CN112431601A - 一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘及掘进方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘及掘进方法，所述刀盘包括盾构刀盘（1）、十字形主刀梁（2）、副刀梁（3）、中心齿刀（4）、正面滚刀（5）、切刀（6）、边缘滚刀（7）、边缘刮刀（8）、固定齿刀（9）、泡沫喷嘴（10）、磨损检测刀（11）和耐磨钢板（12）等部件。所述十字形主刀梁由第一刀梁、第三刀梁、第五刀梁和第七刀梁组成，所述副刀梁由第二刀梁、第四刀梁、第六刀梁和第八刀梁组成。所述方法包括确定滚刀的启动扭矩、选择并设定为软土地层的滚刀启动扭矩、启动泡沫系统喷射泡沫改良剂、盾构向前推动掘进掌子面岩土体。本发明中刀盘开口率达到43%，特别适用于典型的砾砂‑泥质粉砂岩复合地层的掘进，降低了刀盘糊泥的风险。

Description

一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘及掘进方法

技术领域

本发明涉及一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘及掘进方法，属掘进机械技术领域。

背景技术

随着我国经济的迅速发展，城市地下空间开发需求日益增长，大量城市隧道工程应运而生。其中，盾构工法因其施工效率高（能够实现开挖、支护一体化施工）、隧洞成型好、对周边环境影响小等诸多优点，在城市隧道开挖中使用越来越广泛。然而，当遭遇软硬复合地层（例如南昌上部砂层-下部泥质粉砂岩的典型上软下硬复合地层）时，由于地层条件差异巨大，往往会诱发诸多问题，其中较为典型的有：当盘形滚刀由软土地层进入硬岩地层时，容易因地层岩土体刚度差异大而发生磕刀，严重的将导致刀圈崩裂、刀轴受损；不同地层岩土体中滚刀启动扭矩不同，滚刀由硬岩地层进入软土地层中时滚刀转动困难，从而造成滚刀弦磨等；单一采用切削刀或常规盘形滚刀无法较好地实现在复合地层中的高效掘进。除此之外，盾构在软硬复合地层中掘进时还存在刀盘前方掌子面稳定性问题、出渣效率问题等。因此，亟需提出一种能够适用于软硬复合地层的盾构刀盘及工作方法，从而降低掘进过程中的换刀次数、提升出渣效率，保证盾构的安全高效掘进。

公开号CN104060995A公开了一种用于软硬不均互侵复合岩层的盾构刀盘结构，该刀盘结构包括重型刀盘、双刃中心滚刀、单刃正面滚刀、单刃周边滚刀和辅助刀等；辅助刀包括正面齿刀、铲刀和保护刀。《一种用于软硬不均互侵复合岩层的盾构刀盘结构》中并未考虑滚刀启动扭矩对盾构掘进效率的影响，即：当启动扭矩较大，常规滚刀从硬岩地层进入软土（砾砂）地层时因所能提供摩擦力不足，滚刀难以转动从而诱发弦磨；而当启动扭矩调整过小时，滚刀整体刚度下降，在硬岩地层以及软硬复合界面变刚度位置所受冲击力大，易导致滚刀松动甚至发生破坏。此外，该专利中刀盘开口率为20%-30%，当掘进地层为黏粒含量高的泥质粉砂岩地层时，不能保证渣土顺利进入土仓，从而诱发刀盘结泥饼。

发明内容

本发明的目的是，针对上述现有技术的主要不足之处，本发明提供了一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘及掘进方法。

本发明实现的技术方案如下，一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘，包括盾构刀盘、十字形主刀梁、副刀梁、中心齿刀、正面滚刀、切刀、边缘滚刀、边缘刮刀、固定齿刀、泡沫喷嘴、磨损检测刀、耐磨钢板和其他TBM部件。

所述十字形主刀梁之间的对角线上分布有四个Y形副刀梁，所述十字形主刀梁和副刀梁构成所述盾构刀盘的承力结构；所述十字形主刀梁由第一刀梁、第三刀梁、第五刀梁和第七刀梁组成，所述副刀梁由第二刀梁、第四刀梁、第六刀梁和第八刀梁组成。

