砂卵石地层对盾构施工的影响课件.ppt

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1、北京地铁盾构刀具磨损分析研究北京地铁盾构刀具磨损分析研究第一章 绪论第二章 砂卵石地层刀具磨损案例分析第三章 砂卵石地层盾构刀具减磨损技术 选择合理的刀盘形式、刀具参数及刀具配置第四章 砂卵石地层盾构刀具减磨技术 土性改良第五章 改良后砂卵石地层刀具磨损现场量测与分析第六章 建议第一章第一章 绪绪 论论 1.1 1.1 前言前言北京地铁工程将日益增多。近期的五号线、四号线、十号北京地铁工程将日益增多。近期的五号线、四号线、十号线（含奥运支线），盾构隧道占线路总长的线（含奥运支线），盾构隧道占线路总长的40%40%。其中约。其中约有有10km10km以上盾构施工处于大面积砂卵石地层中。以上盾构施

2、工处于大面积砂卵石地层中。正在筹划开工的九号线等也都将会遇到大面积砂卵石地层。正在筹划开工的九号线等也都将会遇到大面积砂卵石地层。在国际上也还没有一个较好的定量评价砂卵石地层盾构掘在国际上也还没有一个较好的定量评价砂卵石地层盾构掘进刀具磨损的成果。进刀具磨损的成果。盾构在大面积砂卵石地层中掘进时刀具磨损极为严重，这不但大大影响了盾构机的使用寿命，更重要的是常常使盾构施工无法进行。被迫开舱换刀时很又很可能引起开挖面坍塌，给整个工程的工期、造价带来严重的影响，甚至威胁人的生命。北京地铁某标段在砂卵石地层施工中，竟然在掘进才200多环，刀具几乎磨损所剩无几，无法掘进。北京地层条件下进行地铁盾构施工，

3、特别是在大面积砂卵石地层条件下用盾构施工，在国内外是罕见的，或者说是没有的。由上述的“课题的国内外现状”也可看出，国内外对盾构刀具磨损的研究为数不多，特别是对盾构在大面积砂卵石地层掘进时刀具磨损的研究极为少见。因此，研究如何减少砂卵石地层刀具磨损，探明砂卵石地层不换刀可能掘进的最长距离很有意义。它不但为今后的北京地铁建设以及其它类似工程提供服务。而且也可以填补一项盾构在大面积，长距离砂卵石中施工的空白，本课题的研究势在必行。1.2 1.2 本课题所依托工程的工程背景本课题所依托工程的工程背景 本课题主要以北京地铁四号线本课题主要以北京地铁四号线1414标段和五号线标段和五号线1717、1818

4、标段的土压平标段的土压平衡盾构施工为背景。衡盾构施工为背景。1.2.1 1.2.1 北京地铁北京地铁四号线四号线1414标段工程概况标段工程概况 该标段包括两站三区间及双榆树站的一部分，该标段包括两站三区间及双榆树站的一部分，“三区间三区间”动物动物园站白石桥站区间、白石桥站学院南路站区间、学院南路站双榆园站白石桥站区间、白石桥站学院南路站区间、学院南路站双榆树站区间。树站区间。均采用盾构法施工。盾构机选用辐条式土压平衡盾构，直径均采用盾构法施工。盾构机选用辐条式土压平衡盾构，直径为为6m6m。三个盾构区间大部分为大面积砂卵石地层，粒径最大达。三个盾构区间大部分为大面积砂卵石地层，粒径最大达2

5、00mm200mm以上。特别是动物园站白石桥站和白石桥站学院南路站区间几乎都以上。特别是动物园站白石桥站和白石桥站学院南路站区间几乎都为全断面砂卵石地层。为全断面砂卵石地层。图图1.1 141.1 14标标段砂卵石段砂卵石盾构所经地层的砂卵石图图1.2 141.2 14标标段大粒径砂卵石段大粒径砂卵石粒径超过200mm1.2.2 1.2.2 五号线五号线1818标段工程概况标段工程概况 本区间采用盾构法施工。盾构机选用辐条式土压平衡盾构，直径为6m。盾构所在地层多为砂砾、卵石地层。图图1.3 1.3 五号五号线线1818标标段工程地段工程地质质概况概况图中为人工填土层；为粘质粉土砂质粉土层；为

6、粘质粉土砂质 粉土层；为中粗砂层；为圆砾层；为卵石层。1.3 1.3 1.3 1.3 课题的国内外研究现状课题的国内外研究现状课题的国内外研究现状课题的国内外研究现状 针对砂卵石地层土压平衡盾构刀具磨损的研究国内外现在还很少。但在刀具磨损的理论和模型实验研究方面国内外学者已经做了一些研究工作，主要有：盾构刀盘外圈刀具的磨损量的计算可用下述公式 KL 式中：磨耗量（mm）；K磨耗系数（mm/km）；L切削轨迹长Teale于1963年对各种刀具（刀刃角分别为60、90、120）进行了试验观察，发现刀刃越尖，侧向荷载越高，易导致刀具的晃动，原因是刀具刚度不足，不能提供足够的侧向抗力。因此，刀刃角不宜

