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對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具配置方式研究論文
摘 要：盾構(gòu)機(jī)刀具配置是盾構(gòu)機(jī)刀具設(shè)計(jì)管理中的重要內(nèi)容，本文著重介紹盾構(gòu)機(jī)刀具的主要種類和其進(jìn)行工作的原理，同時(shí)針對(duì)不同地質(zhì)層的情況，提出刀具的配置的差異與不同，并且針對(duì)盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中進(jìn)行隧道掘進(jìn)是，刀具配置使用的問題。
關(guān)鍵詞：刀具配置，地質(zhì)層 ，盾構(gòu)機(jī)
一、概述
盾構(gòu)機(jī)刀具的配置是在盾構(gòu)機(jī)刀具設(shè)計(jì)當(dāng)中非常重要的內(nèi)容，其的詳細(xì)配置關(guān)系到其符合使用的地址條件和要求，而且針對(duì)不同的盾構(gòu)機(jī)的地質(zhì)，其的使用壽命、切削的效果、出土的狀況和掘進(jìn)的速度和效果、施工的進(jìn)度和要求都會(huì)受到直接的影響。
二、刀具種類和切削原理
1、刀具的種類
盾構(gòu)機(jī)刀具是根據(jù)工程地段硬巖、軟巖的不同強(qiáng)度和地質(zhì)特點(diǎn)，根據(jù)刀具在軟、硬巖中不同的破巖機(jī)理來進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇的。刀盤上可以安裝不同類型的刀具以適應(yīng)不同地層的開挖，主要刀具類型為：雙刃滾刀、中心滾刀、齒刀、切刀、弧形刮刀和仿形刀。其中滾刀和齒刀的刀座形式相同，根據(jù)不同的地質(zhì)類型兩種刀具可以互換。在硬巖中掘進(jìn)時(shí)刀盤需安裝雙刃滾刀、中心刀，在軟巖中掘進(jìn)時(shí)可以根據(jù)需要把雙刃滾刀、中心刀更換為對(duì)應(yīng)形式的齒刀。
2、切削的主要原理
盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理就是一個(gè)圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進(jìn)邊對(duì)土壤進(jìn)行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護(hù)盾，它對(duì)挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時(shí)支撐的作用，承受周圍土層的壓力，有時(shí)還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行。其主要分為以下三個(gè)階段：
1、盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)
液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，同時(shí)開啟盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸，將盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)，隨著推進(jìn)油缸的向前推進(jìn)，刀盤持續(xù)旋轉(zhuǎn)，被切削下來的碴土充滿泥土倉，此時(shí)開動(dòng)螺旋輸送機(jī)將切削下來的渣土排送到皮帶輸送機(jī)上，后由皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸至渣土車的土箱中，再通過豎井運(yùn)至地面。
2、掘進(jìn)中控制排土量與排土速度
當(dāng)泥土倉和螺旋輸送機(jī)中的碴土積累到一定數(shù)量時(shí)，開挖面被切下的渣土經(jīng)刀槽進(jìn)入泥土倉的阻力增大，當(dāng)泥土倉的土壓與開挖面的土壓力和地下水的水壓力相平衡時(shí)，開挖面就能保持穩(wěn)定，開挖面對(duì)應(yīng)的地面部分也不致坍坍或隆起，這時(shí)只要保持從螺旋輸送機(jī)和泥土倉中輸送出去的渣土量與切削下來的流人泥土倉中的渣土量相平衡時(shí)，開挖工作就能順利進(jìn)行。
3、管片拼裝
盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一環(huán)的距離后，拼裝機(jī)操作手操作拼裝機(jī)拼裝單層襯砌管片，使隧道—次成型。
三、刀具配置方式
刀具的配置方式需要綜合當(dāng)前工程地質(zhì)地層的實(shí)際情況，通過了解地層的巖石、土層情況之后，根據(jù)不同的工程地質(zhì)特點(diǎn)，選取不同的刀具配置方案，最終達(dá)到最好的切削效果和掘進(jìn)速度。依據(jù)當(dāng)前的地層的土質(zhì)情況，我們大致可以將土層分為以下四種土層：軟弱土地層；砂層、砂卵石地層；風(fēng)化巖及軟硬不均地層；單純的純硬巖地層。
