复合地层中盾构刀具磨损的检测方法
复合地层中盾构刀具磨损的检测方法研究
张厚美
（广州市盾建地下工程有限公司，广州，510030）
摘要：刀具磨损严重是盾构在复合地层中施工遇到的最大难题之一，刀具磨损检测技术是盾构施工的一个重要研究课题。本文结合实际工程对运用掘进参数检测刀具磨损的方法进行了探索研究。介绍了刀具失效的常用判断方法、运用掘进参数检测滚刀失效的原理、滚刀磨损或失效的判断方法以及工程应用实例。初步研究结果表明，掘进参数的计算原理是正确的，方法是可行的；计算值和实际值变化趋势是一致的；刀具磨损情况检测结果与实际换刀情况是相吻合的。经常进行刀具检查，尽早更换磨损或失效的刀具是正确的选择。
主题词：盾构，刀具磨损，复合地层，检测模型，切削力，掘进参数
Study on the method of estimating cutter wear of shield in mix-face ground
Zhang Hou-mei
Guangzhou Municipal Dunjian Underground Construction Eng. CO.,Ltd.,
Guangzhou 510030,China
Abstract：One of the most difficult problem of shield tunneling in mix-face ground is the severe wear of cutters.How to estimate the cutter wear in mix-face ground is an important task for shield tunneling. The method estimating the cutter wear by analyzing the tunneling parameters is presented in this paper. General approaches for estimating the cutter wear ,the principle of estimating the cutter wear and an engineering example are also introduced.A comparison is made between the calculating parameters and the performance of shield in the field.Tt is shown that the method estimating the cutter wear is feasible, the estimation results are reasonable and in accordant with the case of cutters change.Examining the cutters regularly and changing the worn cutters in good time is necessary for shield tunnelling.
Key words：shield,cutter wear, mix-face ground , estimating method, cutting force,tunneling parameter
引言
随着盾构机制造技术的发展，盾构机的适应地层范围越来越广，盾构技术不仅在比较均匀、单一的土层中得到广泛应用，也在各种软硬交替的复合地层中得到了应用。
广州地区地质条件复杂，冲积相、海陆交互相的第四系广泛分布，三大岩类，即沉积岩、岩浆岩、变质岩发育齐全。其中流塑状淤泥层，易液化的粉细纱层，膨胀土、花岗岩残积土以及高强度花岗岩被称为广州地下工程建设的四大难题。此外还存在土洞、溶洞、球状风化体、断层破碎带、煤层等地质问题，隧道
洞身穿越的地层具有典型的复合地层特征。
近年来，随着广州地铁的大规模建设，复合盾构已机成为复合地层中修建地铁隧道选用最多的盾构类型。广州地铁在二号线、三号线建设中所引进的复合盾构机约占盾构总数的80%以上[1]。世界主要盾构机制造厂商的盾构机在广州得到了应用，在复合地层施工中遇到了严峻的挑战。
目前，盾构掘进过程的刀具磨损状况判断主要还是凭经验、凭感觉，最有效的方法是停机后人工进舱检查，但人工检查是一项风险很高的工作。这种方法只能在稳定地层中使用，在不稳定地层中需首先进行地层加固或压气作业，代价很大。为了“减少”麻烦，施工中往往不愿主动停机检查，到无法再继续掘进了才被迫开舱检查。此时往往很多刀圈、轴承都已磨损、变形，一些变形严重的刀具经常无法顺利取出，增加更多麻烦，耽误更多的换刀时间。
复合地层中盾构掘进过程的刀具磨损检测技术已成为迫切需要解决的问题。有鉴于此，本文拟结合广州市轨道交通四号线【大学城～小谷围盾构区间】盾构工程硬岩段的施工情况，对刀具磨损检测方法进行一些探索研究。
1刀具失效的判断方法
常见的刀具失效形式有：刀圈磨损、（多边）弦磨、刀圈断裂、崩刃、刀圈松动、轴承漏油、轴承磨损失效等，其中刀圈磨损是刀具正常损坏，其它形式属于非正常损坏。刀具磨损、失效的常见的判断方法有以下几种：
