盾构机刀具的分类与布置

2019-04-28刘文波杨学锋王守仁夏国峰

重型机械 2019年2期

刘文波，杨学锋，万壮，王守仁，夏国峰，李丹

(济南大学机械工程学院，山东济南250022)

0 前言

现阶段，隧道建设是解决交通拥挤的主要方法，也是打通山区与平原交通的主要手段。盾构机是用于隧道掘进的自动化装置，主要由刀盘刀具、盾体、螺旋输送机、管片机、运送渣土的小车以及各种辅助功能的拖车组成。盾构机的刀盘刀具是隧道掘进的主力，盾构机刀具按照一定形式布置在刀盘上，因此对于盾构机来说，刀具的寿命以及在刀盘上的布置是盾构机工作寿命的关键。

盾构机刀具主要分为切刀和滚刀[1]。滚刀主要有单滚刀和双联滚刀，切刀主要包括切削刀、刮刀、先行刀和仿形刀等。

1 盾构机滚刀

滚刀主要分为单滚刀和双联滚刀，以及镶齿滚刀和镶硬质合金滚刀，如图1所示。

图1 滚刀、双联滚刀

1.1 滚刀的组成部分

盾构机的滚刀由刀圈、刀体、刀轴、浮动密封和端盖组成，以及配合刀具使用的刀座[2]。滚刀现在应用的规格主要是：12英寸、14英寸、17英寸和19英寸四种，其中17英寸最常用[3]。

滚刀的刀圈作为滚刀的最重要部件，决定了滚刀应用的地形。滚刀的性能(如破岩力，切入深度、破岩效率、能量消耗等)主要受刀圈的材料、结构、几何参数等的影响，当然岩石的物理力学性质也是主要影响因素[4]，图2为滚刀的三视图。

图2 滚刀的三视图

滚刀刀圈主要有尖顶刀圈、圆弧顶刀圈和平顶刀圈[5]。针对于普通刀圈的硬度高而韧性低的问题，采用镶齿或者表面敷焊刀圈，也有一种镶齿刀圈[6]，如图3所示。

滚刀滚刀刀圈的几何尺寸主要有：刀圈直径D、刀刃角α、刀刃宽度(刀尖圆弧半径)H等[7]，如图4所示。

图3 镶齿滚刀

图4 滚刀刀圈几何尺寸

1.2 滚刀的材料

滚刀各组成部分的材料，是根据所要具备的功能和工作环境进行选择。通常，刀体和主轴作为滚刀刀圈的支撑体，在掘进过程中，要承受拉应力、压应力以及冲击载荷，因此必须能够具备较高的强度以应对拉压载荷，要具备较高的韧性应对冲击载荷[8]。所以材料一般选择碳合金结构钢，同时进行相应的热处理[9]。

滚刀使用的轴承一般是圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承成对使用，能够同时承受径向力和轴向力[10]，有时根据需求也会使用滑动轴承或者其他的轴承。

浮动密封的作用就是密封，为了不让外部的异物进入滚刀内部，同时保证刀体内部的润滑剂不会外泄。针对浮动密封的功能要求，所以使用高硬度耐磨高铬钼的铸铁和丁腈橡胶的O型密封圈[11]。

刀圈要承受径向破岩力、侧向力以及冲击载荷，同时还有岩石等硬物的磨损刮划，因此要具有高硬度、强度和冲击韧性，一般是热作模具钢[12]。

1.3 滚刀的工作原理

安装在盾构机刀盘上的滚刀，在刀盘推力下压在岩石上，同时滚刀绕刀轴自转和随刀盘公转，岩石被压崩脱落或在岩石内部产生裂纹，相邻滚刀产生的裂纹贯通时，大块岩石将会脱落[13]。

1.4 滚刀常见的失效形式

刀圈损坏(刀圈的正常磨损、偏磨、崩裂、卷边等)、轴承损坏(轴承进泥沙、轴承不转、滚体破碎、轴承圈损坏等)、密封损坏(密封圈变形、失去弹性)、其他损坏。刀圈作为滚刀的主要部件，刀圈失效将会导致滚刀的失效。刀圈的正常磨损超过使用许可时，盾构机停止工作，但是当刀圈出现非正常失效时，如偏磨等，导致盾构机停止运行，属于技术人员必须修改的部分。

2 盾构机切削刀

2.1 滚刀常见的失效形式

切刀全称切削类刀具，主要作用是切削开挖面的土体。切刀分为切削刀、刮刀(正刮刀和边缘刮刀)、中心刀(鱼尾刀和羊角刀)、仿形刀(超挖刀)、先行刀(撕裂刀)以及保护刀和保径刀[14]。保护刀一般是具有耐磨条的刀体，并不具有切削的功能，只是作为对盾体、刀座、注浆口和面板的保护[15]。

切刀布置在辐条或刀盘开口两侧，用于切削土壤或软岩，如图5所示。切削刀的主要参数：刀刃角和切削深度。软土层使用刀刃角小的切刀，效率高；硬土层使用刀刃角大的切刀，防切刀折断[16]。

图5 切刀

(1)刮刀。在土壤层和沙土混合层中，刮刀主要起切削作用；在岩石层中，岩石被滚刀挤压破碎后，刮刀主要起刮渣作用。刮刀的刀刃上堆焊碳化钨材料，可显著提高刀刃的耐磨性，延长刀具的使用寿命；边缘刮刀用于清理外周渣土，可以起到校准盾构开挖直径的作用[17]，如图6所示。