7、太小，一般为90。关于盾构模型实验方面，国外美国、日本、欧洲等进行了许多研究，国内上海隧道施工技术研究所和同济大学也进行了一些研究，但针对刀具磨损的实验极少。1.4 1.4 课题研究的内容、方法及意义课题研究的内容、方法及意义 本课题以北京地铁四号线14标段和五号线18标段的砂卵石地层土压平衡盾构施工为背景，研究内容主要包括：（1）探讨引起土压平衡盾构刀具（刀盘）磨损的因素；（2）砂卵石地层土压平衡盾构刀具磨损特征研究；（3）探索砂卵石地层刀具磨损系数及不换刀能掘进的最长距离；（4）从机械和土性改良两方面研究减少刀具（刀盘）磨损的方法；（5）土压平衡盾构模型机的研制；（6）相似理论及正交试验设

8、计技术。1.4.2 课题的研究方法课题的研究方法 现场量测、室内试验和理论分析。第二章第二章 砂卵石地层刀具磨损事故分析砂卵石地层刀具磨损事故分析2.1 2.1 基本情况介绍基本情况介绍 北京地铁五号线某标段，采用面板式土压平衡盾构机掘进。推进到约346m处遇到异常，无法继续推进。2.2 2.2 盾构所在地层条件盾构所在地层条件图2.1为17标纵断面图。图2.2为盾构刀盘所在位置断面图。图图2.1 172.1 17标纵断面图标纵断面图图图2.2 盾构刀盘所在位置断面图盾构刀盘所在位置断面图刀盘大部分位 于圆砾层中 可预见其磨损 将相当严重2.3 2.3 停机前的掘进参数及其他特征停机前的掘进参

9、数及其他特征(1)刀盘扭矩值一直居高不下，而且波动幅度较小。(2)刀盘过载频繁，扭矩过大。(3)推进时间延长，泡沫和膨润土用量增大，渣土含水量增大。(4)千斤顶推力增大。(5)排出渣土变热。(6)至289环时推进时，刀盘扭矩急剧上升无法继续推进。具体情况见表2.1及下图所示。刀盘扭矩Push Cylinders摩擦力推进时间管片拼装时间位置推力土压土压力mKNmKNbarKNKNminmin278332.40346876341.213724.123910KN53min37 min279333.60319690351.464493.574541KN77min53 min280334.803155

10、99411.454462.795478KN70min99 min281336.003348110161.504616.686399KN59min68 min282337.203411110841.454462.796621KN65min55 min283338.403256106821.374216.576465KN79min77 min284339.603342123561.394278.128078KN104min88 min285340.80343797921.334093.465699KN105min75 min286342.00342586351.544739.793895KN88m

11、in67 min287343.20335091131.484555.124558KN219min88 min表表2.1 盾构机停止前各环掘进参数一览盾构机停止前各环掘进参数一览刀盘扭矩居高不下，推力增大，推进时间长图图2.3 推力变化图推力变化图284环时推力已急剧上升接近顶峰，只好降低速度，缓慢推进图图2.4 2.4 掘进时间图掘进时间图288环时推进时间剧增无法掘进 2.4 2.4 刀具磨损状况刀具磨损状况外周边刀已完全磨损第一排齿刀（切削刀）严重磨损刀具磨损状况2.5 2.5 刀具磨损系数及分析刀具磨损系数及分析刀具的磨损系数采用公式：K/L计算代入量测数据经计算得磨损系数：k0.491

12、mm/km如此高的磨损系数，如不想办法降低，土压平衡盾构在北京砂卵石地层将无法施工。（1）地质情况特殊，刀盘 大部分处于圆砾层中 产生这么大的磨损，原因？（2）添加剂的 效果不佳（3）盾构刀盘面板 形式的选择不当面板式，开口率小，砂卵石地层流塑性差，很易造成刀盘排土不畅 第三章第三章 砂卵石地层盾构刀具减磨损技术砂卵石地层盾构刀具减磨损技术选择合理的刀盘形式、刀具参数及刀具配置选择合理的刀盘形式、刀具参数及刀具配置 刀具与围岩的作用实际上属于土壤机械系统的相互作用。本章从土壤机械相互作用的角度来研究适合北京砂卵石地层施工的盾构刀盘形式、刀具参数及其配置。3.1 3.1 常见刀盘型式及其特点常见

13、刀盘型式及其特点辐条式辐条式面板式面板式图图3.1 3.1 两种面板型式示意图两种面板型式示意图刀盘的结构主要有面板式和辐条式两大类型。面 板 式幅 条 式备 注开挖面水土压控制一般存在三个压力：P1：开挖面面板之间；P2：面板开口进出口之间；P3：面板与密封舱内壁之间 （即土压计压力）其中：P2受面板开口影响不易确定，而P3=P1-P2开挖面压力不易控制，同时控制压力实际低于开挖面压力。只有一个压力P，密封舱内土压计压力与开挖面的压力相等，因而平衡压力易于控制砂、土适应性（粒径15cm）由于开挖面土体受面板开口影响，进入密封舱内不顺畅，易粘结，易堵塞。仅有几根幅条，同时幅条后均设有搅拌叶片，

