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        淺談盾構(gòu)機刀具的種類及其配置方式

        2015-12-23 06:53:06李健敏海瑞克廣州隧道設(shè)備有限公司廣東廣州510760
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2015年17期
        關(guān)鍵詞:切刀破巖滾刀

        李健敏(海瑞克(廣州)隧道設(shè)備有限公司,廣東 廣州 510760)

        淺談盾構(gòu)機刀具的種類及其配置方式

        李健敏
        (海瑞克(廣州)隧道設(shè)備有限公司,廣東 廣州 510760)

        在盾構(gòu)法隧道穿越過程中,盾構(gòu)機的刀具是盾構(gòu)開挖的主要工具,且刀具的好壞決定了整個掘進過程。所以選擇正確的刀具,并在刀盤上對其進行合理布置是至關(guān)重要的。本文著重介紹了刀具的種類及其配置方式。

        盾構(gòu)機;刀具;刀具配置

        一、刀具種類

        刀具是盾構(gòu)機重要的部件,其直接影響著盾構(gòu)施工進度。所以必須根據(jù)工程地段巖石的不同強度和地質(zhì)特點以及刀具在不同巖石中表現(xiàn)出的破巖機理來對刀具進行設(shè)計和選擇。為了適應(yīng)從軟土到硬巖不同地層的開挖,目前設(shè)計出多種刀具與之適應(yīng)。盾構(gòu)機刀具類型分為兩大類:滾刀和切削刀。而切削刀的種類繁多,包括:切刀、齒刀、邊刮刀、先行刀、仿形刀、魚尾刀。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。

        1 滾刀。滾刀用于掘進純巖地層;伴有大粒徑的礫石(粒徑大于400mm)并且含量達到一定比例的松散地層;巖石(強度不是太高)與一般土體(松土或砂土)交錯頻繁出現(xiàn)的復(fù)雜地層。采用滾刀破巖時,其破巖原理是:刀盤旋轉(zhuǎn)帶動刀具掃過開挖面,此時滾刀擠壓周邊的巖石,使其表面形成裂紋繼而與開挖面脫落,使得巖石成功破碎。滾刀按刀具形狀的不同分為:盤形滾刀和齒形滾刀;而根據(jù)安裝位置不同分為:正滾刀、中心滾刀、邊滾刀、擴孔滾刀;按照刀圈的數(shù)量分為單刃滾刀、雙刃滾刀和三刃滾刀。在風(fēng)化的砂巖和泥巖等軟巖地層時,一般采用雙刃滾刀;在較硬巖中采用單刃滾刀。

        2 切刀。切刀是盾構(gòu)機切削開挖面上體的主刀具。切刀用于開挖非巖質(zhì)或軟土地層;粒徑小于400mm的砂、卵石、粘土等松散體地層。切刀在切削和剝離土體時,其切削原理是:盾構(gòu)機向前推進的同時,切刀隨刀盤旋轉(zhuǎn)對開挖面土體產(chǎn)生軸向(沿隧道前進方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉(zhuǎn)切線方向)切削力,使得切刀的刀刃和刀頭插入到地層內(nèi)部,從而不斷將土體切削下來。

        3 先行刀(超前刀)。先行刀是先行切削土地的刀具。先行刀在主要是協(xié)同其他刀具進行開挖。先行刀顧名思義是先行,所以它先于切刀切削土體,將土體切割分塊,避免切刀先行切削到地層,起到保護作用。先行刀一般位于面板上,切削寬度一般比切刀窄,能夠增加土體的流動性,從而大大降低切削刀的扭矩,提高切削效率。先行刀分為貝殼刀和撕裂刀。

        4 仿形刀(超挖刀)。土壓平衡的盾構(gòu)機一般會在刀盤的邊緣布置一至兩把仿形刀,其作用是:當(dāng)施工進行時,通過仿形刀為切削土體創(chuàng)造所需空間,保證盾構(gòu)機在超挖少,對周邊土體干擾小的條件下,實現(xiàn)曲線推進和轉(zhuǎn)彎及糾偏。根據(jù)超挖范圍的要求,從邊緣徑向伸出和縮回仿形刀。仿形刀伸出范圍在70mm~150mm之間。

        5 魚尾刀。魚尾刀用于軟土地層掘進時,改善中心部分土地的切削問題和攪拌效果。它被安裝在刀盤中心部位,并高于切刀,保證魚尾刀最先切削土體。將魚尾刀根部設(shè)計成錐形,使刀盤旋轉(zhuǎn)時隨魚尾刀切削下來的土體,在徑向運動的基礎(chǔ)上以增加一項翻轉(zhuǎn)運動。

