技术与市场
技术研发
2017年第24卷第6期
卵砾石地层盾构刀具改造技术研究
刘华
(中铁十四局集团大盾构工程有限公司，山东济南050061)
摘要：为了提升卵砾石地层下盾构掘进效率，对原有盾构进行刀具适应性改造，割除了刀盘上除仿形刀之外的所有刀 具，重新布置了中心鱼尾刀、切刀、先行撕裂刀、边缘刮刀、外周强化刀和保径刀。改造后的刀具布置方式成功应用于兰 州隧道地铁施工，所提刀具布置改造技术有效提高了盾构掘进效率。关键词：卵砾石地层；盾构；刀具
doi ： 10. 3969/j. issn. 1006 - 8554. 2017.06.034
〇引言
随着我国地铁建设高速发展，盾构由于其掘进效率高、可 靠性强等[1<诸多优点，被广泛应用于地铁隧道开挖。盾构一 般采用“量身定做”的方式进行设计制造，专门针对于某一地 层，但盾构在某地层掘进完后转移到其他工地时，由于掘进地 层力学参数的变化，使得盾构刀具乃至刀盘表现出严重的地质 不适应性，具体为盾构掘进效率低、刀具消耗量大等工程问题， 为了提升盾构机在新地层中的适应性，往往对盾构刀具或者刀 盘进行适应性改造，以提升盾构掘进效率。
在盾构刀具改造方面，主要有以下研究。李德洋等[4]依据 北京地铁大漂石地层盾构施工，针对性的改造了刀具布置方 式，并改进了刀具保护方式，提升了刀具使用寿命。吴[5] 结合南水北调工程，对大埋深、高水压下工程条件提出了刀具 适应性改造方案。凌波等[]针对复合地层泥水盾构施工，提出 了中心刀具适应性改造，降低了掘进过程施工风险。张人志[] 基于无水砂卵石地层盾构机施工，依据切削设计原理提出了刀 具适应性改造技术，有效降低了刀具磨损。韩兵[8]通过改造某 些轨迹先行贝壳刀，提出分次切筋的切削机理，改造出了适合 切削钢筋混泥土桩的刀具布置方法。王凯[9]在分析刀具失效
基本规律的基础上，提出了适用于卵砾石地层的盾构刀具布置 和改造技术。上述盾构刀具改造技术具有很好的参考作用，均 具有一定的地层适应性，但上述研究未涉及到富水砂卵石地层 下的刀具布置改造技术，本文以首次穿黄河隧道施工为背景， 对盾构刀具进行技术改造，以适应富水砂卵石地层盾构施工， 为后续相关盾构施工提供一定参考。1
工程简介
兰州市轨道交通1号线一期工程土建I标段2工区陈官 营〜奥体中心区间采用土压盾构机施工。该区间跨越的地形 地貌比较复杂，地貌单元随地形变化主要有黄河高漫滩，黄河 一级阶地，黄河二级阶地。
陈官营〜奥体中心区间隧道埋深8. 3 ~ 13. 2 m,盾构穿越 段主要地层为卵石层，卵石含量多、粒径大，存在普遍分布粒径 大于20 cm的漂石，分布随机性较强，如图1所示。陈官营〜 奥体中心区间地下水位埋深3. 10 ~ 10. 90 m(隧道埋深8. 3 ~ 13.2 m),高程介于1 524. 00 ~ 1 536.74 m之间。地下水位具 有由南西向北东缓慢降低的趋势。地下水主要赋存于卵砾石 土中，属孔隙性潜水。
图1
2
刀具的选择和布置 2.1刀具种类与数量
区间地质情况（砂卵石）
今需要割除刀盘上除仿形刀之外的所有刀具，按照刀具轨迹布置图，重新焊接匹配兰州砂卵石底层的加强型刀具，包含中心鱼尾刀、切刀、先行撕裂刀、边缘刮刀、外周强化刀和保径刀。
原有刀盘刀具是针对长三角软流塑地层“量身定做”的，如
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改造后刀盘共设置1把中心鱼尾刀，44把切刀,39把先行撕裂 刀，14把边缘刮刀，14把保径刀,6把外周强化刀，1把仿形刀，
刀具种类与数量如图4所示
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Vol. 24, No. 6,2017
■ 1中心鱼匡刀■ 2切刀3失行撕裂刀■ 4边绿刮7： _5保径刀
S少卜周强化刀
_ 7仿形刀
图4
4.4 刀具布置改造技术 4.4.1中心鱼尾刀
中心鱼尾刀如图3所示，刀体板厚120 mm,刀高约450 mm,刀 刃采用齿形形式，刀座连接采用焊接形式。中心鱼尾刀可以改 善中心部位土体的流动性，避免泥饼形成，同时减小其他刀具 的切削阻力，提高盾构整体掘进水平。4.4.4切刀
