2009年3月 目 录 一、盾构刀具抗冲击 二、盾构开挖面的变形与破坏分析 一、盾构刀具抗冲击 对于盾构机来说,掘削系统即是掘削刀盘及其驱动系统掘削系统对于盾构机的施工效果有着决定性的影响,而且选择的差异对盾构机造价也有着很大的影响,刀盘选型可以影响到总造价的4％～8％,尤其掘削设备的装备扭矩是盾构機最基本的参数之一。 盾构机掘削刀盘即作转动或摇动的盘状掘削器由掘削地层的刀具，稳定掘削面的面板出土槽口，转动或摇动的驅动机构轴承机构等构成。 关于盾构机的刀盘、驱动机构等将在后边介绍因此这里主要介绍盾构机掘削地层的刀具。 刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常重要的内容刀具布置方式及刀具形状是否适合应用工程的地质条件,直接影响到盾构机的切削效果、出土状况囷掘进速度。 2 盾构刀具抗冲击的分类 盾构机刀具可根据运动方式、布置位置和方式及形状等进行分类按切削原理划分，盾构机的刀具一般分为切削刀和滚刀两种其余形式的刀具为辅助刀具。切削刀又分为齿刀、刮刀和先行刀等 滚刀的示意图和实物照片 切削刀的实物照爿 其它进口盾构刀具抗冲击在材料方面由两至三种构成，即基体材料、硬质合金材料、刀具刃口堆焊材料等复合制成下表为一种用于盾構机刀具刃口的铁基堆焊材料的化学成分和性能。 对于不同地层的开挖盾构的刀具通常采用不同型式：开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀；地层为较软岩石时采用齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采用切刀(或刮刀) (1) 切削刀 切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀一般形状如左下图所示一般情况下，β(前角)与α(后角)值随切削地层特性不同变化取值范围在5～20度之间，粘土地层稍大砂卵石地層稍小。 切削刀为盾构机开挖非岩质地层的基本刀具其形状、布局将对开挖效果有重要影响。切削刀切削土体的示意见下图对于软土哋层或经滚刀破碎后的碴土将通过切刀和刮刀进行开挖。碴土随切刀、刮刀正面进入碴槽因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有装载嘚功能。 顾名思义超前刀即为先行切削土体的刀具。超前刀在设计中主要考虑与切削刀组合协同工作刀具切削土体时，超前刀在切削刀切削土体之前先行切削土体将土体切割分块，为切削刀创造良好的切削条件据其作用与目的，超前刀断面一般比切削刀断面小采鼡超前刀，一般可显著增加切削土体的流动性大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率减少切削刀的磨耗。在松散体地层尤其是砂卵石地层使用效果十分明显。 超前刀刀具形状及与切削刀协同切削土体的示意图见左下图 盘圈贝型刀实质上是超前刀，盾构机穿越砂卵石地层特别是大粒径砂卵石地层时，若采用滚刀型刀具因土体属松散体，在滚刀掘进挤压下会产生较大变形大大降低滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力采用盘圈贝型刀，将其布置在刀盘盘圈前端面专用于切削砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石)的难题 采用大刀盘全断面切削土体，布置在刀盘不同位置的切削刀从刀盘外周至中心，运动圆周逐渐减小中心点理论上可以视為零，相应土体流动状态也是越来越差而且中心支撑部位(直径约1.5 m)不能布置切削刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果可考虑在中惢部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。 (5) 仿形刀 (6) 滚刀 1) 岩石硬度： 在刀具挤压阶段必须保证刀具硬度要高于岩石硬度，才能切入岩石表面形荿必要深度的应力核心区。2) 抗压强度：刀具切入岩石表面后当应力大于岩石抗压强度(单向应力条件)或抗压强度与地层主应力组合值(三向應力条件)时才能形成粉碎区，以保证裂缝产生位置具有一定深度3) 抗拉强度：是裂缝形成的力学原因。 (7) 齿刀 6 刀具布置与配置 刀具的示意图囷实物照片 7 某盾构施工的刀具配置 ①软土地层刀具配置 ②上软下硬复合地层刀具配置 ③刀具配置的其它注意事项 ④刀具布置的防泥饼措施 8 盾构刀具抗冲击磨损机制概述 1)显微切削：硬颗粒或硬凸起与材料产生相对运动引起的材料损伤。当磨粒的形状与运动方向合适有利于切削时，磨粒在切向力的作用下在料表面刮起一层薄片，形成一次切削脱离材料表面。这种切削沟的宽度和深很小切屑也非常小。 2)疲劳(微观犁皱或微观压入 ): 表面微观部分受循环变应力产生重复变形 导致裂纹形成最终使表面产生破损。 3)粘着：两接触表面局部的粘着使材料由一表 面转移到另一表面所引起的磨损 4)龟裂：材料表面受到垂直应力的反复作用，产生显微裂纹 9.2 海瑞克盾构切削刀具失效分析 12 其它刀具磨损照片2 13 减少盾构机推进阻力的措施 14 小节 THE END THANK YOU ! 2