所述十字形主刀梁的中心部位并排均匀安装有8把中心齿刀；在所述十字形主刀梁上安装有20把17英寸的正面滚刀，每根主刀梁上均匀安装5把；在所述正面滚刀滚压迹线前后分别布置切刀，所述切刀共56把，分布安装在十字形主刀梁两侧；在十字形主刀梁和副刀梁的梁上设置了6个泡沫喷嘴。

所述副刀梁为Y口对外的Y形结构，在所述副刀梁上布置有37把固定齿刀；和7把17英寸边缘滚刀；在所述十字形主刀梁的端部设置有8对刀高145mm的边缘刮刀；在一个副刀梁上设置有磨损检测刀，用于刀具磨损的实时监测。

所述中心齿刀的刀高为175mm，刀间距设置为90mm；所述中心齿刀能够有效降低常规鱼尾刀在类似地层条件下造成的大扭矩，从而减小盾构能耗、提高掘进效率。

所述正面滚刀的刀高为175mm、刀间距为100mm；所述正面滚刀为特制的高硬度柱状镶齿滚刀。

所述柱状镶齿滚刀由柱状镶齿滚刀和合金柱齿组成；柱状镶齿滚刀为圆环状结构，在柱状镶齿滚刀外缘周边均匀镶有多个同等高度的合金柱齿。

所述切刀刀高为140mm，刀间距150mm；所述切刀通过正面滚刀滚压硬岩、结合切刀切削软土的综合作用，从而保证盾构在软硬复合地层中的高效掘进；56把切刀安装分布如下：第三刀梁和第七刀梁径向由内到外等间距布置切刀24把；第一刀梁和第五刀梁的中心部位由于已布置中心齿刀，因此径向由内到外的4把切刀等距布置；外侧2把切刀紧靠布置，共24把；在副刀梁第二刀梁、第四刀梁、第六刀梁、第八刀梁的中心部位分别对称布置2把切刀，共8把。

通过正面滚刀和切刀的滚压-切削联合作用，实现在复合地层中的高效掘进。当在硬岩地层中掘进时，由于单循环贯入度较低，主要由正面柱状镶齿滚刀滚压破岩控制掘进速率，由切刀辅助切削移除掌子面破碎岩土渣，并通过刀盘开口进入土仓；当在软弱地层掘进时，对于典型砾砂地层，由于单循环贯入度较高，此时切刀切削砂土作用被充分调动，能够有效切削移除渣土并完成每一循环的掘进。

所述固定齿刀和边缘滚刀分布在四个副刀梁上，所述固定齿刀对称布置于副刀梁及刀盘边缘处，其中：第二刀梁、第六刀梁上分别对称布置7把固定齿刀；第四刀梁和第八刀梁上因布置泡沫喷嘴2个和磨损检测刀1把，该位置处固定齿刀取消，其余位置与第二刀梁、第四刀梁布置相同，第四刀梁布置固定齿刀6把、第八刀梁布置固定齿刀5把；刀盘边缘等间距布置固定齿刀12把；共计布置37把固定齿刀。

在4个副刀梁靠近刀盘边缘处对称设置7把边缘滚刀，其中第二刀梁、第六刀梁、第八刀梁处分别对称设置2把，第四刀梁处设置1把；对称位置设置超挖齿刀，用于软硬复合地层超挖量的有效控制。

所述泡沫喷嘴安装分布如下：十字形主刀梁的第三刀梁3上的中心齿刀两侧中心对称布置各1个泡沫喷嘴，第三刀梁的外缘端部布置1个泡沫喷嘴；副刀梁的第四刀梁上布置1个泡沫喷嘴，第八刀梁上布置2个泡沫喷嘴。

一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘的掘进方法如下：

（1）基于具体工程前期地质勘察资料，确定盾构穿越软硬复合地层过程中土层分布情况及具体物理力学性质指标。

（2）根据穿越地层特性确定滚刀的启动扭矩，在砂卵石地层掘进过程中滚刀启动扭矩设置值不宜大于20Nm，在泥质粉砂岩等硬岩地层掘进过程中滚刀启动扭矩设置宜在25-40Nm范围内。