        二、刀具配置方式

        刀具在施工過程中能否達到最佳的切削效果和掘進速度,這與刀具的配置方式正確與否密切相關(guān)。在選擇刀具的配置方案時,需先了解工程地質(zhì)地層的實際情況,對其巖石、土層進行詳細的分析,從而得出最佳刀具配置方式。根據(jù)目前的地質(zhì)情況,大致分為以下四種土層: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。如南京、上海、杭州等地,以淤泥、粉質(zhì)粘土和小顆粒泥土為主的地質(zhì)。對此種地層進行挖掘,需采用切刀、中心刀、周邊刮刀、先行刀和超挖刀等切削刀具。切刀被安裝在開口槽的兩側(cè),覆蓋了整個進碴口的長度;為配合刀盤正反旋轉(zhuǎn),采用正反方向布置;為了進一少提高切刀的可靠性,要求在每個軌跡上至少布置兩把切刀。由于刀盤邊緣是最先接觸到土層,為了減少土層對刀盤切口環(huán)尺寸的影響,需在刀盤邊緣處正反方向各布置了八把刮刀??紤]到刀盤的受力均勻性,刀具布置具有對稱性,刀具安裝采用螺栓固定,便于更換。

        2 砂層、砂卵石地層的刀具。如北京,成都地區(qū),主要是以砂、卵石為主,摻雜有顆粒的巖石或者漂石的地層,對此地層進行挖掘時,需要配置寬幅切刀、中心刀、周邊刮刀、滾刀、先行刀(重型撕裂刀) 、仿形刀等刀具。切刀是主刀具,對大部分斷面進行開挖。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。周邊刮刀用于切削外周的土體,保證開挖斷面的直徑,所以也稱之為保徑刀。滾刀用于破碎粒徑較大的礫石或漂石。而重型撕裂刀則用于破碎強度較低和粒徑較小的卵石和礫石。先行刀用于預(yù)先疏松土體,降低切刀所受到的沖擊荷載。仿形刀用于曲線開挖和糾偏。

        3 風(fēng)化巖及軟硬不均地層的刀具。如廣州、深圳我國南部巖石區(qū)域較多,屬上軟下硬、地質(zhì)情況極為復(fù)雜,且局部巖石單軸抗壓強度達到(150MPa~200MPa);對此類地層進行挖掘時,需配置寬幅切刀、滾刀、仿形刀、先行刀。由于巖石層較為復(fù)雜,需先通過滾刀進行破巖,且滾刀的超前量應(yīng)大于切刀的,這樣才能使得滾刀磨損后仍能避免切刀進行破巖,確保切刀的使用壽命。仿形刀用于增大開挖直徑,使得在曲線半徑小的隧道掘進時,保證盾構(gòu)機的調(diào)向和避免出現(xiàn)盾殼被卡死的現(xiàn)象。

        4 單純的純硬巖地層的刀具。如秦嶺1線隧道,以混合片麻巖和花崗巖為主的地層,此地層只需配置滾刀,為了增強滾刀的使用效率,甚至可以在刀盤面板周邊開口處配備刮碴刮刀板。

        三、刀具配置的差異性

        盾構(gòu)機掘進時,刀具配置的差異會影響掘進速度和效果。對混合型地層進行施工時,刀具配置之間的差異主要來源于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。兩者之間合理的高度差能夠有效地防止泥餅的形成和利于巖石破碎。同樣兩滾刀間的間距也會對破巖產(chǎn)生巨大的差異,間距過小,會造成碎石增多,增大破巖難度;間距過大,滾刀將會出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象,無法有效破巖。為了避免滾刀間距不足或過小所產(chǎn)生的問題,需采取周邊滾刀間距小于90mm,正面滾刀間距為100mm~120mm的配置方式。

        結(jié)語

        刀具是刀盤中非常關(guān)鍵的部件,而刀盤又是盾構(gòu)機在整個挖掘過程中起至關(guān)重要的作用,所以為保證整個施工按時完成,在盾構(gòu)機施工前,必須考察工地地層的具體情況,根據(jù)地質(zhì)特點合理選取刀具,并對其進行合理配置是至關(guān)重要的。

        [1]楊威.盾構(gòu)機刀具配置方式研究[J].城市建設(shè)理論研究:電子版,2012 (11).

        U455

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