1、軟弱土地層的刀具
這些土質(zhì)層主要是以淤泥、粘土和粉質(zhì)粘土為主，他們其中的巖石非常少，主要是以小顆粒泥土為主，因此在選擇使用切削刀具時(shí)，一般采用切刀、周邊刮刀、中心刀、先行刀和超挖刀。這些刀具的切刀安裝在開口槽的兩側(cè)，覆蓋了整個(gè)進(jìn)碴口的長度。刮刀安裝在刀盤邊緣。由于刀盤需要正反旋轉(zhuǎn)，因此切刀的布置也在正反方向布置，為了提高切刀的可靠性，在每個(gè)軌跡上至少布置2把。在周邊工作量相對(duì)較大，磨損后對(duì)盾構(gòu)切口環(huán)尺寸影響較大，在正反方向各布置了8把刮刀�？紤]到刀盤的受力均勻性，刀具布置具有對(duì)稱性。刀具安裝采用螺栓固定，便于更換。在切刀或刮刀的刃口和刃口背面鑲嵌有合金和耐磨材料，以延長刀具的使用壽命，切刀的破巖能力為20MPa，可以順利地通過進(jìn)出洞端頭的加固地層。
2、砂層、砂卵石地層的刀具
一些地區(qū)的地質(zhì)土層主要是以砂，卵石地層為主，而其中會(huì)含有顆粒加到的巖石或者漂石，這需要配置滾刀以防不備。在此砂層、砂卵石地層施工時(shí)，需要設(shè)置（寬幅）切刀、周邊刮刀、先行刀（重型撕裂刀）、中心刀、仿形刀等刀具。切刀是主刀具，用于開挖面大部分?jǐn)嗝娴拈_挖；周邊刮刀也稱保徑刀，用于切削外周的土體，保證開挖斷面的直徑；先行刀在開挖面沿徑向分層切削，預(yù)先疏松土體，降低切刀的沖擊荷載，減少切削力矩，同時(shí)重型撕裂刀用于破碎強(qiáng)度較低和粒徑較小的卵石和礫石；中心刀用于開挖面中心斷面的開挖，起到定心和疏松部分土體的作用；仿形刀用于曲線開挖和糾偏。滾刀用于破碎粒徑較大的礫石或漂石。
3、風(fēng)化巖及軟硬不均地層的刀具
在我國的南部巖石區(qū)域較多，屬于上軟下硬，地質(zhì)情況極為復(fù)雜，而且部分的巖石抗壓能力能夠達(dá)到150—200Mpa左右，因此進(jìn)行此類巖石挖掘時(shí)，還需要增加上切削型刀具外包括寬幅切刀，而其施工時(shí)徐奧提供先行到，在到滾刀。由于巖石層較為復(fù)雜，因此整個(gè)破巖的過程應(yīng)當(dāng)為首先通過滾刀進(jìn)行破巖，且滾刀的超前量應(yīng)大于切刀的超前量，在滾刀磨損后仍能避免切刀進(jìn)行破巖，確保切刀的使用壽命。在曲線半徑小的隧道掘進(jìn)時(shí)，為了保證盾構(gòu)的調(diào)向和避免盾殼被卡死，需要有較大的開挖直徑，因此刀盤上需配置滾刀型的仿形刀（或超挖刀）。
4、單純的純硬巖地層的刀具
單純硬巖地層應(yīng)當(dāng)直接誒選用滾刀，而無需任何齒刀直接使用，甚至可以在刀盤面板周邊開口處配備刮碴刮刀板，以便能夠增強(qiáng)滾刀的使用效率。
四、刀具配置的差異性
在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘土?xí)r，需要注意的到刀具配置的差異會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度和效果，因此選擇合適的刀具對(duì)于工程進(jìn)度非常有幫助。在復(fù)合型地層施工時(shí)，刀具配置之間的差異主要變相在滾刀和先行刀之間的參數(shù)配置、數(shù)量、厚度、高度以及相互組合的差異上。其主要的表現(xiàn)為刀具高能夠有效的方式泥餅的形成，高度差異過大有利于將巖石徹底破碎。而且滾刀刀間距過大和過小都會(huì)對(duì)破巖產(chǎn)生巨大的差異。刀具間距過大，滾刀將會(huì)出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象，從而無法有效的破巖，而滾刀間距過小，小塊的碎石就會(huì)增多，導(dǎo)致巖石破碎難度增大。因此在復(fù)合地層中間進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，需要使用周邊滾刀間距小于90mm，正面滾刀間距大約為100mm—120mm的盾構(gòu)機(jī)，從而能夠防止?jié)L刀間距不足或過小產(chǎn)生的問題。當(dāng)然為了能夠保證實(shí)際施工效果，使用盾構(gòu)機(jī)的刀具間距最好經(jīng)過考察的工地地層的巖石情況具體而定。
五、結(jié)束語
刀具的配置關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)是否能夠迅速掘進(jìn)，而且也關(guān)系到整個(gè)施工進(jìn)度是否能夠按時(shí)完成，這必須要對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)的了解與分析。在盾構(gòu)機(jī)施工前，對(duì)工地地層合理選取掘進(jìn)參數(shù)和掘進(jìn)方法（例如：位置的選取、巖石層的勘查，總推力的確定、刀具貫入度、轉(zhuǎn)速等詳細(xì)參數(shù)），通過了解盾構(gòu)機(jī)的使用方法才能最大限度的保證刀具的使用壽命，減少換刀的效率，而減少施工中浪費(fèi)刀具的情況。
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