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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(wèn)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(lái)的碴土充滿泥土倉(cāng)，此時(shí)開(kāi)動(dòng)螺旋輸送機(jī)將切削下來(lái)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(guò)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(cāng)和螺旋輸送機(jī)中的碴土積累到一定數(shù)量時(shí)，開(kāi)挖面被切下的渣土經(jīng)刀槽進(jìn)入泥土倉(cāng)的阻力增大，當(dāng)泥土倉(cāng)的土壓與開(kāi)挖面的土壓力和地下水的水壓力相平衡時(shí)，開(kāi)挖面就能保持穩(wěn)定，開(kāi)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(cāng)中輸送出去的渣土量與切削下來(lái)的流人泥土倉(cāng)中的渣土量相平衡時(shí)，開(kāi)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(guò)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(kāi)口槽的兩側(cè)，覆蓋了整個(gè)進(jìn)碴口的長(zhǎng)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(zhǎng)刀具的使用壽命，切刀的破巖能力為20MPa，可以順利地通過(guò)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(kāi)挖面大部分?jǐn)嗝娴拈_(kāi)挖；周邊刮刀也稱保徑刀，用于切削外周的土體，保證開(kāi)挖斷面的直徑；先行刀在開(kāi)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(kāi)挖面中心斷面的開(kāi)挖，起到定心和疏松部分土體的作用；仿形刀用于曲線開(kāi)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(guó)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(guò)程應(yīng)當(dāng)為首先通過(guò)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(kāi)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(wú)需任何齒刀直接使用，甚至可以在刀盤面板周邊開(kāi)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(guò)大有利于將巖石徹底破碎。而且滾刀刀間距過(guò)大和過(guò)小都會(huì)對(duì)破巖產(chǎn)生巨大的差異。刀具間距過(guò)大，滾刀將會(huì)出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象，從而無(wú)法有效的破巖，而滾刀間距過(guò)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(guò)小產(chǎn)生的問(wèn)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(guò)考察的工地地層的巖石情況具體而定。
五、結(jié)束語(yǔ)
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(guò)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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