砂卵石地层微型土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究.docx
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砂卵石地层微型土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究
砂卵石地层微型土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究
聂瑞1赵海峰2王学科1王世杰1
1.沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳110870；2.北方重工集团全断面掘进机国家重点实验室，辽宁沈阳110141
摘要：
刀盘是微型土压平衡盾构机的关键部件，刀盘刀具类型、数量及合理布置决定着盾构设备的破岩能力，直接影响刀具使用寿命、盾构设备的掘进速度和掘进距离。
本文根据北京某砂卵石地层的地质特点，确定了刀盘刀具的选型与选材；依据刀具磨损的等寿命原则和阿基米德螺旋线布置方法确定了主切削刀和先行刀的布置曲线与刀具数量。
直径为3m的微型土压平衡盾构机，在砂卵石地层中，刀盘布置主切削刀数量为38把，先行刀数量为15把，先行刀超前主切削刀的超前量为30mm。
通过ANSYS软件对刀盘的力学性能进行了分析，结果表明刀盘受力与变形状况良好，满足设计要求。
关键词：
微型盾构机、土压平衡、刀具布置、刀盘、ANSYS
ResearchonCuttingToolLayoutMethodofMicro-EPBMinSandyGravelStratum
NIERui1ZHAOHaifeng2WANGShijie1WANGXueke1
（1.SchoolofMechanicalEngineering，ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110870，China；
2.StateKeyLaboratoryofWholeSection，theNorthHeavyIndustriesMachine，Shenyang110141，China）
Abstract:
Asthekeypartsofmicro-EPBM，cutterconfigurationdeterminestherock-breakingcapacityandimpactstheservicelife、drivingspeedanddiggingdistanceofEPBM.AccordingtothegeologicalcharacteristicsofthesandypebblestratuminBeijing，thetypeselectionandmaterialselectionoftoolsweredetermined；Accordingtotheequal-lifeprincipleoftoolwearandArchimedesspirallayouttheory，thelayoutcurveandthenumberofmaincuttersandfirstcuttersweredetermined.Themicro-EPBM，insandypebblestratum，needs38maincuttersand15firstcutters，thefirstcutters30millimeteraheadthemaincutters.MechanicalpropertiesofthecutterheadwasanalyzedthroughtheANSYS，theresultshowsthattheforceanddeformationofthecutterareingoodcondition，meetthedesignrequirements.
Keywords:
Micro-EPBMEarthpressurebalanceCutterconfigurationCutterheadANSYS
0前言
当今城市地铁发达，地下管线密集，对地下管道的挖掘施工要求很高，促使着盾构设备朝着微型化的方向发展。
行业内通常把直径小于3m的盾构机称为微型盾构机，其施工基地紧凑，开挖直径小，可满足长距离、任意半径施工要求。
同时还能平衡地下水、土压力，控制地表隆起和沉降，并可以实现曲线半径为10m的锐曲线施工[1]，能够有效地利用城市狭窄的空间。
盾构机的选型取决于地质条件，土压平衡盾构机能满足砂卵石地层隧道施工的需要[2]。
刀盘是土压平衡盾构机的关键部件，刀盘的开口率影响出土率和刀盘前后的压差，合适的刀盘开口率有助于保持掘进工作面的稳定性[3-5]；刀盘刀具类型、数量及合理布置决定着盾构设备的破岩能力，直接影响刀具使用寿命、盾构设备的掘进速度和掘进距离[6-8]。
目前国内很多学者对盾构机刀盘的设计进行了大量的研究，但是对微型盾构机刀盘的研究甚少。
国内厂家生产的微型刀盘一般会将大中型刀盘等比例缩小，这样设计出的刀盘其选择的刀具类型、数量及布置方法并不合理，而且缺乏对地质状况的分析，不利于整个盾构工程的安全性、经济性和工作效率，因此，对微型土压平衡盾构机刀具选择与布置的研究具有十分重要的理论和实践意义。
本文结合北京某地段的地貌特征，重点在刀具的选择、布置等方面进行了系统的研究，以得到一些对微型土压平衡盾构机刀盘设计有意义的理论方法，为微型刀盘设计提供可靠的理论依据。
1刀具的选择
1.1地质条件
本文以北京某地段地质条件为例，进行微型土压平衡盾构机刀盘的布置。
该地段地层主要由无水砂卵石和有水砂卵石地层组成，一般粒径为20-120mm，卵石含量为50%-95%，大于200mm的漂石含量为15%-45%，充填物为粗砂和中砂，含沙量约为40%，土体流塑性差、渗透系数大、内摩擦角较大[9、10]。
