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北京地区地铁隧道施工用盾构机选型
作者:张曙  文章来源:中国论文下载中心  点击数  更新时间:2013/7/27 22:42:04  文章录入:web13741  责任编辑:web13741

很有必要结合北京市地质条件的特点,对日本提出的 值进行调整。经与日本盾构机制造商进行技术交流和争论,取得共识。认为将盾构机刀盘最大扭矩系数 值提高到25以上,不仅更适应北京地区砂卵石地层的隧道施工,也间接提高了盾构机的使用寿命,技术经济更为合理。

  7.2 刀具布置和刀具形状

  刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常重要的内容。刀具布置方式及刀具形状是否适合应用工程的地质条件,直接影响盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。

  7.2.1 刀具布置

  对于全断面切削的辐条式刀盘,从盾构机的发展历史看,刀具布置有两种方式:第一种为刀具整体连续排列方式,因其切削阻力较大,盾构机密封舱内土体流动性差,现已很少使用,仅偶尔在切削阻力小的淤泥质地层中采用;第二种为刀具牙型交错连续排列方式,因其切削阻力小、切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌而被广泛使用。目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。我集团公司采购的盾构机,其刀具布置就是采用该方式。两种刀具布置方式见图13。

  

  根据北京市地铁隧道施工中可能碰到的三种主要地质条件,刀具布置时应按照牙型交错连续排列的原理,确保盾构机刀具的切削轨迹布满开挖全断面;另针对不同切削要求(包括不同地质的要求),需设置切削刀、超前刀、盘圈贝型刀、鱼尾刀、仿型刀等几种刀具。按照各种刀具的特点及作用,经过分析比较,各种刀具可采用图14的布置方式。

  

  7.2.2 刀具形状及其作用

  如前所述,刀具的形状必须适应施工地质的特点,并且刀具在切削断面不同的位置其作用及要求均不同,因此应对刀具进行设计。针对北京地铁隧道穿越三种主要地层的特点,刀具设计时应考虑以下几个要素。

  ①刀具在砂、砂卵石地层中的切削效率,即如何减少切削阻力,保证切削土体的流动性。

  ②通过刀具形状的改变,减少刀具掘进磨损,提高刀具的耐久性。

  ③适应城市繁华地区施工的需要,尽可能减少刀盘旋转刀具切削土体过程对周边土体及环境的干扰,如振动、噪音等。

  ④如何从材料和设计方面,对解决盾构机在砂卵石地层掘进时刀具的磨损(包括撞击掉块等)提出切实可行的措施,保证盾构机刀具长距离掘进的可靠性。

  (1) 刀具的类型及切削原理

  目前盾构机刀具按切削原理划分,一般公认有滚刀和切削刀两种类型(根据隧道围岩性质不同、切削目的不同,这两类刀具还可进一步细分)。滚刀的切削原理主要是刀具依靠挤压破岩,一般用于岩石隧道的掘进。当虽然穿越松散地层但有大粒径的砾石(粒径大于400mm)、并且含量达到一定比例时,也可采用滚刀型刀具。另在隧道地质条件复杂多变、岩石(强度不算太高)与一般土体(或粘土或砂土)交错频繁出现的情况,也有可能采用滚刀型刀具,即在复合式盾构机中采用。北京地区一般不需要采用滚刀型刀具,至少在西四环向东的北京市大部分地区不需要。

  切削刀的切削原理则主要是盾构机向前推进的同时,刀具随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(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。切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散体地层。

  (2)主要刀具形状及作用

  ①切削刀

  切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具,切削刀一般形状如图15所示。一般情况下,β(前角)与α(后角)值随切削地层特性不同变化,取值范围在5°~20°之间,粘土地 层稍大,砂卵石地层稍小。针对北京市地层特点,β(前角)和α(后角)值建议采用15°。切削刀切削土体的示意见图16。

  

  ②超前刀(也

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