14、土、砂流动顺畅，不易堵塞。北京西三环向东四环内地层粒径大致如此砂卵石适应性（粒径15cm）适应性强，必要时可加滚刀。不能加滚刀，刀头形式及数量较少。刀盘扭矩刀盘扭矩阻力大，需增加设备能力造价高刀盘扭矩阻力小，设备造价低隧道内刀头换安全性由于有面板，在隧道内更换刀头时安全可靠在隧道内更换刀头时安全性差，加固土体费用高。由于城市隧道每段长度有限可避免隧道内更换刀头两种刀盘形式的优缺点北京砂卵石地层，理论上应选择辐条式3.2 3.2 刀具的工作原理刀具的工作原理3.2.1 3.2.1 切削刀的刀头种类及其工作原理切削刀的刀头种类及其工作原理（1）主切削刀图图3.4 3.4 主切削刀一般形状及其主切削

15、刀一般形状及其切削土体切削土体示意示意图图 主切削刀的切削原理是在刀盘的转动下，通过刀刃和刀头部分插人到地层内部，像犁子犁地一样切削地层。：前角 ：后角（2）先行刀（超前刀）先行刀的设计原理是：考虑与主切削刀组合协同工作。在主切削刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为主切削刀创造良好的切削条件。图图3.6 主切削刀与主超前刀主切削刀与主超前刀协协同切削土体示意同切削土体示意图图先行刀的切削宽度比主切削刀窄，切削效率较高。采用先行刀可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提高切削刀的切削效率，减少切削刀的磨耗。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

16、显。设置在刀盘中心位置，尺寸较大的鱼尾状的刀具。鱼尾刀的设计和布置原理是：将鱼尾刀设计与其他切刀不在一个平面上，使鱼尾刀最先切削土体，让盾构机先小圆切削土体后扩大到全断面切削土体；将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体增加一项翻转运动（如同犁地一般）。这样既解决了中心部分土体的切削问题，改善了切削土体的流动性，又提高了盾构机整体掘进水平。图图3.7 3.7 鱼鱼尾刀切削土体示意尾刀切削土体示意图图（3）鱼尾刀 砂卵石地层采用滚刀效果不好，改用盘圈贝型刀较好地解决了盾构机切削砂卵石的难题。盘圈贝型刀示意图如下。（4）盘圈贝型刀3.2.2 3.2.2 切削刀的开挖方式与土的破坏

17、机理切削刀的开挖方式与土的破坏机理 切削刀的基本切削过程是：切削刀通过刀刃的切削作用和前刀面的推挤作用使得被开挖土体产生应力与变形。其中刀刃的切削作用使切削层土体沿刀刃方向产生分离。前刀面的推挤作用使得已分离的土体产生变形而与母体分离形成土屑。刀具切削时，通常做两个方向的运动：沿开挖面的运动，它起着分离岩土的作用；切入开挖面的运动，它改变切削的厚度，如图3.10。图图3.10 切削刀工作原理图切削刀工作原理图切削刀的开挖方式主要有以下几种：切削刀的开挖方式主要有以下几种：切削刀的开挖方式主要有以下几种：切削刀的开挖方式主要有以下几种：(a)流动型切屑 (b)裂断型切屑 (c)剪断型切屑 (d)

18、剥离型切屑3.3 3.3 盾构刀具的布置盾构刀具的布置 由3.1节中对两种刀盘的比较可知对于北京的砂卵石地层应选择辐条式。辐条式刀盘刀具一般有以下两种布置方式：辐条式刀盘两种形式整体连续排列方式：其切削阻力较大，盾构机密封舱内土体流动性差。牙型交错连续排列方式：切削阻力小、效切削率高，密封舱内土体流动性好、易搅拌3.4 3.4 本章小结本章小结北京砂卵石地层土压盾构施工应选则辐条式刀盘。在刀具的设计及配置方面应注意高低差配置。交 错配置为好。图图3.16 3.16 主副切削刀示意主副切削刀示意图图第四章第四章 砂卵石地层盾构刀具减磨技术砂卵石地层盾构刀具减磨技术土性改良土性改良 本章从土壤的角

19、度出发，研究合适的添加剂对土性进行改良，使其适于土压平衡盾构施工。4.1 4.1 砂卵石地层的粒径分析砂卵石地层的粒径分析施工现场取了三组原状土进行颗粒分析试验。试验得知该砂卵石含砂率约为25.47，微细颗粒（直径小于等于0.075mm的颗粒）含量很低，仅5.67。图图4.2 砂卵石地砂卵石地层层开挖状开挖状态态4.2 4.2 适合砂卵石地层的添加剂适合砂卵石地层的添加剂 一般地层中细颗粒的含量低于30时需注入泥浆以补充细颗粒含量。颗粒分析试验结果表明北京砂卵石中细颗粒含量远低于30，因此需注入粘土泥浆以补充细颗粒。但是施工发现，加入大量泥浆虽然可以增加掘削土碴的流动性，对盾构掘进时刀盘扭矩过