图6 边缘刮刀

(2)中心刀。在切削土壤或软岩层时，不适合布置滚刀，但中心位置不能布置切削刀，所以在中心位置布置尺寸较大的鱼尾刀。鱼尾刀先切削中心部位土体，然后其他切刀再进行切削[18]，如图7所示。

(3)仿形刀。仿形刀布置在辐条的两端。掘进时，可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从辐条两端径向伸出和缩回仿形刀，达到仿形切削的目的。盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削土体创造所需空间，保证盾构机在超挖少、对周边土体干扰小的条件下，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏[19]。

图7 中心鱼尾刀

(4)先行刀。先行刀主要应用于软土或软岩地层，与切刀组合协同工作，先行将土体切割分块，然后切刀再进行切削。先行刀的切削宽度比切刀窄，布置高于切刀，切削效率较高[20]，如图8所示。

(5)保径刀。保径刀安装在刀盘的边缘，保证隧道的开挖直径[21]。

图8 先行刀

2.2 切刀的组成部件

相对于滚刀而言，切刀组成部件相对简单，主要有刀体和刀头。刀头是切刀的关键部件，是切刀进行切削工作的主力，刀头一般是在基体的基础上加焊硬质合金。由于切刀种类比较多，相应的刀头的形式也很多。如边刮刀的刀头呈圆弧状、保径刀以及超挖刀的刀头近似于直线状，切削刀的三棱体状以及根据需求的各种复杂形状。

刀刃的主要参数是前角β和后角γ，具体角度要根据切削地层的不同，角度的取值也相应变化[22]。

2.3 切刀的材料

刀体的作用也是对刀刃进行支撑，与滚刀的刀体一样，会承受拉压载荷以及冲击载荷，所以要具有较高强度和韧性。刀体材料一般选择与滚刀刀体一样的碳合金结构钢，进行相应的热处理即可。

刀刃是切削运动的主要部件和磨损件，切刀主要靠刀刃切削岩土进行掘进，所以对于硬度、强度、耐磨性和韧性要求都特别高。通常齿刀、刮刀和先行刀，一般使用硬质合金焊接在刀体上[23]。

2.4 切刀的工作原理

切刀主要用于岩土的开挖面，在刀盘推力下，产生沿刀盘轴向的切削力，随刀盘转动时，产生沿刀盘切向的切削力，切刀在岩土上形成犁沟。如果切削的岩土硬度不大的情况下，岩土会在切刀的作用下变成渣土脱落；如果岩土硬度较大时，切刀在岩土上形成裂纹，在重复的切削下，裂纹贯通，会像岩石切削一样脱落[24-25]。

2.5 切刀常见的失效形式

切刀的主要失效形式是刀具的磨损、刀刃的崩断和刀刃的脱落。切刀的磨损属于刀具设计时正常的磨损，在使用时也作为盾构机工作寿命的标志。切刀的刀刃崩断和刀刃合金的脱落属于刀具工作时非正常的失效，在设计制造时需要考虑到失效的原因。

3 盾构机刀具的选择

根据地质特点，大致分为松软土地层、纯硬岩地层、砂层和砂卵石地层、复合地层等几种地质[26]。

粘土、淤泥为主的地质，选用辐条式刀盘，由于不需要破岩，所以只配置切削型刀具即可，如：切刀、中心刀、刮刀、保径刀等切削类刀具。

砂层、砂卵石地层，需要安装滚刀进行破岩，采用面板或辐板式刀盘，同时配置切削类刀具。滚刀用于破碎大的卵石，切刀对切削面的土壤进行切削，刮刀刮削被切刀切开的土体，仿形刀用于弯道的开挖和纠偏。

硬岩石地层，地质单一，采用面板式刀盘，配置滚刀进行破岩即可。

地质复杂、软硬不均的地层，需要配合多种刀具进行加工，刀具配置与砂层、砂卵石地层相似，刀具的布置方面要根据具体地质进行选择[27]。

4 盾构机刀具的布置

刀具布置决定刀具在掘进的效率，同时刀具布置还会影响刀具的失效，合理布置刀具是盾构机掘进速度的关键。刀具布置的参数主要有刀具布置方式、刀具间距、刀具高度等。

4.1 刀具布置方式

刀具是盾构机进行掘进的工具，充分发挥刀具的性能是延长盾构机工作寿命的关键。刀具布置在刀盘上，采用较好的布置方式，能够让滚刀更好的破岩，让切削刀更好的进行切削、刮切土壤和碎石[28]。刀具的布置要满足各个刀具的磨损尽量均衡，更换方便的刀具可以使其先磨损，尽量让刀具的寿命趋于一致；刀具与开挖面直接接触，来自加工面的反力通过刀具反作用于刀盘，刀具对刀盘的力要均匀，尽量均分在刀盘的主要承重区。

刀具在刀盘上的布置方式，现有阿基米德螺旋线、多阿基米德螺旋线和同心圆式三种布置[29]，如图9、图10所示。

图9 阿基米德螺旋线

图10 同心圆线

4.2 刀间距

刀间距是指布置在刀盘上的刀具，按照一定布置方式，每层之间的刀具在径向和周向之间的距离。刀间距要满足破岩、切削的要求，刀具间距受岩石硬度影响，在硬度较低的岩石中，刀间距应取值较大，在硬度较高的地层，刀间距应取值较小[30]。例如在破岩方面，滚刀在硬度较高的岩石上，刀间距应小一些，使得在一定的推力下，滚刀在岩石内部产生的裂纹能够贯通，从而达到破岩的功能，硬度较小时反之。