一种盾构机滚刀刀箱辅助定位装置的分析与应用

陈科锋

（浙江交工集团股份有限公司地下工程分公司，浙江 杭州 310000）

1 项目概况

盾构机作为一种大型工程机械，在城市地铁、铁路隧道、公路隧道、市政管网、引水隧道等大型工程建设领域扮演着重要角色。一般盾构机与所选的地质是相对应的，而作为盾构机牙齿的刀具也和地质情况紧密联系。因此，为了保证盾构机的牙齿可以正常且高效地工作，支撑它的刀箱就显得分外重要，以往定位刀盘上的刀箱需要将体积大且笨重的滚刀与对应的刀箱配合后整体焊接至刀盘上，这样操作能十分准确地保证刀箱位置度，但是却也存在这样的缺点：刀具体积大，质量重；容易受到刀具厂家供货限制，影响生产计划；操作复杂，花费在组装配合上的时间比例大。针对这一情况，提供了一种盾构机滚刀刀箱辅助定位装置，该装置可以有效克服以往刀箱的这些缺点，又能保证重要配合尺寸，实现刀箱的准确定位。

2 滚刀刀箱辅助定位装置的设计

2.1 设计思路分析

盾构机完整的滚刀由刀轴、密封装置、刀圈、刀体、刀毂、端盖、轴承等部件组成。滚刀有单联、双联和多联之分，图1为盾构机双联滚刀结构示意图。完整的滚刀结构复杂，质量大，若利用此滚刀来定位刀箱不易操作，稍有不慎便会伤及自身。

图1 盾构机双联滚刀结构示意图

滚刀和刀箱的结构如图2所示，刀具与刀箱配合时主要是依靠螺杆使刀轴两端的平面、斜面和楔形块紧密配合，而对于滚刀其他的外形尺寸，只有螺纹孔的位置和刀圈的直径有关，所以可以设计一种工装，只需要能够保证配合面精度、位置度、平行度、对称度，还要尽量减轻整体质量。观察图2中装配图可发现，刀轴两端与端盖配合，端盖上有与刀箱和楔形块配合的面，利用连接螺栓通过楔形块将滚刀安装到刀箱上[1-3]。

图2 滚刀和刀箱的结构示意图

针对上述缺陷，设计思路是：缩小滚刀体积，减轻刀具重量；保留或者体现刀具重要配合面和尺寸；设计吊装螺栓，提高工作效率。

2.2 结构分析

针对盾构机传统滚刀刀箱在应用中存在的缺点，提供了一种重量轻、便于运输与刀箱安装定位的盾构机滚刀刀箱辅助定位装置，该装置的结构如下页图3所示。该装置主要包括左刀座、右刀座、连接轴、楔形面、底面、螺纹孔、连接螺孔、螺栓组件等部件。

从图3可知，固定连接于左刀座和右刀座之间设置有连接轴，连接轴轴面上有若干个呈弧形或圆形的刀片，左刀座和右刀座具有与刀箱配合的楔形面和放置底面，楔形面和放置底面上设有贯穿左刀座和右刀座的螺纹孔，刀片的外径与滚刀的外径一致。

图3 新型盾构机滚刀刀箱辅助定位装置结构示意图

上述刀片呈弧形，其处于连接轴的最高处；连接轴呈管状，连接轴由圆钢或无缝钢管支撑，能大幅降低自重，便于安装定位。连接轴穿设于左刀座和右刀座内，左刀座和右刀座的上端面上分别开设有连接螺孔，连接轴通过分别连接于连接螺孔内的螺栓组件与左刀座和所述右刀座相固定连接。刀片有两个，其对应双联滚刀的安装刀箱。

2.3 技术特点

设计的新型滚刀刀箱辅助定位装置具有以下技术特点：结构简单，便于运输，操作简便，生产效率有明显提高，同时也能保证刀箱的位置精度，为滚刀提供安全的支撑作用。

2.4 设计过程

首先将对应的滚刀主要的几何尺寸、配合尺寸测绘出来，利用各种型材制成各必要部件，如：刀座（对应滚刀中的刀座）、刀片（对应滚刀中的刀圈）、连接轴（对应滚刀的刀轴）等拼接组装成定位装置（对需要有配合要求的位置进行机加工），代替滚刀来组装刀箱，定位刀箱，从而保证后期滚刀在掘进过程中不会出现刀圈偏磨、刀圈崩裂、刀圈卷刃以及其他异常损坏。

3 实践应用及效果分析

3.1 工程概况

济南轨道交通R2线7标段区间采用盾构法施工，使用中铁装备土压平衡盾构机，该机配套辐条面板式刀盘，装有单刃滚刀、齿刀等刀具，中心为18寸四联双刃滚刀。该项自右线盾构推进至622环时，发现掘进速度异常缓慢，结合地勘资料以及现场出渣情况断定当时所处地质为中风化灰岩（取样实验该处岩石单轴抗压强度105 MPa）。初步判断盾构机刀具有损坏，经停机进一步开仓检查发现四联中心刀掉落、刀箱结构磨损、挤压严重变形（如图4所示），需要更换滚刀及中心刀箱。

图4 双联滚刀结构刀箱严重变形示意图

3.2 更换方案

1）进一步检查工作环境。经过开仓实际勘察确定盾构机前方掌子面为全断面中风化灰岩，岩层稳定，此处隧道覆土深度17.5 m，确定采用常压作业可行。进一步探明目前围岩渗水量约300 m3/h，土舱内需要降水作业。

2）确定方案及工艺流程。明排降水→人工破除刀箱前工作洞口→搭建焊接工作平台→测量安装刀箱位置定位尺寸→割除原损坏刀箱→倒出损坏中心刀箱一测量安装刀箱位置尺寸→倒入中心刀箱→刀箱整体定位（采用盾构机滚刀刀箱辅助定位装置→焊接刀箱→刀箱限位板定位焊接→安装新刀具→恢复掘进。

3.3 效果分析

本次更换刀箱工期为10 d，在恢复掘进一环后开仓对刀具螺栓复紧，利用此机会对刀箱焊接质量进行检查。在后续掘进过程中注意及时对掘进参数进行调整，及时开仓检查，更换磨损刀具，整个区间共1 100环，盾构机出洞后对更换刀箱进行了检查，状况良好。盾构机滚刀刀箱辅助定位装置的应用，有效保障了盾构机滚刀刀箱的更换质量和速度，该装置结构简单，便于运输，操作简便，生产效率有明显提高，同时也能保证刀箱的位置精度，为滚刀提供安全的支撑作用[4-6]。

4 结语

针对盾构机刀箱更换中存在的问题，提供了一种盾构机滚刀刀箱辅助定位装置，该装置主要包括有左刀座、右刀座、连接轴、楔形面和放置底面螺纹孔等部件，装置结构简单，便于运输和操作。在济南轨道交通R2线7标段土压平衡盾构机刀箱更换中对该装置进行了实践应用，效果理想，有效保证了刀箱的位置精度，为滚刀提供安全的支撑作用。