20、高的情况也略有改善。可是，当加泥量过大时，土仓内较大的卵砾石会在重力作用下沉至土仓底部，土仓内土体不能均匀混合，产生“离析”现象；当刀盘停止一段时间后重新启动时，产生刀盘被“抱死”而不转动的现象。因此，在添加大量泥浆的基础上需加入其它的添加剂才能满足土压平衡盾构施工的要求。初步选定在添加泥浆的基础上加入泡沫，即选择泥浆和泡沫混合剂作为砂卵石地层的添加剂。4.4 4.4 添加剂的室内试验添加剂的室内试验 4.4.1 4.4.1 添加剂注入量的计算添加剂注入量的计算 本添加剂的泥浆由膨润土、水、粉煤灰、流化剂组成（配合比为膨润土:水:粉煤灰:流化剂=1:6:1:0.02，）。由施工经验及资料调研知

21、，土质中细颗粒的含量必须达到30左右，才可能有良好的流塑性。据此，我们通过添加泥浆改良上面三组原状土来满足此要求。通过计算和颗粒试验我们得出注入量为15（即每立方米切削土碴添加150L）时土中微细颗粒（粒径小于等于0.075mm颗粒）含量达到28.15，土的级配良好。泡沫采用阴离子表面活性剂（由磺酸盐发泡剂和酸甲基纤维素黏剂以及其它助剂复配形成）作为发泡剂，由撞击法形成。泡沫的注入量通过计算初步取定泡沫的添加率为35（即每立方米切削土碴添加350L的泡沫）。4.4.2 4.4.2 改良土体流动性的检验改良土体流动性的检验图图4.5 坍落度试验坍落度试验添加前添加后为检验添加剂对土体的改良效果，

22、对改良后的土体进行了坍落度试验图图4.6 添加率添加率塌落度试验结果塌落度试验结果试验结果表明泡沫添加率为35时，改良土体的坍落度能达20cm，可以满足土压盾构对土体流动性的要求。4.4.4 4.4.4 改良土体中气泡稳定性的测量改良土体中气泡稳定性的测量 为了测定气泡的稳定性，我们将改良后的土体置于一个大容积的量筒中，观测其体积的变化来测定气泡的消散情况。总共测量了三组改良土体，试验结果为，5分钟时土体平均缩小2.23，4小时时平均缩小8.35%,满足盾构对气泡稳定性（5分钟以内消泡率小于5%,4小时以内消泡率小于10）的要求。图图4.7 泥浆泡沫注入效果图泥浆泡沫注入效果图第五章第五章 改

23、良后砂卵石地层刀具改良后砂卵石地层刀具磨损现场量测与分析磨损现场量测与分析5.1 5.1 基本情况基本情况 北京地铁五号线18标和四号线14标，均采用土压平衡盾构机施工，刀盘为IHI辐条式，开口率大，在刀具高差上配置了先行刀和副切削刀（如下图）。施工中采用了上章配制的泥浆和泡沫混合添加剂。图图5.1 5.1 刀刀盘辐盘辐条上的刀具条上的刀具IHI辐条式刀盘配置了先行刀和主副切削刀5.2 5.2 北京地铁五号线北京地铁五号线1818标标盾构掘进盾构掘进刀具磨损分析刀具磨损分析5.1.1 5.1.1 基本情况基本情况 五号线18标（东四张自忠路区间）整个盾构掘进区间长度为820m，盾构刀盘累积转数

24、为33200转，其中正转（顺时针方向）17045转，反转（逆时针方向）16155转。盾构通过土层以粉细砂层、圆砾层及粘质粉土、砂质粉土为主。5.1.2 5.1.2 刀具磨损量测刀具磨损量测刀具磨损量量测采用游标卡尺刀具磨损状况图（部分）（1）B-C 辐条间边刀辐条间边刀（2）D-E 辐条间边刀辐条间边刀（3）先行刀）先行刀C1（4）先行刀）先行刀B2（5）先行刀）先行刀F4（6）切削刀）切削刀DL1 刀具几乎没太多磨损量测的项目（1）外周边刀磨损量量测 测量了各边刀的磨损量，并计算出了各自的磨损系数。（2）先行刀磨损量的量测 测量了先行刀的磨损量，并计算出了各自的磨损系数。（3）切削刀磨损量的

25、量测 测量了切削刀的磨损量，并计算出了各自的磨损系数。同时对其宽度方向的磨损量也进行了量测，还对刀头的缺损、脱落以及刀具母材的磨损程度进行了详细记录。对上述量测结果进行统计分析，作一元线性回归，并绘各刀具磨损量与切削轨迹关系图如下.5.1.3 5.1.3 结果分析结果分析 图图5.12 先行刀磨损量与切削轨迹关系图先行刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.13 5.13 左左侧侧高刀磨高刀磨损损量与切削量与切削轨轨迹关系迹关系图图图图5.14 右侧高刀磨损量与切削轨迹关系图右侧高刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.15 左侧低刀磨损量与切削轨迹关系图左侧低刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.16 右侧低刀磨

