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1、设计盾构切削刀具寿命的计算计算西南交通大学管会生高波"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!摘要通过对盾构刀具磨损的原因分析和寿命计算可以预测盾构在隧道开挖区间刀!!"具是否需要更换以及需要更换的次数并通过算例说明刀具寿命预测的分析方法!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"关键词盾构刀具磨损寿命在城市地铁工程所用盾构的方案选型中刀盘体地层尤其是砂卵石地层使用效果十分明显的结构刀具类型的选择刀具的布置和磨损问题常为保证盾构在超挖少对周边土体干扰小的条成为选型的重点内容尤其是盾构在砂或砂卵石地件下实现曲线推进和顺利转
2、弯及纠偏盾构需设置层中掘进刀具的磨损问题更为突出因此需要对刀仿形刀仿形刀一般布置在辐臂上施工时可以根具的掘削距离寿命进行预测据超挖多少和超挖范围的要求从辐臂一端径向伸出和缩回仿形刀达到仿形切削的目的l盾构刀具的种类与布置为加强刀具磨损量的管理防止刀盘和刀具因为保证掘削刀盘的开挖效率盾构通常根据不过度磨损而损坏刀盘上常设置有磨耗检测刀具常同的地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合目用的检测刀具有通电式磨耗检测刀具和超声波式磨前盾构机上常用的刀具有切刀刮刀齿刀单双耗检测刀具等通电式磨耗检测刀具见图la其原刃滚刀先行刀仿形刀等盘形滚刀常用来对付硬理是在刀具制作时先将电线埋入刀具中随着
3、盾构岩地层而齿刀和切刀组合更适合于开挖软岩地层的掘进当刀具磨耗达到限定磨耗量时通电电线将为软土或破碎软岩时可采用切刀或刮刀被磨断于是电路断路操作人员可根据电路通断情单双刃滚刀属于滚刀型刀具主要是依靠挤况对刀具的磨耗做出判断该法的特点是简单直压破岩,一般用于岩石地层的掘进在盾构穿越松散接但不能连续检测刀具磨耗进展情况难以掌握换地层且有大粒径的砾石(粒径大于4OOmm)以及当刀时机超声波式磨耗检测刀具如图lb所示其检砾石含量达到一定比例时,可采用滚刀型刀具另外测原理是在磨耗检测刀具中事先安装好与超声波在隧道地质条件复杂多变岩石与一般土体交错频监测器相连接的超声波探头利用超声波来探
4、测刀繁出现的情况,也可在刀盘上布置一些滚刀型刀具具的磨耗情况其特点是技术相对复杂成本较高切刀刮刀齿刀等属于切削型刀具切削型刀但能连续检测刀具的磨耗情况有利于根据刀具磨具的切削原理是切刀随盾构向前推进的同时随刀损进展进行刀具换刀前的准备和更好地把握换刀时盘旋转的刀具对开挖面土体产生轴向剪切力及挤压机力和周向(刀盘旋转切线方向)切削力,不断将开挖面前方土体切削下来切削型刀具一般适用于粒径小的砂卵石砂土粘土等松散体地层先行刀仿形刀和磨耗检测刀具等是按照刀具在刀盘上作用的不同分类的先行刀也称为超前刀刀盘开挖时,超前刀在切a通电式b超声波式削刀切削土体之前先行切削土体将土体切割分块图!
5、磨耗检测刀具为切削刀创造良好的切削条件采用超前刀一般可2刀具磨损的原因和影响因素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在盾构推进力作用下刀具对开挖面土体产生一!""!#$%25设定压力O随着刀盘的旋转,刀具与土砂磨料摩擦,从cm/r>计~而产生磨损O刀具的磨损与地质条件~刀具材质及其7--刀具转动距离寿命,即达到刀具限定磨计在刀盘上的安装位置有关,并且随着刀具掘削里程损量时,边掘削开挖面边转动的可能距算的增加而增大O布置在刀盘周边的刀具由于线速度离km>大,切削路线长,因而磨损快~易折断~寿命短Ot--限定磨损量,即刀具磨损量8的最
6、大限刀具损坏的主要形式有刀具的磨耗和脱落O刀定值mm>具的磨耗受刀片的材质~硬度~刀片上作用的推力以R--刀具中容易磨损的最外周刀具安装半及地质条件砾石粒径~密度>和刀具切入深度~速径m>度~时间的影响;刀具脱落主要与安装方法焊接或4切削刀具寿命的计算实例螺栓连接>有关,施工时也受刀柄的磨耗和砾石~障碍物的影响O本算例是对上海地铁4号线I6.34m土压平盾构在掘进中会遇到各种不同地层,从淤泥~粘衡式盾构的切削刀具寿命进行计算O如果实际的掘土~砂层~砂卵石层到软岩及硬岩等O开挖过程中刀削土体和掘削状况与下面所给出的地质条件有差具受力复杂,工作环境恶劣O刀具的磨损与施工地层异,结
7、果可能会有不同O密切相关O淤泥质粘土~粉质粘土~粘质粉土等地层!"#计算条件对刀具的磨损很小,而砂土~砂卵石砾石地层对刀具地质条件:淤泥质粘土~粘土~粉质粘土~砂质粉的磨损十分严重,甚至使刀具折断O这种情况在上土~粉砂O海~南京和北京地铁施工中得到印证O南京地铁盾构切削刀具条件:材质为E-3日本钢材>,刀具限在粉细粘土中掘进1km,刀具依旧完好无损O在北定磨损量20mmO京地铁5号线施工中,在粉质粘土和卵砾石结合地!"$计算方法层中掘进625m更换一次刀具,而在粉细砂与卵砾刀具的掘削距离寿命L按式3>计