切刀如图4所示，宽度250 mm,安装高度125 mm。切刀为 双层耐磨设计，配有双层碳钨合金刀齿以提高刀具的耐磨性， 在第一排刀齿磨损后，第二排刀齿可以代替第一排刀齿继续发 挥作用。切刀对称安装在刀盘辐臂两侧，采用背装式，每把切 刀通过6个螺栓与刀座固定。切刀采用“钝刀”形式，抗冲击性 能优越，它的形状和位置按便于切削地层和便于将土刮人土仓 来设计，在同一个轨迹上一般有多把切刀同时开挖。切刀的宽 度使得每把刀的切削轨迹之间有一定的重叠。4.4.3先行撕裂刀
先行撕裂刀如图5所示，采用匹配卵石地层的加强型撕裂 刀。先行撕裂刀配有碳钨合金刀齿以提高刀具的耐磨性，除先 行将致密的砂卵石地层松动外，同时还起着击碎砂卵石的作 用，大大延长了周边切刀的寿命。先行撕裂刀切削度较窄，能
图3
中心鱼尾刀改造
刀具种类与数量
够在兰州这种较硬的砂卵石地层中有更高的切削效率。
图4切刀改造
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图5
2.2.4边缘刮刀
先行撕裂刀改造
直径的精度；防止刀盘外缘的间接磨损。双排螺栓紧固使刀 具受力均匀，刀具后部和刀座的堆焊耐磨层也增强了刀身的耐 磨性。
边缘刮刀如图6所示，采用双排螺栓连接形式的卵石地层 专用的边缘刮刀，刀具安装高度15 mm。边缘刮刀的主要作 用如下：清理边缘部分开挖的渣土防止渣土沉积；保证开挖
图6
2.2.5保径刀
边缘刮刀及刀座耐磨改造
刀方向）均布安装6把外周强化刀，如图8所示，有效的保证了 开挖直径，减小盾构推进阻力，大大减轻了刀具及面板的磨损， 同时清理刀盘底部渣土，提高了掘进效率。2.2.7仿形刀
仿形刀是由液压油缸控制行程，普通地段不工作，在此不 作调整和改造。
针对刀盘钢环磨损严重现象，增加12把保径刀，如图7所 示。保径刀母材嵌人刀盘钢环内，高质量的双排耐磨合金刀刃 和高耐磨的刀体均布在刀盘钢环上，能有效减少砂卵石对刀盘 的磨损，保径刀开挖直径为6 400 mm。2.2.6外周强化刀
为了更好地保证切削效果，在刀盘钢环外壁（垂直于保径
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图7
4.3改造前后对比分析
保径刀
见表1
表1
图8外周强化刀
通过对比发现，刀具布置改造后的盾构具有明显的施
盾构刀具布置改造前后，两种情况下的施工参数对比情况 工优势，能够提升施工效率，具有很强的经济效益和现实意义。
原刀盘与改造后刀盘的对比分析
原刀盘
改造后刀盘
序号比较项目
一般存在3个压力为开挖面与面板之间的压
开挖面与土仓内 水土压的关系
力；P2为面板开口进出口之间的压力；P3 土压传感 只有一个压力P，土仓内土压传感器压 因而土压平衡 器压力。其中：P2扭转产生的抵抗压力，受面板开 力与开挖面的压力相等，口影响不易确定，而P3
- P2开挖面压力不易 易于控制。
1
控制，同时控制压力实际低于开挖面压力。
砂土的流进性受开口形状和大小的影响，开口部的 砂土容易产生附着和凝结
2
开挖面砂土的流进性没有面板，砂土流进性很好。
土压管理值P3 3开挖面的不稳定因素 (土压管理失败时）
土压管理值P3 =^时，开口部发生附着凝结，刀盘 进过多，导致开挖面不稳定，但是由于 土仓内闭塞，导致刀盘扭矩增大，切削土体异常困难
没有面板，P3的控制（目标土压P1 =
P3)较容易。
4刀盘负荷和扭矩注浆施工或注入 机械设置的自由程度
刀盘的扭矩阻力大，负荷高，对主驱动系统要求相对 刀盘的扭矩阻力小，负荷低，对主驱动 较高。
系统要求相对较低。
53
结语
注浆施工经过刀盘面板到开挖面，注浆制约范围比 没有面板，注浆施工比面板式的自由度 辐条式的大。
参考文献：[1][2]
夏毅敏，罗德志，周喜温.盾构地质适应性配刀规律研 夏毅敏，卞章括，胡承欢，等.复合式土压平衡盾构机刀 究[J].煤炭学报，2011，36(7) :1232 -1236.
