刀盘适应性改造案例分析

1 铁建重工DZ038原刀盘，刀具介绍

铁建重工DZ038原刀盘为软土地层施工设计，适应于粉质粘土，粉土，粉砂、黏土等地层施工。刀盘采用辐条+面板式结构，见图1。配置刀具及参数见表1。

图1 原刀盘结构

2 工程地质情况对比

2.1 徐州地铁2号线09标大龙湖站～市政府站区间地质情况

区间穿越地质为2-5-4粉土、2-4-2粉质黏土、3-4-3粉质黏土、局部2-6-3粉砂、2-5-3粉砂，不良地质为2-5-4粉土，2-5-3粉砂液化砂土层，液化等级中等。

2.2 徐州地铁2号线09标文博园盾构井～大龙湖站区间地质情况

表1名称 部件名称 参数 备注刀盘刀盘结构型式 辐条+面板式开挖直径 6430mm超挖齿刀 1把 超挖50mm开口率 约50%中心鱼尾刀 1把 刀高450mm周边刮刀 8对贝壳刀 36把 刀高160mm切刀 52把 刀高125mm保径刀 14把

区间穿越地质为5-3-4黏土、3-4-3粉质黏土、2-5-3粉土、2-5-4粉土、局部穿越12-4-3中风化石灰岩，强度约100Mpar，侵入隧道约1m。

2.3 对比分析（表2）

表2工程名称 地层特点刀盘要求 刀具要求相同点 不同点 相同点 不同点大龙湖站～市政府站区间区间以粉土、粉质黏土为主，不良地质为液化砂土刀盘配置以齿刀，贝壳刀等切削刀具文博园盾构井～大龙湖站区间区间以黏土、粉土为主，特殊地层为12-4-3中风化石灰岩灰岩层刀盘结构有足够的强度，刀盘开口率要满足黏土地层掘进，刀盘能够满足黏土，粉土掘进渣土改良能力刀盘强度仅需满足软土掘进需求刀具需要满足土层开挖掘进需求刀盘结构要满足硬岩掘进强度及耐磨性需求刀盘配置具有更强破岩能力的滚刀

3 盾构机刀盘改造方案

根据文博园盾构井～大龙湖站区间地质情况，对盾构机的适应性要求，确定采用对原刀盘进行改造方案。

3.1 刀盘改造

刀盘原主体结构形式不变，在面板上增焊13把滚刀刀箱用于增加刀盘破岩能力和整体结构强度，滚刀刀座周边焊接刀座保护快；同时为加强刀盘耐磨性，在刀盘面板正面焊接复合耐磨板，大圆环外周焊接镶嵌合金耐磨板，其它无耐磨板覆盖处，大圆环底部齐平面加焊致密耐磨网格。

3.2 刀具改造

刀具配置增加13把滚刀，并按刀间距100mm依次布置，滚刀最大切削高度1.17m，满足切削1m高岩层需求，其中8把正面滚刀，5把边缘滚刀（其中一把偏心滚刀），能够保证盾构机切削直径，滚刀高175mm，比贝壳刀，切刀高15mm，可先于贝壳刀和切刀贯入地层，对掌子面进行切削，破岩能力超过120Mpar，满足100Mpar灰岩掘进需求。

图2 滚刀布置

3.3 刀盘结构强度进行分析

3.3.1 刀盘结构材料

刀盘为钢结构，材料是Q345C。按照GB/T1591，材料的屈服极限是：σs≥305MPa（钢板厚度 t＞80～100mm）。

3.3.2 安全系数

根据GB/T《钢结构设计规范》，对于按承载能力极限状态计算的钢结构，可变荷载的安全系数为：γ=0.9×1.4=1.26。

钢结构的结构重要性系数为：γ0＝0.95。

其强度设计值为：

[σs]≥254MPa（钢板厚度 t＞80～100mm）。

3.3.3 加载条件

刀盘推力：T=4500kN。

刀盘扭矩：M=4798kN·m。

3.3.4 分析结果

刀盘根据的三维模型采用有限元分析，在刀盘滚刀和面板正面上施加推力，合力为4500kN，同时在刀盘大圆环外圈施加扭矩，扭矩大小为4798kN·m。刀盘Mises等效应力云图如图3所示，变形总云图如图4所示。

图3 刀盘正面Mises等效应力云

图4 总变形云

从上面分析可得出刀盘最大应力约225MPa，位于环形筋板与幅臂侧板焊接处。刀盘材料的许用应力[δs]≥254MPa，大于225MPa。综上分析，刀盘结构强度满足设计要求，如图5所示。

图5 刀盘改造完成

4 盾构机其他方面的改造

在刀盘结构、刀具方面时，针对区间工程地质的特点，对皮带机出土口部位做了增加出渣助力装置改造，使盾构机更加适应于黏土等地层施工，取得良好的使用效果。

5 实际应用情况

铁建重工DZ038盾构机在经过相关系统改造后，在文博园盾构井～大龙湖站区间含灰岩地层掘进中，盾构机以平均掘进速度15-20mm/min，平均日掘进8m的掘进速度顺利贯通了区间45m硬岩层。贯通后刀盘面板正常磨损，刀盘结构未出现裂缝，滚刀刀具平均磨损5mm，最大磨损7mm，无偏磨，刀鼓磨损现象，说明改造刀盘适应于该类地层施工。

文章来源：《地质与勘探》 网址: http://www.dzyktzz.cn/qikandaodu/2020/1119/450.html