（3）当穿越地层中存在上软下硬复合地层时，选择并设定为软土地层的滚刀启动扭矩。

（4）启动泡沫系统，通过泡沫喷嘴向刀盘前方喷射泡沫改良剂。

（5）启动盾构刀盘开始转动，启动螺旋输送机并启动推进模式，盾构向前推动掘进掌子面岩土体。

所述的体物理力学性质指标包括岩层饱和单轴抗压强度UCS、岩体完整性系数RQD值，砂土地层实测标贯平均锤击数N、颗粒级配、黏粒含量，以及黏聚力c、内摩擦角φ等重要参数。

本发明的有益效果是，本发明通过提前设定适用于软土地层的滚刀启动扭矩，能够保证滚刀在软土地层掘进时发生有效转动，从而防止滚刀刀圈弦磨；当滚刀在软硬复合地层反复滚压切削岩土体时，滚刀刀圈外侧的合金柱齿能够起到保护刀圈、提高耐磨性的作用，防止盘形滚刀在反复经过软硬岩地层界面时发生磕刀或严重磨耗；此外，在该刀盘上设置了6个泡沫喷嘴，能够根据出渣情况、渣土性质实时进行泡沫剂的添加，通过渣土改良降低刀具磨耗、避免刀盘糊泥、保证出渣效果以及掌子面的稳定性，提高盾构在复合地层中的掘进效率。

本发明采用的正面滚刀、边缘滚刀均为特制的柱状镶齿滚刀，在岩层中掘进时，高硬度合金柱状镶齿一方面提高了滚刀贯入破岩效率，另一方面保护滚刀刀圈避免严重磨耗；在软硬复合地层中掘进，滚刀滚压经过软硬过渡界面时，滚刀刀圈将承受因地层巨大刚度差异而产生的冲击力，而柱状镶齿在较大程度上提高了滚刀刀圈的抗冲击能力，有效避免磕刀甚至刀圈破损的不良状况；当进入软弱地层时，因滚压过程中柱型镶齿与掌子面岩土体存在镶嵌咬和效应，滚刀在相同启动扭矩作用下更容易因整个刀盘的转动而滚压掌子面岩土体，从而有效避免因滚刀糊泥被抱死或滚刀与掌子面摩擦力不够无法正常转动而诱发的滚刀刀圈偏磨，减少换刀次数，提高掘进效率。

本发明中刀盘开口率达到43%，远大于同类刀盘的20%-30%。43%的开口率设置特别适用于典型的砾砂-泥质粉砂岩复合地层，因下部硬岩地层为泥质粉砂岩，其黏粒含量极高，所产生的渣土黏聚力高、结块大、不易流动。43%的开口率设置能够有效保证刀盘前方掌子面被切削下来的岩土体进入土仓，进而由螺旋输送机排出，降低了刀盘糊泥的风险。

本发明掘进刀盘装置构造简单，所用零部件加工简便且辅助设施技术成熟，具备较高的可行性。

附图说明

图1是该刀盘的平面布置示意图；

图2是该刀盘中镶齿滚刀刀圈示意图；

图3是使用该刀盘工作的原理流程图；

图中，1为盾构刀盘；2为十字形主刀梁；3为副刀梁；4为中心齿刀；5为正面滚刀；5-1为镶齿滚刀刀刃；5-2为合金柱齿；6为切刀；7为边缘滚刀；8为边缘刮刀；9为固定齿刀；10为泡沫喷嘴；11为磨损检测刀；12为耐磨钢板。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘，主要包括盾构刀盘1、十字形主刀梁2、副刀梁3、中心齿刀4、正面滚刀5、镶齿滚刀刀刃5-1、合金柱齿5-2、切刀6、边缘滚刀7、边缘刮刀8、固定齿刀9、超挖齿刀9-1、泡沫喷嘴10、磨损检测刀11、耐磨钢板12以及其他未列举的必要部件。

本实施例一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘主要工作原理如下：

由十字形主刀梁2和副刀梁3构成盾构刀盘1的主要承力结构。

在十字形主刀梁1的中心部位安装8把刀高为175mm的中心齿刀4，其刀间距设置为90mm，能够有效降低常规鱼尾刀在类似地层条件下造成的大扭矩，从而减小盾构能耗、提高掘进效率。