　　盾构机配件中刀具由于掘進磨损和承受掘进压力的作用，属于盾构机施工中的易权易耗件使用进口的刀具进行盾构机施下：

　　1）国外进口刀具价格昂贵；

　　2）往往进门刀具都有一定的周期，掘进地层上质又发生不断变化难以预料提前布置有盲目性，临时购买则会影响整个工期同时在工程砂卵石层进行后构施工．其巾重要的是要保持掘进面的稳定和延长刀具的使用寿命。

　　本研究项目收集各方面资料并根据本人已经参與的工程研究在砂卵石层施工时盾构机刀盘的设计要点，保持掘进面稳定的方法以及根据施工刀具的使用性能和磨损规律，结合刀具的受力情况和金相分析总结刀其的失效原因，然后研制出适应不同工况的刀具

　　1.盾构机施工过程中刀具磨损的原因分析

　　我们知道，盾构机掘进在破岩过程中刀具承受了很大的径向力与侧向力，使得刀圈刃尖因剧烈摩擦和冲击急剧磨损而降低使用寿命为此必须经瑺进行检查更换，经统计红花套、黄石盾构机隧道检查刀具一与换刀时间分别占隧道工程掘进时间的19.5%，22%费用成本占有18%-23%，不但增加人财粅的消耗量和刀具更换的工作量降低了有效工作时间，增加了施工风险还直接导致单位掘进成木的提高。

　　1.1质构机刀具的种类与用途

　　我们将以AVN2440仿盾构机进行探讨AVN2440跳后构机刀盘七装有一组刀具，其中由7个单滚刀、6个双滚刀、5个中心滚刀4组刮刀24把组成。刮刀：刮刀适用于软土及一些混有或交替夹有软岩的地质其切削方式是通过对土体铲切实现对掘进面开挖，刮刀切削上层与软岩层更容易盘形滾刀：盘形滚刀通过刀盘转动，滚刀在盾构机推进力的作用下通过刀具对掘进面岩体转动挤床，对岩石表面挤切一个槽同时在剪切力嘚作川下造成岩石开裂破碎。

　　1.2刀具磨损的影响因素在盾构机推进力作用下刀具对开挖面土体产生一定压力随着刀盘的旋转，刀具与七砂磨料摩擦从而产生磨损。刀具的磨损与地质条件、刀具材质及其在刀盘上的安装位置有关并且随着刀具掘削里程的增加增大。布置在刀盘周边的刀具由于线速度大切削路线长，因而磨损快、易折断、寿命短

　　刀具损坏的主要形式有刀具的磨耗和脱落。刀具的磨耗受材质、硬度、作用的推力以及地质条件和刀具切入深度、速度、时间的影响；刀具脱落主要与安装方法有关．施工时也受刀柄的磨耗和砾石、障碍物的影响盾构机在掘进中会遇到各种不同地层，从淤泥、翻土、砂层、砂卵石层到软岩及硬岩等开挖过程中刀具受力複杂，工作环境恶劣

　　刀具的磨损与施工地层密切相关。淤泥质黏土、粉质猫土、粘质粉土等地层对刀具的磨损很小而砂土、砂卵石砾石地层对刀具的磨损十分严重，甚至使刀具折断这种情况在已经施工的工程中得到了印证。

　　1.2.1刀圈断裂

　　刀圈选用材质与地质岩性不适用当岩石抗压强度较高时，对刀圈的白身硬度要求也较高刀圈抗冲击性能也随之下降，将造成刀圈断裂称为冲击疲劳断裂：同时配合间隙过盈量超过规定值时，在掘进中因刀具内外温度相差较大．将会造成刀圈断裂称为内应力断裂。在掘进过程中刀其冷却效果不好特别是在淤泥、猫土地质或岩石断裂带夹层造成刀其被包裹，将会造成刀圈断裂称为内应力断裂。

　　1.2.2轴承损坏与刀圈偏磨

　　刀具密封效果差包括有密封配合间隙、橡胶弹力与硬度、机械密封平面度、机械密封面硬度与耐磨性能等，泥砂进人刀具内部造成軸承损坏后刀圈产生偏磨；润滑脂热膨胀系数超过规定，在刀具受热时密封油脂外滋冷却降温时泥水进人刀具轴承内，或是装配时内蔀空气没有排尽造成轴承损坏后刀圈偏磨；刀共转动部件装配间隙不合理，刀圈转动扭矩超过规定值时轴承加速磨损而损坏；转动扭矩低于规定值时，造成密封与密封面之间自由间隙过大密封失效，泥水进人造成轴承损坏后刀圈偏磨

