土压平衡盾构机刀盘刀具设计的探讨
土压平衡盾构机刀盘刀具设计的探讨
0 引言
在城市地铁施工建设中，土压平衡盾构是应用最广泛的一种形式。在盾构机的刀盘布局设计中，刀具类型、布置方法直接影响到刀盘的掘进效果及使用寿命。从施工方面来讲，合理的刀盘布局设计与整个盾构施工的安全性、经济性和效率密切相关，盾构刀盘刀具的布局研究对盾构施工具有重要的指导意义。
1、盾构刀盘及刀具类型
刀盘按结构形式可分为a.辐条式、b.面板式、c.复合式，辐条式适用于软土，面板式适用于硬岩，复合式是介于辐条式和面板式的一种形式，通用性高，复合地质条件适用性强[1]。本文针对广州地铁4号线南延段盾构施工研究，属复合地层。复合式刀盘主要由直刮刀、边缘刮刀、单刃滚刀、双刃刮刀组，根据功能需要配合以先行刀、超挖刀、磨损检测刀、保护刀等[2]。
2、盾构刀具磨损计算分析
随着盾构法施工在地铁建设中的广泛应用，刀具磨损已经成为一个影响工程质量和进度的关键问题。刀具的磨损在盾构掘进过程中不可避免，合理的布局设
计需要考虑因磨损引起的使用寿命一致。
参照经验公式，盾构机刀盘外圈刀具的磨损公式①[3]： 。式中： —磨损量，mm； —磨耗系数um/km；D—盾构刀盘外径，m；L—盾构掘进距离，m； —刀盘的转动速度，r/min； —盾构掘进速度，cm/min。
将D=2R代入①式，即得公式②：
为保证刀盘能切削整个掘进圆面积范围，盾构机刀盘上刀具的安装，自内向外依次排列，不同半径刀具的行程会有较大差异。有效做到各刀具的更换周期一致，就需要合理控制刀具的磨损量。刀装公式
刀具的磨损系数可以参照经验公式[4]③： 。式中： —1条轨迹配置n把刀具的磨损系数； —1条轨迹配置1把刀具的磨损系数。
磨耗系数定义为[5]：刀具每掘进1Km时的磨损量，单位mm。将③式代入②式，得公式④： 。并且，为了计算刀具的掘进距离，转化为L的函数公式，得到公式⑤： 。
在刀具的使用中，当磨损量 达到一定值 时，即进行更换，这里使用 代替 ，得到许用距离 的表达式⑥⑦： 、 。
3、刀盘阿基米德螺旋线布局
目前盾构机刀具的布局分为阿基米德螺旋线布置法及同心圆布置法。为保证开挖面良好的挖掘效果，目前绝大部分盾构机刀具的布局都采用阿基米德螺旋线布置方法。其用极坐标的表示为公式⑧[5]： 。式中： —极轴； —极轴初始值； —常系数； —极坐标角度；螺旋线间距为 。
刀盘中心为滚刀，设刀盘切削外径 ，直刮刀起始切削直径为 ，直刮刀刃口宽度 ，外侧边缘刮刀径向宽度为b2，则盾构机单方向旋转所需要的数量
为公式⑨： 。
阿基米德螺旋线初始值为公式⑩： ；当刀盘布置多个辐条时，设m为辐条数目，则有单圈螺距增量为公式： （11）
将式（10）（11）代入式（8），得多螺旋线方程（12）
依据盾构刀具等寿命设计原则，当切削半径大于一定值时，每一圈切削轨迹需要配备两把以上刀具才能满足要求。多螺旋线布置与单螺旋线布置相比，螺距、初始半径、旋转方向相等，区别在于多条螺旋线初始相位角不同，并且各相位角在圆周范围内等分。设刀盘每旋转一周，推进距离为h（m），每把刀具切深为q（m），有 ，当沿同一半径布置n把刀具时，每把刀具切深 （13）
沿同一半径，布置多把刀具，采用对称布置时，能够有效降低因切削产生的受力不平衡，切削半径较大时，布置多把刀具能减少单把刀具的磨损量。
4、刀具布置实例分析应用
本文以广州地铁4号线南延线某标段施工的土压平衡式复合盾构机刀盘设计为例，进行刀具的优化布置分析。该标段土层含砂土、粘土，混合有少量页岩层，属于复合地质，采用复合
型刀盘，六辐条形式，刮刀材质E-3，宽度150。刀盘中心区域布置有滚刀，直刮刀按照无重合的布置形式，最小切削半径R1=419. 其螺旋线布局形式为内圈四辐条，双螺旋线，外圈六辐条、三螺旋线形式。以内圈讨论，刮刀螺旋线A1起始切削半径R1=419，螺旋线A2起始半径R2=569。外圈半径超过Rt=2563时，每个辐条上均布置有边缘刮刀。
图1. 刀盘螺旋线示意图
在内圈区域4辐条，双螺旋布置形式，每个区域半径内均布置有两把刮刀，且相邻两刀具夹角满足 。外圈区域为三螺旋线布置区域，每个切削半径上有三把刮刀，相邻刀具夹角 。
4.1刀具磨损检验
该盾构机机施工条件：按照经验施工取掘进速度v=3.0cm/min，刀盘转速1.5r/min，规定换刀距离L=2000m. 刀具限定磨损量 取15mm.
根据地勘结果表明，建恒3#机施工所处地层为普通砂土地质，按E-3材质该地质最大磨耗系数K=12.5 计算。
参照公式（4），以R为自变量，范围0.5～3.5m，代入n=1，2，3…6时，得到 的变化曲线
图2. 刀具磨损曲线
由图3可以看出，限定最大磨损量 =20mm，一条轨迹线上只配备1把刀具时，适用于刀具安装半径0.5m<r<2.4m；轨迹线上配备2把刀具时，适用于半径2.4m<r<3m；当半径大于3m时，单条轨迹线上需要配置3把刀具。< p=""></r<2.4m；轨迹线上配备2把刀具时，适用于半径2.4m<r<3m；当半径大于3m时，单条轨迹线上需要配置3把刀具。<>
6结论
本文从理论上分析了土压平衡盾构机刀盘的布局特点，针对刮刀的磨损进行理论分析，并验证了该盾构机刀盘刮刀的布局形式及合理性，得出其刀盘刮刀布局符合等寿命磨损原则的结论，为后续复合式刀盘的设计提供参考依据。
参考文献
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[3]蒲毅. 土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究[J]. 机械工程学报， 2011， 47（15）： 161-168
[4]林赉贶. 土压平衡盾构机刀盘开口特性及刀具布置方法研究[D]. 长沙：中南大学， 2013. 60-61
[5]胡显鹏. 砂卵石地层土压平衡盾构掘进刀具磨损研究[D]. 北京：北京交通大学， 2006.
[6]陈国盛.阿基米德螺旋线在盾构技术中的应用[J]. 重工与起重技术， 2006（21）： 18.20

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