在十字形主刀梁2上安装20把17英寸正面滚刀5，其刀高175mm、刀间距100mm；在正面滚刀5滚压迹线前后分别布置切刀6，合计56把，其刀高140mm、刀间距150mm，通过正面滚刀5滚压硬岩、结合切刀6切削软土的综合作用，从而保证盾构在软硬复合地层中的高效掘进。

在副刀梁3上布置22把固定齿刀9，起到辅助切削岩土体的作用；在副刀梁3上设置7把17英寸边缘滚刀7，用于破碎刀盘边缘岩土体，形成有效超挖间隙。

在主刀梁2的端部设置8对刀高145mm的边缘刮刀8，辅助正面滚刀5和切刀6破碎掌子面岩土体。

刀盘1开口率设置为43%，从而保证当遭遇黏粒含量较高地层时，能够有效地出渣，避免刀盘1糊泥、刀具结泥饼；在刀盘1上布置6个泡沫喷嘴10，能够根据出渣情况、渣土性质实时进行泡沫剂的添加，通过渣土改良保证出渣效果、提高盾构掘进效率；在副刀梁上安装1把磨损监测刀11，用于刀具磨损的实时监测；刀盘面板及外周分别设置10mm和50mm厚的耐磨钢板12，起到保护盾构刀盘的作用。

本实施例一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘用于掘进时的步骤如下：

（1）基于具体工程前期地质勘察资料，确定盾构穿越软硬复合地层过程中土层分布情况及具体物理力学性质指标。

（2）根据穿越地层特性确定滚刀的启动扭矩，特别地，在砂卵石地层掘进过程中滚刀启动扭矩设置值不宜大于20Nm，在泥质粉砂岩等硬岩地层掘进过程中滚刀启动扭矩设置宜在25-40Nm范围内。

（3）当穿越地层中存在上软下硬复合地层时，选择并设定为软土地层的滚刀启动扭矩。

（4）启动泡沫系统，通过泡沫喷嘴向刀盘前方喷射泡沫改良剂。

（5）启动盾构刀盘开始转动，启动螺旋输送机并启动推进模式，盾构向前推动掘进掌子面岩土体。

本实施例的使用效果如下：

某市地铁四号线3标段上沙沟站-起凤路站盾构区间施工过程中选用土压平衡盾构掘进，采用本发明中所述刀盘结构及掘进方法。盾构机在砾砂-泥质粉砂岩复合地层中实现了稳定掘进，平均掘进速度达到470环/月，其中最高掘进速度达到20环/日。掘进过程中原计划停机换刀一次，因盾构机、刀盘刀具工作状态良好，实际掘进中取消换刀，贯通后检查刀盘刀具，未出现刀盘糊泥、刀具严重偏磨等不良现象。

Claims (9)

1.一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘，包括盾构刀盘、十字形主刀梁、副刀梁、中心齿刀、正面滚刀、切刀、边缘滚刀、边缘刮刀、固定齿刀、泡沫喷嘴、磨损检测刀、耐磨钢板和其他TBM部件，其特征在于，所述十字形主刀梁之间的对角线上分布有四个Y形副刀梁，所述十字形主刀梁和副刀梁构成所述盾构刀盘的承力结构；所述十字形主刀梁由第一刀梁、第三刀梁、第五刀梁和第七刀梁组成，所述副刀梁由第二刀梁、第四刀梁、第六刀梁和第八刀梁组成；所述十字形主刀梁的中心部位并排均匀安装有8把中心齿刀；在所述十字形主刀梁上安装有20把17英寸的正面滚刀，每根主刀梁上均匀安装5把；在所述正面滚刀滚压迹线前后分别布置切刀，所述切刀共56把，分布安装在十字形主刀梁两侧；在十字形主刀梁和副刀梁上设置了6个泡沫喷嘴；所述副刀梁为Y口对外的Y形结构，在所述副刀梁上布置有37把固定齿刀和7把17英寸边缘滚刀；在所述十字形主刀梁的端部设置有8对刀高145mm的边缘刮刀；在副刀梁上设置有一把磨损检测刀。

