度数值最大，空间较大，但是运动不稳定，应该采用密集分布的方式来对滚刀进行布置，这样可以有效提高挖掘效率，确保运动的稳定性。因此，在辐板上加设滚刀时，需要严格按照间距随着半径的增加而递减的方式来进行设置，对辐条和辐板的位置进行平均分布。滚刀（撕裂刀）的轨迹图如图2所示。

3.2 刮刀的布置

3.2.1 刮刀的数量。在每一条轨迹上只需要分配一把滚刀，就可以实现破碎岩土的目的。刮刀在选择过程中，需要选择标准的刮刀，刀刃的宽度为120mm。为了有效提高挖掘的效率和挖掘的质量，可以在一条轨道上设置多把刮刀。刀具太少的话，会对设备的挖掘效率和轴承的稳定性产生直接的影响，但是刀具的数量并不是挖掘质量的关键指标，刀具过大会使得轴承的负担增加，出现糊刀的概率增加。

3.2.2 刮刀的轨迹。刮刀在进行布置时，需要分清刮刀和滚刀的功能。滚刀的主要功能是先导作用，刮刀的作用就是对开口处的土层进行全面清理，因此单一刮刀的切削轨迹为环面，全部刮刀的切削轨迹为整个开挖面。刮刀的布置比较简单，设定在刀盘的中心位置，并且使用燕尾刀来替代滚刀进行工作，只需要在每一条轨迹设置一把刀就可以完成工作目的。即：如果存在6根辐条，只需要在每条轨道上设置3把刀；如果存在10根辐条，只需要在每条轨道上设置5把刀。采用这种方式来对刮刀进行设置，能够有效确保物料顺利的进入到开挖仓内，不但不会对轴承带来额外的负荷，而且还能够有效保证挖掘效率和挖掘质量。刮刀本身具有一定的宽度，因此多个刮刀的轨迹应该是宽度相同。刮刀并没有按照并排设置的方式来进行排布，采用相邻排列的方式来进行排布，相邻刮刀之间具有一定的重叠量，遮掩才能有效地保证轨迹覆盖的全面性。

3.2.3 装配角度。对刀具的结构进行分析之后，滚刀和撕裂刀具有一个共同点，就是刀刃为一个点，并且切削的轨迹为圆环形，因此刀具在进行排布时，只需要保证切削方向和旋转半径相切即可。而刮刀的刀刃是一条直线，形成的切削轨迹为一个圆环面，因此为了确保刀刃面的切削方向和旋转方向进行相切，需要合理设置刮刀在辐条上的装配角度，这样才能提高工作效率。以直径为6.28mm的土压平衡盾构机的装配为例来进行分析，半径为1200mm，刮刀的角度设定为25°；半径为1200～1600mm，刮刀的角度为20°；半径为1600～2000mm，刮刀的角度为15°；半径为2000～2400mm，刮刀的角度为10°；半径为2400mm，刮刀的角度为5°，如图3所示：

3.2.4 刮刀的双向性布置。土压平衡盾构机的刀盘设计时，旋转方式为双向，刮刀由于其结构的特殊性，整个刀刃面只能向着一个方向进行切削，因此需要在辐条的两侧设置对称的刮刀，实现两个方向的切削。

3.3 其他刀具的布置

为了确保刀盘开挖直径的稳定性，需要在刀盘的外壁周围设置辅助刀具，这样可以让辅助刀具与小的配合刀盘进行工作。在实际的工作过程中，由于受到各种外界因素的影响，无法有效的设计出笔直的路线，因此在进行隧道的施工时，需要确保盾构机转弯的实际需求，这样才能提高效率。盾构机转弯时，对空间有一定的需求，因此需要在土压平衡盾构机的刀盘上安装扩挖刀。在刀盘最大半径处配置扩挖刀，由于其借助独立的液压缸来进行驱动，可以进行自由工作。当盾构机进入到转弯阶段时，可以适当扩大扩挖半径，为盾构机提供足够的空间。

4 结语

总而言之，刀盘表面设置刀具时，需要重视合理性和实用性，以盾构机的整体功能为基础，积极主动地寻找解决问题的配置。以地质研究为契机，对刀盘的结构、运动特点和刀具的使用特点系统的分析之后，选择科学合理的刀具，设计出最佳的轨迹，这样才能确定出最合理和最实际的刀具设置位置，为整体项目设定最佳的刀盘。

参考文献

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作者简介：李强（1979-），男，山东青岛人，中铁十六局集团有限公司工程师，研究方向：工程管理。

（责任編辑：王 波）