26、损量与切削轨迹关系图右侧低刀磨损量与切削轨迹关系图 上述各图中直线的斜率表示刀具的平均磨损系数，有上述各图中直线的斜率表示刀具的平均磨损系数，有的直线相关性较差，这有的是由于某些刀具发生了偶然的的直线相关性较差，这有的是由于某些刀具发生了偶然的崩断，使得量测数据偏离较大（如图崩断，使得量测数据偏离较大（如图5.135.13中中C C辐条上辐条上1 1号切号切削刀崩断），有的是由于刀具数量太少，致使相关性较差削刀崩断），有的是由于刀具数量太少，致使相关性较差（如图（如图5.155.15、5.165.16）。由图）。由图5.125.12可知本标段先行刀的平均可知本标段先行刀的平均磨损系数为磨损系数

27、为0.0270.027左右，切削轨迹不同磨损系数不同。由左右，切削轨迹不同磨损系数不同。由图图5.135.135.165.16知切削刀具的平均磨损系数为知切削刀具的平均磨损系数为0.0050.0050.010.01之间，切削轨迹不同磨损系数不同。磨损系数比五号线之间，切削轨迹不同磨损系数不同。磨损系数比五号线1717标段的（标段的（0.4910.491左右）有了成倍的减小了。左右）有了成倍的减小了。5.2 5.2 北京地铁四号线北京地铁四号线1414标标双榆树双榆树学院南区间学院南区间盾构掘进盾构掘进刀具磨损分析刀具磨损分析5.2.1 5.2.1 基本情况基本情况 使用的盾构机基本和18标一样

28、，只是在刀具设计高度和少数先行刀配置上有少许调整。盾构掘进上半断面在粉土层中通过，下半断面进入圆砾石层中。掘进区间长度为820m，盾构刀盘累积转数为40895转，其中正转（顺时针方向）21023转，反转（逆时针方向）19872转。5.2.2 5.2.2 刀具磨损量测刀具磨损量测 刀具磨损的量测项目和量测方法同五号线18标。刀具磨损状况和分析结果所示如下图（图中磨损量单位mm,切削轨迹长单位Km）。刀具磨损状况刀具磨损很小5.2.3 5.2.3 结果分析结果分析 图图5.19 5.19 先行刀磨损量与切削轨迹关系图先行刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.20 5.20 左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图

29、左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.21 右侧高刀磨损量与切削轨迹关系图右侧高刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.22 左侧低刀磨损量与切削轨迹关系图左侧低刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.23 右侧低刀磨损量与切削轨迹关系图右侧低刀磨损量与切削轨迹关系图 由图5.19可知本标段先行刀的平均磨损系数为0.033左右。由图5.205.23知切削刀具的平均磨损系数为0.0060.009之间。磨损系数比五号线17标段的（0.491左右）有了成倍的减小。5.3 5.3 北京地铁四号线北京地铁四号线1414标标学院南学院南白石桥白石桥区间盾构掘进区间盾构掘进刀具磨损分析刀具磨损分析5.3.1 5.3.1 基

30、本情况基本情况 双榆树学院南站区间贯通后，发现刀盘磨损不大（由上述量测数据可以看出），只是个别刀具发生了崩刃或缺损现象，如b辐条上1号、2号先行刀及e辐条上1号先行刀。对这几把刀具更换后，便进行了下一区间（学院南白石桥站）的掘进。该段区间地质状况非常恶劣，几乎都为全断面砂卵石地层，卵石粒径最大可达200mm以上。该盾构掘进区间长度为1100m，盾构刀盘累积转数为77154转，其中正转（顺时针方向）40598转，反转（逆时针方向）36556转。5.3.2 5.3.2 刀具磨损量测刀具磨损量测 刀具磨损的量测项目和量测方法同前。刀具磨损状况和分析结果所示如下图（图中磨损量单位mm,切削轨迹长单位K

31、m）。刀具磨损状况刀具磨损很大有缺损脱落5.3.3 5.3.3 结果分析结果分析 图图5.26 左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.26 左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.27 右侧高刀磨损量与切削轨迹关系图右侧高刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.28 左侧低刀磨损量与切削轨迹关系图左侧低刀磨损量与切削轨迹关系图 图图5.29 右侧低刀磨损量与切削轨迹关系图右侧低刀磨损量与切削轨迹关系图 由图可看出本区间刀具的磨损量特别大，尤其是大部分切削刀已磨损至刀具母材部分。这是由于本区间地质情况非常差，盾构所在位置几乎都是全断面砂卵石，同时

32、掘进距离1100也比上区间长很多。本区间先行刀磨损系数与上区相比增加很小，这是因为刀具最易磨损的刀尖部分已在上个区间磨损，刀头后续部分磨损速度减慢。而切削刀具磨损系数比上区间增加显著，这是因为经过两个区间的磨损大部分切削刀具合金钢刀头（高度为50mm）已全部磨损，接下来磨损的是刀具不赖磨的母材部分。由此我们可以得出以下两个结论：（1）刀具磨损处于合金钢刀头部分时磨损速度有减慢的趋势；（2）刀具母材磨损速度非常快，合金钢刀头磨完后母材很快将被磨完。5.4 北京地铁四号线14标双榆树白石桥区间盾构掘进刀具磨损分析 5.4.1 5.4.1 基本情况基本情况 双榆树学院南区间和学院南白石桥区间用的是同