盘性能综合评价方法[J].机械工程学报，2014, 50 (21)1-9.
(下转第100页)
大。
本文以穿黄河隧道施工为背景，对原有盾构进行刀具布置 改造，提出了一系列刀具布置改造技术，并将改造好的盾构应 用于隧道施工，工程施工结果表明刀具布置改造效果优良，有 效的提升了盾构施工效率。
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的效果。
经过软件套料后管道利用率比以前经验下料的管道利用 率大幅提高，还能够快速、精确的制定管道生产定额，为采购、 物流提供精确的数据参考，如表1所示。
表1
序号123
图1
管材
戏格▼
某城轨项目使用套料前后定额对比表原定额
/Kg
材料规格10 x1
经验抛重系数1.31.31.31.3
套料后套料后定额 定额
/kg
与理论定额 的比值1.081.091.101.07
利用率提高16.9%16.3%15.6%17.1%
82.6168.124.877.4126.96
15 x1.5149.1718 x1.5
91.68
源代码运行图
4
列车 数j
428x1.5154.30结论及意义
原'
序气232
名称
T
产
S
代号
g
1次
料长
套料生产后，经过多项目生产数据统计分析得到管道定额 计算公式中最优抛重系数(管道试制时原材料定额抛重系数时 1.15~1.2,批量生产时抛重系数为：1.07 ~1.12)。套料生产 后管道定额更加精确，降低了定额不准产生的大量库存，提高 了管道定额的管理水平，且套料生产后大大提高原材料的利用 率，每年为公司节省近80万的原材料成本。参考文献：[1]
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额研究[J].油气存运，2010(9).作者简介：
尹正乾（1988 -),河南信阳人，中车株洲电力机车有限公司。
t
IS悬挂管2
18总风管31S晶挂管21S总风管31S悬挂管11S总风管3
1
1
343
1
45
is晶挂管1
1S总风管21S愚挂管1鹏风管21S晶挂管21S昌挂管21S总风管21S总风管1
1
4-52
1
2517
22
制动管1
18x1.5
18x1.518x1.518x1,518x1.518x1.518x1.518x1.518x1.518x1.518x1.518x1.518x1.518x1.522x1.5
图4
ADP1008883^ADP1008880AADP1008883AADP1008880AADP1008884AADP1008880AADP1008884AADP1005412AADP1008884AADP1005412AADP1008883AADP1008883AADP1005412AADP1005411AADP1008879A
11314116131685
151511281515112884511288453845315151515399480888888888888888
程序运行后套料结果
3套料软件运用及结果分析
此套料软件具有简单的交互界面，套料效率高，作业人员
只需采用套料软件输出的套料方式进行下料，无需人为现场套料，对提高车间员工作业效率和统一员工标准化作业都有极好
(上接第98页）[3]
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[5] 吴.盾构常压下刀座修复及刀具改造技术[].隧 作者简介：
刘华，男，山东沂水人，工程师,研究方向：盾构隧道施工及
[6] 凌波，李飞.复合地层掘进中泥水盾构中心刀具改造其装备研发。
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