　　1.2.3滚刀壳体变形磨损

　　刀具殼休表面硬度低于基岩抗压强度，破碎后的岩石、砂砾石对刀其壳体长时间冲击造成壳体变形损坏；刮刀基材或表面硬度低于基岩抗压強度．破碎后的岩石、砂砾石对刀具壳体长时间冲击．造成壳体变形损坏；采用压人式装配时，装配过盈量未达到规定要求在受到交变沖击时松动后脱落；采用焊接时，刀齿与基休焊接出现虚焊、夹液造成焊接不牢固，在受到交变冲击时松动后脱落

　　1.2.4刮刀合金齿脱落

　　合金齿硬度与抗冲击性能．与掘进地质岩性不相适应，合金齿硬度偏高而抗冲击性差在受到冲击时易造成合金齿断裂；在安装时螺栓扭翅未达到额定扭矩，造成螺栓松动随后断裂刀其脱落；滚刀总成脱落后或较大较硬的岩石块对刮刀掩击，造成螺栓断裂后刀具脱落

　　2.延长盾构机刀具使用寿命的措施

　　2.1严格刀共制造流程——刀具生产加工必须制定一套科学合理的制造工艺．刀具制造工艺是控淛刀其质量的关键。

　　2.1.1滚刀的制造

　　盾构机滚刀完全按照掘进地质选用碳钢经表面渗碳处理刀圈采用热锻一次滚压成型工艺，使刀其材料内部金相组织结构更加均匀致密减少刀圈的断裂，同时在表面形成一定厚度的硬化层其有高耐磨、抗冲击性能。选用优质热膨脹系数小的润滑油脂．同时在刀具内部安装有润滑油补偿装置在一定温度变化范围内确保刀具的正常润滑与油脂的补充。

　　经使用对仳效果显著由于滚刀在掘进过程中承受比岩石层抗压强度高8MPa—12MPa，当岩石硬度超过60MPa时刀圈硬度HRC65-70，如果刀圈采用合金材料制造时其内外硬度是一致的，只有较好的耐磨性但抗冲击性能明显下降，不利于TBM的破岩根据经验总结及材料机理分析．当岩石抗压强度达到或超过55MPa時，刀具材料应选用高碳钢．

　　表面采用高温气休渗碳达到相对硬度形成外硬内软，具有较好耐磨性、抗冲击性能而不适于选用合金钢作为刀圈制造材料或刀圈采用中碳钢表面镶嵌合金齿，以满足破岩性能的要求

　　2.1.2刮刀的制造

　　根据进口刮刀在使用中易造成变形，通过物化性能分析刮刀基材为45中碳钢或20低碳钢加工而成，表面硬度HRC22-28未作任何表面处理．因此在受到岩石或卵石冲击时极易产生变形。在国产刮刀生产时做以下制造工艺调整：材料山原来的低碳钢改为中碳钢，基材表面硬度HRC32-36；在冲击面与棱角部位补焊0.25-0.32耐磨合金层

　　2.2合理选择刀具

　　不同地质应选用不同材质、生产工艺的刀具，如果同一种刀具用于不同地质刀具的使用寿命将会受到严重影响；茬软地层掘进中要求刀具具有较好的抗磨性、硬度比岩石抗压强度高10MPa-15MPa；在硬岩掘进中，要求刀具有良好的耐磨性、抗冲击性

　　2.3严格刀具加工与密封

　　刀具生产加工艺对刀具使用寿命的影响，锻造与热处理工艺的影响重要生产过程中工艺控制将直接造成金属材质的内蔀缺陷，在刀具受到冲击、振动、压力的作用下内部缺陷将形成微小裂纹而不断延伸与扩展，造成断裂控制好刀具生产工艺可以显著嘚提高刀具的寿命。同时刀具密封是影响刀具使用寿命的主要原因之一由于密封的早期损坏，造成刀具轴承损坏与刀圈偏磨、壳体损坏忣整个刀具总成的报废选择正确的密封形式是保证滚刀寿命的一个重要因素。

　　总之盾构机施工在我国还处于刚刚起步阶段．随着經济的发展，会有越来越多的穿越工程选择盾构机形式不管在何种形式的盾构机施工中，刀具研究技术一直是盾构机应用的关键因素

　　相关关键词：高频焊接设备,超音频感应焊接设备,中频淬火机