33、一台盾构掘进因此我们将这两区间合在一起（即双榆树白石桥区间）研究。两区间盾构掘进共为1920m，盾构刀盘累积转数为118049转，其中正转（顺时针方向）60470转，反转（逆时针方向）56428转。5.4.2 5.4.2 刀具磨损量测刀具磨损量测 刀具磨损的量测项目和量测方法同前。分析结果所示如下图（图中磨损量单位mm,切削轨迹长单位Km）。5.4.3 5.4.3 结果分析结果分析 图图5.30 先行刀磨损量与切削轨迹关系图先行刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.30 左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.31 右侧高刀磨损量与切削轨迹关系图右侧高刀磨损量与切削轨迹关

34、系图图图5.32 左侧低刀磨损量与切削轨迹关系图左侧低刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.33 右侧低刀磨损量与切削轨迹关系图右侧低刀磨损量与切削轨迹关系图 由图5.25可知本标段先行刀的平均磨损系数为0.031左右，切削轨迹不同有所不同，由图5.265.29知切削刀具的平均磨损系数为0.022左右，切削轨迹不同有所不同。5.5 5.5 砂卵石地层各刀具磨损比较分析砂卵石地层各刀具磨损比较分析 为分析各刀具磨损之间的差别，将上面的量测数据统计分析，在同一表中作出各刀具磨损量与掘进距离间的关系，并对先行刀和切削刀进行线性回归，如下图所示（图中磨损量单位mm,切削轨迹长单位Km）。图图5.34 五号线

35、五号线18标标各刀磨损量与切削轨迹关系图各刀磨损量与切削轨迹关系图 图图5.35 双榆树学院南双榆树学院南各刀磨损量与切削轨迹关系图各刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.36 学院南白石桥学院南白石桥各刀磨损量与切削轨迹关系图各刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.37 双榆树白石桥双榆树白石桥各刀磨损量与切削轨迹关系图各刀磨损量与切削轨迹关系图5.6 5.6 结论结论（1）改良技术对减少刀具磨损非常有效。采用这些改良技术后刀具磨损系数比第二章调研中五号线17标的磨损系数减少了十多倍，比日本统计的刀具磨损系数也小了一些。（2）刀具磨损处于合金钢刀头部分时磨损速度有减慢的趋势，因此对于砂卵石地层切削刀具不

36、必做得过于锋利，可以将刀头做得稍圆滑一些。这是因为对于砂卵石地层，切削刀具的作用更多用于剥离土层，而不是切削土层。同时将刀头做钝点，抗扭能力也增强，可以减少缺损崩刃的风险。（3）刀具磨损与切削轨迹有关。磨损量外侧刀具比内侧刀具大，磨损系数平均而言内侧大于外侧。（4）先行刀的磨损量和磨损系数一般比切削刀要大。（5）砂卵石地层刀具母材磨损严重。（6）砂卵石地层容易发生刀具缺损和崩刃现象，特别是切削刀发生这类现象的几率更大。（7）采用有效的改良技术后，在北京，部分断面砂卵石地层可做到掘进2000m左右不换刀。条件很恶劣的全断面砂卵石，也可掘进1300m左右不换刀。第六章 北京地铁砂卵石地层土压平衡盾

37、构施工建议 6.1 6.1 基本措施基本措施 北京地铁盾构隧道施工，多在粉细砂层、圆砾层及卵石层中进行，刀盘、刀具磨损较大，须对刀盘、刀具磨损的检测及更换等有充分的估计。在定购盾构机时，应充分考虑北京地层条件特点，确定盾构机的面板型式以及刀具配置等，以满足北京地铁盾构施工的需要。盾构施工前应根据地层的磨耗性、刀盘刀具类型及配置等制定刀具使用计划。盾构掘进施工前，应综合考虑地层条件，地面条件等因素，确定合理的可能换刀位置。施工中应使用泡沫、泥浆等添加材，并采取其它减磨、降矩措施，提高刀盘、刀具的寿命。刀盘、刀具的磨损与施工参数的选择、施工方法等密切相关，应充分考虑这些因素的影响，审慎施工。施工中

38、应密切观察推力、扭矩、渣土性状、机体振动状态等，分析其原因，采取应对措施。应设定异常掘进的警戒推力及扭矩值，如遇异常情况，应立即停机检查。6.26.2刀盘及刀具的选择刀盘及刀具的选择 6.2.1 刀头材质的选择刀头材质的选择 刀具一般采用真空烧制的E5类钢材，对于有特殊耐磨要求的刀具宜采用耐磨能力是E5 两倍的所谓SINTERH1P真空烧制的E3类钢材。表面硬化的方法一般是堆焊耐磨材料，可采用碳化钨或高铬堆焊焊条，堆焊层硬度宜高于HRC60；采用超硬重型刀，刀具背面实施硬化堆焊。6.2.2 刀头种类及型状刀头种类及型状主切削刀；其切入角度影响切削能力的发挥，应根据施工地层情况，选择切入角度；主