如图1所示。
图1北京砂卵石地层
Fig.1SandypebblestratuminBeijing
1.2刀具的选型与选材
刀具的选型要求满足砂卵石地层的基本特点。
目前，按照切削原理可将盾构刀具分为滚刀和切削刀两种类型。
就砂卵石地层而言，因其土体松散，若采用滚刀在其掘进挤压下会产生较大变形，降低了滚刀的切削效果，严重时甚至会使滚刀丧失切削破碎的能力。
而切削刀适用于软土地层，对称布置在辐条两侧，可以很容易的切削、剥离土体，其切削原理是在刀盘转动下，切削刀随刀盘旋转对开挖土体产生轴向剪切力和径向切削力，通过刀刃和刀头部分插入到地层内部，像犁子犁地一样切削地层。
由于微型土压平衡盾构机尺寸较小，因此考虑不采用中心鱼尾刀，为改善中心部位的切削和搅拌效果，在中心位置布置若干把切削刀以达到切削中心部分土体和改善中心土体流动性的目的。
超前刀，也称先行刀，与主切削刀组合协同工作，可在主切削刀切削土体之前先行切削土体，可显著增加切削土体的流动性，降低切削扭矩，提高刀具的切削效率。
其超前于切刀的布置，还可以避免切刀先切削到砾石，起到保护切刀的作用。
在松散体地层，尤其是砂卵石地层和钙质结核地层，先行刀的使用效果十分明显。
图2为主切削刀与先行刀协同切削土体示意图。
图2主切削刀与超前刀协同切削土体
Fig.2Setofmaincutterandfirstcutter
盘圈贝形刀，布置在刀盘盘圈前端面，在盾构机掘进时插入地层，专用于切削砂卵石。
实际上盘圈贝形刀属于一种超前刀，可较好的解决盾构机切削砂卵石的难题[11]。
周边刮刀，安装在盾构机刀盘的最外圈，主要用于清除边缘的开挖土渣，能够有效防治渣土的沉积，确保开挖直径，防止刀盘外缘的间接磨损。
如图3所示。
图3周边刮刀
Fig.3Thesurroundingscraper
在北京砂卵石地层中，微型土压平衡盾构机刀盘刀具选用切削刀、先行刀、盘圈贝形刀与周边刮刀的组合。
根据地质特点，对刀具进行选材，刀头材质采用真空烧制的E-3类钢材，采用超硬重型刀，刀具背面实施硬化堆焊耐磨材料，可采用碳化钨或高铬堆焊焊条，堆焊层硬度宜高于HRC60。
2刀具布置原理
从几何学角度出发，盾构机刀盘刀具的布置主要有两种方法，即同心圆布置法和阿基米德螺旋线布置法[12]，后者能保证盾构机的全断面开挖，刀具对称地分散布置在与阿基米德螺旋线相交的条幅两侧，以满足盾构机正、反两个方向回转的要求，从而达到布局、结构和负载的最优设计。
微型土压平衡盾构机刀盘刀具的布置同样采用阿基米德螺旋线布置法。
微型土压平衡盾构机受尺寸所限机舱内空间较小，不利于刀具的更换，因此就要求刀具尽可能同时报废，避免中途换刀，即满足刀具磨损等寿命原则。
为使整个刀盘上的刀具磨损量趋于一致，可通过调整不同半径上的磨耗系数，从而达到刀具寿命相等的目的[13]。
经过大量工程实践验证，通常盾构机刀盘外圈刀具的磨损量计算公式为：
（1）
式中
——磨损量，mm
——磨耗系数，mm/km
——盾构刀盘半径，m
——掘进距离，m
——刀盘转动速度，r/min
——掘进速度，cm/min
公式
（1）只能计算单把刀具的磨损量，当刀具数量发生改变时，磨耗系数也随之变化，引入实际磨耗系数Kn参考日本某公司施工实际推算[14]有：
（2）
式中
——1条轨迹配置刀具数量
——1条轨迹配置n把刀具的磨耗系数
——1条轨迹配置1把刀具的磨耗系数
为了确定刀具安装半径，将盾构刀盘外圈半径转化为刀具安装半径
（3）
当盾构机的施工条件和掘进参数给定时，
为常数，此时刀具的磨损量
只与
的比值有关，取
（4）
根据刀具的等寿命原则，刀具的安装半径应满足以下关系：
（5）
其中R1为采用单螺旋线布置时刀具安装半径，即一条轨迹布置一把刀具；R2采用双螺旋线布置时刀具安装半径，即一条轨迹布置两把刀具；以此类推。
从土压平衡盾构机磨耗系数表（表1），可知E-3类刚才在沙砾地层中掘进磨耗系数为
，取磨耗系数为：
，将其与最大磨损量
、掘进参数同时带入方程（6）中，得到临界磨损系数
。
（6）
表1土压平衡盾构机磨损系数表
Table.1Wearcoefficientofearthpressurebalanceshieldmachine
刀头材质
砂
沙砾
粘土
10-3mm/km
E-2
1.37-5.17
5.17-8.6
8.6-15.5
E-3
2-2.75
7.5-12.5
12.5-22.5
E-5
4-15
15-25
25-45
以临界磨损系数
为纵坐标，刀具安装半径
为横坐标，刀具数目
为变量，可以得到磨损系数图，如图4所示。
图4刀具磨损系数图
Fig.4Thetoolwearcoefficientmap
根据等寿命原则，通过图4可得到不同切削半径所需的最少螺旋线数目，如表2所示，进而计算出所需的最少刀具数量。
表2不同切削半径所需螺旋线数
Table.2Spirallinenumberfordifferentcuttingradius
刀盘半径/m
布置螺旋线条数
0~2.13
1
2.13~2.55
2
2.55~2.7
3
2.7~3.4
4
可以看出随着切削半径的增大所需的螺旋线数目不断增多，即布置刀具的数量不断增大，这是由于虽然刀盘旋转时刀具的角速度相同，但刀具的线速度不同，并且刀具的线速度随着切削半径的增大逐渐增大，刀具磨损量增加，此时需要配置更多的刀具以满足等寿命原则。
由于微型土压平衡盾构机直径小于3m，即刀具的切削半径小于1.5m，所以其刀具采用阿基米德单螺旋线布置。
3刀具的布置
3.1切削刀的布置
由于该微型土压平衡盾构机在中心位置使用切削刀，取中心切削刀作用范围的直径为
，带入其它施工参数，得
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