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              盾構刀具分類及用途

              文章出處:聊城市華中鋼管制造有限公司作者:聊城市華中鋼管制造有限公司發表時間:2019/10/29
              刀具形狀及其作用
              刀具的形狀必須適應施工地質的特點,并且刀具在切削斷面不同的位置其作用及要求均不同,因此應對刀具進行設計。
              ①刀具在砂、砂卵石地層中的切削效率,即如何減少切削阻力,保證切削土體的流動性。
              ②通過刀具形狀的改變,減少刀具掘進磨損,提高刀具的耐久性。
              ③適應城市繁華地區施工的需要,盡可能減少刀盤旋轉刀具切削土體過程對周邊土體及環境的干擾,如振動、噪音等。
              ④如何從材料和設計方面,對解決盾構機在砂卵石地層掘進時刀具的磨損(包括撞擊掉塊等)提出切實可行的措施,保證盾構機刀具長距離掘進的可靠性。
              (1) 刀具的類型及切削原理
              目前盾構機刀具按切削原理劃分,一般公認有滾刀和切削刀兩種類型(根據隧道圍巖性質不同、切削目的不同,這兩類刀具還可進一步細分)。滾刀的切削原理主要是刀具依靠擠壓破巖,一般用于巖石隧道的掘進。當雖然穿越松散地層但有大粒徑的礫石(粒徑大于400mm)、并且含量達到一定比例時,也可采用滾刀型刀具。另在隧道地質條件復雜多變、巖石(強度不算太高)與一般土體(或粘土或砂土)交錯頻繁出現的情況,也有可能采用滾刀型刀具,即在復合式盾構機中采用。
              切削刀的切削原理則主要是盾構機向前推進的同時,刀具隨刀盤旋轉對開挖面土體產生軸向(沿隧道前進方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉切線方向)切削力,不斷將開挖面前方土體切削下來。切削刀一般適用于粒徑小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散體地層。
              (2)主要刀具形狀及作用
              ①切削刀
              切削刀是盾構機切削開挖面土體的主刀具,切削刀一般形狀如圖15所示。一般情況下,β(前角)與α(后角)值隨切削地層特性不同變化,取值范圍在5°~20°之間,粘土地
              層稍大,砂卵石地層稍小。比如北京市地層特點,β(前角)和α(后角)值建議采用15°。

              ②超前刀(也稱先行刀)
              顧名思義,超前刀即為先行切削土體的刀具。超前刀在設計中主要考慮與切削刀組合協同工作。刀具切削土體時,超前刀在切削刀切削土體之前先行切削土體,將土體切割分塊,為切削刀創造良好的切削條件。據其作用與目的,超前刀斷面一般比切削刀斷面小。采用超前刀,一般可顯著增加切削土體的流動性,大大降低切削刀的扭矩,提高刀具切削效率,減少切削刀的磨耗。在松散體地層,尤其是砂卵石地層使用效果十分明顯。

              ③盤圈貝型刀
              盤圈貝型刀實質上是超前刀,盾構機穿越砂卵石地層,特別是大粒徑砂卵石地層時,若采用滾刀型刀具,因土體屑松散體,在滾刀掘進擠壓下會產生較大變形,大大降低滾刀的切削效果,有時甚至喪失切削破碎能力。針對北京市大粒徑砂卵石地層的特性,根據筆者在日本的施工經驗,建議采用盤圈貝型刀,將其布置在刀盤盤圈前端面,專用于切削砂卵石。采用盤圈貝型刀可較好地解決盾構機切削土體(砂卵石)的難題。

              ④魚尾刀
              采用大刀盤全斷面切削土體,布置在幅條上不同位置的切削刀,從刀盤外周至中心,運動圓月逐漸減小,中心點理論上可以視為零。換言之密封艙內切削土體的運動長度也是由外至內逐漸變小,相應土體流動狀態也是越來越差。而且中心支撐部位(直徑約1.5
              m)不能布置切削刀,為改善中心部位土體的切削和攪拌效果,可考慮在中心部位設計一把尺寸較大的魚尾刀(詳見魚尾刀切削土體示意圖19)。根據經驗,色尾刀的設計和布置可應用兩個技巧:其一讓盾構機分兩步切削土體,利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面(直徑約1.5
              m)土體,而后擴大到全斷面切削土體,即將魚尾刀設計與其他切削刀不在一個平面上,一般魚尾刀超前600
              mm左右,保證魚尾刀最先切削土體;其二是將魚尾刀根部設計成錐形,使刀盤旋轉
              時隨魚尾刀切削下來的土體,在切向、徑向運動的基礎上,又增加一項翻轉運動(如同犁地一般):這樣既可解決中心部分土體的切削問題和改善切削土體的流動性,又大大提高盾構機整體掘進水平。

              ⑤仿形刀
              盾構機一般設計兩把仿形刀(一把備用),布置在輻條的兩端。施工時,可以根據超挖多少和超挖范圍的要求,從輻條兩端徑向伸出和縮回仿形刀,達到仿彤切削的目的。仿形刀伸出最大值一般在80~130mm之間。盾構機在曲線段推進、轉彎或糾偏時,通過仿形超挖切削土體創造所需空間,保證盾構機在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下,實現曲線推進和順利轉彎及糾偏,因而盾構機需設置仿形刀。
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