39、超前刀（也称先行刀）：采用主超前刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低主切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少主切削刀的磨耗。鱼尾刀：为改善中心部位的切削和搅拌效果，宜在刀盘中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。盘圈贝型刀：实质上是超前刀，在盾构机穿越砂卵石地层特别是大粒径砂卵石地层时宜采用。仿形刀：仿形刀的目的是盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削创造所需空间。6.2.3 刀具配置刀具配置 增加刀具的数量，即增加刀具的行数及每一行的刀具布设数量；采用长、短刀并用法，即长刀具磨损后，短刀具开始接替长刀具磨损。其高低差一般为20mm30mm。切削刀头的安装方法有销钉、螺栓及焊接等方

40、法。预测需要更换时，须采用装卸容易的方法进行安装。在北京地层条件下，应加大刀盘开口率，减少切削土渣在刀盘空间的滞留时间，以保证土渣顺利进入土舱，减少刀盘、刀具的磨损。6.3 刀具磨损的预测及检测方法刀具磨损的预测及检测方法 采用有效的改良技术后，平均而言在北京部分断面砂卵石地层刀具磨损系数可控制在：先行刀0.027左右，切削刀可控制在0.008左右。条件极为恶劣的全断面砂卵石，磨损系数也可分别控制在0.034左右。但由于砂卵石地层掘进刀具易发生缺损、崩刃等偶然现象，因此个别刀具的磨损系数可能达到0.09甚至更大。不换刀可掘进的最长距离：部分断面砂卵石地层可达到2000m左右；条件非常恶劣的全断

41、面砂卵石，也可掘进1300m左右不换刀。磨耗检测：一般，判断刀头的磨损程度，是根据盾构记录的推进数据的变化，从土质和机械两方面进行综合判断。条件具备时并用辅助性磨耗探测装置，常用的磨耗探测装置有油压式、电气式、超声波式等。当经验不多，预计磨损严重时，可进行开舱检查。开舱检查必须在开挖面稳定的条件下进行。6.4 降低刀盘磨损的施工工艺及换刀标准降低刀盘磨损的施工工艺及换刀标准（1）选择合适的添加材改良材料(气泡、泥浆等)，并实施科学的施工管理，以降低刀盘刀具磨损；（2）适当调整掘进速度及转速等；（3）宜适时交替使用刀盘正、反转，并尽可能使正、反方向切削刀的切削长度相同。（4）在自立性好的地段可以

42、采用适当的减压施工措施。（5）目前，刀具更换尚无统一的标准，作为参考值，一般磨损量达到25cm时须换刀。6.5 换刀作业（舱内）换刀作业（舱内）开舱换刀应尽可能在预定地点进行，并做好开舱前的所有准备工作。换刀作业不得已在隧道内进行时，必须进行化学加固、气压施工等辅助施工法，以确保开挖面稳定。为了施工安全、顺利地进行，应准备好应急措施。换刀作业应清扫刀头上粘附的砂土，设置脚支架，确认需要更换的刀头，运入工具、器材，进行换刀作业。并作好换刀记录。6.5.1 换刀作业程序换刀作业程序（1）首先要对所换刀具进行检查，看是否有损坏或裂痕，磨损是否严重。（2）若确认需更换刀具，则在刀具运输过程中要注意，不

43、应有严重碰撞及磨损。（3）每次更换时，工作人员先将刀具周围的泥土清掉，保证有一定的工作空间。再用套筒及加力杆卸下固定螺栓，注意不要让螺栓掉到土舱下部。将换下的刀具递到人闸内，同时将固定螺栓和固定座用水清洗干净，还要检查一下是否有裂纹，如有裂纹必须更换新螺栓，以确保刀具有足够的固定强度。（4）将新的刀具按原来的位置安装好，将固定螺栓拧紧。（5）每次只能带一批刀具进舱，每批刀具换完后，把废刀具放进料闸内，与此同时操作手转动刀盘。工作人员把下一批刀具送入土舱内，再继续更换下一组刀具。（6）每换完一批后，由值班机械工程师检查安装质量，看是否有漏掉的或者没有固定好的。机械工程师确认无误后方可继续作业。更

44、换速度按实际情况定，必须以保证施工安全和安装质量为前提。（7）在舱内刀具更换作业过程中，土建工程师应密切注意开挖面的土质情况和地层中地下水的状况。当开挖面有异常情况时，应立即组织工作人员退出土舱，关好舱门。（8）在更换刀具过程中，所有的刀具都是通过旋松其固定螺栓进行拆卸，在更换刀具后要重新使用规定的紧固扭矩拧紧螺栓。6.5.2 换刀时的注意事项换刀时的注意事项（1）根据刀具磨损情况来确定所需更换的部分刀具，不能随意更换某一部分，这样会造成新刀具的严重磨损，导致不必要的浪费，并且也不能达到要求的效果。（2）每次卸下刀盘的连接螺栓后，一定要注意清洗，避免螺栓螺纹损坏。保证螺栓的安装强度。（3）刀具