2.根据权利要求1所述的一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘，其特征在于，所述中心齿刀的刀高为175mm，刀间距设置为90mm；所述中心齿刀能够有效降低常规鱼尾刀在类似地层条件下造成的大扭矩，从而减小盾构能耗、提高掘进效率。

3.根据权利要求1所述的一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘，其特征在于，所述正面滚刀的刀高为175mm、刀间距为100mm；所述正面滚刀为特制的高硬度柱状镶齿滚刀。

4.根据权利要求1所述的一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘，其特征在于，所述切刀刀高为140mm，刀间距150mm；所述切刀通过正面镶齿滚刀滚压硬岩、结合切刀切削软土的综合作用，从而保证盾构在软硬复合地层中的高效掘进；56把切刀安装分布如下：第三刀梁和第七刀梁径向由内到外等间距布置切刀24把；第一刀梁和第五刀梁的中心部位由于已布置中心齿刀，因此径向由内到外的4把切刀等距布置；外侧2把切刀紧靠布置，共24把；在Y形副刀梁第二刀梁、第四刀梁、第六刀梁、第八刀梁的中心部位分别对称布置2把切刀，共8把。

5.根据权利要求1所述的一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘，其特征在于，所述固定齿刀和边缘滚刀分布在四个副刀梁上；

所述固定齿刀对称布置于Y形副刀梁及刀盘边缘处，其中：第二刀梁、第六刀梁上分别对称布置7把固定齿刀；第四刀梁和第八刀梁上因布置泡沫喷嘴2个和磨损检测刀1把，该位置处固定齿刀取消，其余位置与第二刀梁、第四刀梁布置相同，第四刀梁布置固定齿刀6把、第八刀梁布置固定齿刀5把；刀盘边缘等间距布置固定齿刀12把；共计布置37把固定齿刀；

在4个副刀梁靠近刀盘边缘处对称设置7把边缘滚刀，其中第二刀梁、第六刀梁、第八刀梁处分别对称设置2把，第四刀梁处设置1把；对称位置设置超挖齿刀，用于软硬复合地层超挖量的有效控制。

6.根据权利要求3所述的一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘，其特征在于，所述柱状镶齿滚刀由柱状镶齿滚刀和合金柱齿组成；柱状镶齿滚刀为圆环状结构，在柱状镶齿滚刀外缘周边均匀镶有多个同等高度的合金柱齿。

7.根据权利要求1所述的一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘，其特征在于，所述泡沫喷嘴安装分布如下：十字形主刀梁的第三刀梁3上的中心齿刀两侧中心对称布置各1个泡沫喷嘴，第三刀梁的外缘端部布置1个泡沫喷嘴；副刀梁的第四刀梁上布置1个泡沫喷嘴，第八刀梁上布置2个泡沫喷嘴。

8.根据权利要求1所述的一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘，其特征在于，适用于软硬复合地层的盾构刀盘的掘进方法如下：

（1）基于具体工程前期地质勘察资料，确定盾构穿越软硬复合地层过程中土层分布情况及具体物理力学性质指标；

（2）根据穿越地层特性确定滚刀的启动扭矩，在砂卵石地层掘进过程中滚刀启动扭矩设置值不宜大于20Nm，在泥质粉砂岩等硬岩地层掘进过程中滚刀启动扭矩设置宜在25-40Nm范围内；

（3）当穿越地层中存在上软下硬复合地层时，选择并设定为软土地层的滚刀启动扭矩；

（4）启动泡沫系统，通过泡沫喷嘴向刀盘前方喷射泡沫改良剂；

（5）启动盾构刀盘开始转动，启动螺旋输送机并启动推进模式，盾构向前推动掘进掌子面岩土体。

9.根据权利要求1所述的一种适用于软硬复合地层的盾构刀盘，其特征在于，所述的体物理力学性质指标包括岩层饱和单轴抗压强度UCS、岩体完整性系数RQD值，砂土地层实测标贯平均锤击数N、颗粒级配、黏粒含量，以及黏聚力c、内摩擦角φ重要参数。

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