45、卸下后，检查螺栓是否有裂纹，如有马上更换。（4）整个焊接过程应注意舱内的通风，确保舱内工作人员新鲜空气的用量。（5）因舱内环境潮湿闷热，焊工每班工作时间控制在4小时左右，保证焊工的工作效率和焊接质量，同时也保证人员的健康安全。（6）材料进出应避免碰坏损伤，人行通道位置管路需进行保护。（7）在一个循环的刀具更换完成后，机械工程师必须让所有人员撤离土舱进入人闸，待转完刀盘，观察开挖面无异常现象后，再继续进行检查、换刀作业。6.5.3 在刀具更换过程中如需焊接则应在刀具更换过程中如需焊接则应注意下列事项注意下列事项（1）根据机械工程师描绘的刀盘磨损情况，加工相应的焊接件，焊接件的材质必须与刀盘本体材

46、质一致；（2）焊接前对刀盘焊接面用丙酮液进行清理，局部残留体应用角磨机打磨平整，以保证焊接质量；焊接过程中应保证焊接件焊缝四周均匀一致；（3）焊接件及焊缝四周用耐磨焊条加焊耐磨层；（4）焊接完成后方可进行刀座的焊接和刀具的安装。6.6 盾构开舱作业盾构开舱作业 应建立完善的开舱控制程序，严格开舱管理，确保开舱施工安全。开舱管理应遵循下列原则：（1）合理制定开舱里程、地层预处理方案等开舱计划；（2）开舱条件应安全、可靠；（3）尽可能减少对地面环境影响；（4）开舱作业应连续，快进、快出。6.6.1 开舱程序控制开舱程序控制 为使开舱作业有序地进行，应制定开舱作业程序，并建立为使开舱作业有序地进行，

47、应制定开舱作业程序，并建立相应的签认制度。相应的签认制度。（1）开舱准备工作确认）开舱准备工作确认 为保证开舱作业的连续、快速，必须做好充分的准备，准为保证开舱作业的连续、快速，必须做好充分的准备，准备工作包括预计更换刀具准备、开舱作业工具准备、洞内备工作包括预计更换刀具准备、开舱作业工具准备、洞内风水电准备等。准备工作由专人负责，完成后由相关工程风水电准备等。准备工作由专人负责，完成后由相关工程师确认，机电总工程师审核；师确认，机电总工程师审核；（2）开舱位置确定）开舱位置确定 根据开舱计划，必须在盾构到达既定里程后方可进行开舱根据开舱计划，必须在盾构到达既定里程后方可进行开舱作业。开舱位置

48、由土木工程师确认，土木总工程师审核。作业。开舱位置由土木工程师确认，土木总工程师审核。通过签认后即可打开舱门；通过签认后即可打开舱门；（3）工程地质确认）工程地质确认 开舱后先按要求对土舱进行冷却与空气置换，然后由有经开舱后先按要求对土舱进行冷却与空气置换，然后由有经验的地质工程师判断工作面的地质条件，仔细观察后签署验的地质工程师判断工作面的地质条件，仔细观察后签署意见，并由土木总工程师进行审核确认。确认安全后其他意见，并由土木总工程师进行审核确认。确认安全后其他人员方可进入土舱执行下一步作业；人员方可进入土舱执行下一步作业；（4）刀具检查与处理方案确定）刀具检查与处理方案确定 由具有刀具管理

49、经验的机械工程师对刀具进行检查，做好由具有刀具管理经验的机械工程师对刀具进行检查，做好记录，并由机电总工程师进行审核确认，制定刀具处理方记录，并由机电总工程师进行审核确认，制定刀具处理方案。案。由土木工程师对工作面稳定情况进行进一步判断后，决定由土木工程师对工作面稳定情况进行进一步判断后，决定是否可进行既定方案的刀具处理施工。进行刀具处理的过是否可进行既定方案的刀具处理施工。进行刀具处理的过程中，必须有一名土木工程师不间断地对工作面稳定情况程中，必须有一名土木工程师不间断地对工作面稳定情况进行观察；进行观察；（5）刀盘清理及舱门关闭确认）刀盘清理及舱门关闭确认 刀具处理完毕关闭舱门前对土舱及刀

50、盘前方进行全面的检刀具处理完毕关闭舱门前对土舱及刀盘前方进行全面的检查，避免工具、杂物遗留在内。检查完毕由当班班长签认，查，避免工具、杂物遗留在内。检查完毕由当班班长签认，负责机械工程师确认，确认后关闭舱门，舱门关闭情况由负责机械工程师确认，确认后关闭舱门，舱门关闭情况由负责机械工程师确认，机电总工程师审核。完成后及时恢负责机械工程师确认，机电总工程师审核。完成后及时恢复掘进施工。复掘进施工。6.6.2 安全保障措施与安全事故抢救安全保障措施与安全事故抢救（1）开舱安全保障措施开舱作业必须在既定的位置进行，如果因施工需要必须在其他位置进行开舱作业时，必须充分分析并报业主及监理同意后，由项目经理