（1）异味添加剂
这种方法适合在TBM中应用，例如在秦岭隧道所使用的WIRTH公司生产的滚刀，为了检测轴承失效情况，在其轴承润滑油中加入了具有异味的MOLYUAN添加剂，掘进中若刀具漏油，则放出刺鼻的异味，能很敏感地报告刀具损坏信息[2]。这种方法在土压平衡式盾构和泥水式盾构中效果不佳。
（2）刀具磨损感应装置
在刀具或刀盘内安装液压或电
子传感器系统，一旦刀具磨损到一
定程度就会自动报警指示。图1是
海瑞克（Herrenknecht）公司提出
的带有磨损探测器的刮刀原理图。
该系统由探测器、发射器、接收器
组成,采用线路连接，可在刀盘上安
装8个这种特制刮刀。图1 带有磨损探测器的刮刀原理图
比较常见的滚刀磨损感应装置则是采用液压油缸从刀盘伸出至滚刀刃尖，通过比较伸出行程与磨损前行程的差值判断滚刀的磨损量。此外还有一些采用液压短路、光纤维短路或超声波等方式来判断滚刀磨损的感应装置。由于感应装置只能在少量刀具上安装，应用范围小，使用效果受到很大限制。
（3）掘进参数分析
随着刀具的磨损，在推力不变的情况下，掘进速度一般会降低，扭矩增加，据此可以粗略估计刀具磨损情况。但由于掘进速度、扭矩受众多因素影响，包括推力变化、转速变化、地层变化、土舱压力变化等，故往往还难以直接用于判断。此外，若轴承损坏，刀具偏磨后，刀刃将与岩石表面发生剧烈摩擦，产生大量热量，导致渣土温度升高，故渣土温度异常时也可能意味着刀具失效。
（4）岩渣形状分析
一般地，新刀产生的岩渣块度较大，多呈片块状，菱角分明，刀具磨损后，岩渣块度变小、粉末增加。此外还可留意观察渣土中有无金属块，崩裂的刀圈往往会随渣土一并排出。
（5）开舱检查
这是最常用最直接最可靠的方法，停机后由人工进舱逐个刀具检查。在不稳定地层中，开舱前需首先进行地层加固或压气作业，方可入舱检查。
2运用掘进参数检测滚刀失效的原理
随着盾构机技术的进步，现代盾构机都配备有先进的数据采集、传输、存储系统，可以对盾构掘进过程的各种掘进参数进行自动采集、记录。最基本、最重要的掘进数据包括：掘进速度、千斤顶总推力、刀盘扭矩、刀盘转速、土舱压力等。在总推力、刀盘转速不变的情况下，掘进速度、刀盘扭矩的变化主要与岩层性质和刀具磨损状况有关，刀具磨损后，掘进速度一般会降低，扭矩也会发生相应变化。一般地，掘进速度和扭矩之间并非独立的，掘进速度越大，滚刀切入岩石越深，扭矩就越大。故可以通过分析掘进速度和扭矩的变化来预报刀具的磨损情况。同时，由于掘进速度和刀盘扭矩还受岩石强度的影响，其它条件不变的情况下，岩石强度越大，掘进速度和刀盘扭矩就越低。故还必需研究掘进速度、扭矩与岩石强度的关系，以便判断引起掘进速度和扭矩变化的真实原因。
2.1滚刀切削力试验模型
有关滚刀切削力模型，最早是从滚刀切削破岩试验中得出的，包括切削力与岩石强度、切削深度、切槽间距、切削面积、切削速度、切削半径、滚刀尺寸、形状等参数的关系，以及垂直切削力和水平切削力之间的关系等。
（1）切削力与岩石强度、切削深度的关系
Graham (1976)对单轴抗压强度为140-200Mpa 的岩石进行切削试验，得到的的关系式为[3]：
c n F P σ/3940= （1）
式中：P ——为每转进尺，mm/rev ；Fn ——滚刀的平均推力，kN ； σc ——岩石单轴抗压强度，MPa 。 将上式变换后得切削力线性模型：
P k F c n n ..σ= （2）
式中：k n ——为切削力系数，k n ＝1/3940
Hughes (1986)根据煤层中的切削试验数据，提出的关系式为[4]：
6
.02
.12667.1??
?
?????? ??=D F P c n σ （3） 式中：D ——滚刀直径，mm ，其余符合意义同上。
上式只考虑单个滚刀破岩作用，即不考虑相邻滚刀对切削力的影响。 将上式变换后得切削力幂模型：
m c n n P k F σ= （4） 式中：k n ——为切削力系数，3.13642.05.0==D k n m ——切削深度指数，m ＝0.83。
可见，切削力线性模型只是幂模型的一种特例。 （2）垂直力与水平力的关系
在滚刀切削破岩试验中，大部分研究人员发现，滚刀垂直推力与水平滚动力之间是成比例变化的，水平滚动力与垂直推力之比定义为切削系数。
Roxborough 和 Phillips (1975)假设单个滚刀的切削深度就等于TBM 的每转进尺，由此得到切削系数[5]：
)/(/P D P F F C n r e -== （5） 式中：F r ——滚刀水平滚动力。C e ——切削系数。
由于实际施工中，滚刀切削深度远小于滚刀直径，故式（6）可简化为：
D P F F C n r e //≈= （6） Hughes (1986)得到的切削系数关系式为：
)5.0/(65.0/D P F F C n r e == （7） 简单变换后得到：
D P F F C n r e /92.0/≈=
可以看出，不同研究者得到的切削系数表达式基本上是一致的。 2.2 有效推力、有效扭矩与切削力关系的推导
根据切削力试验模型精确计算总推力、扭矩等掘进参数是很复杂的，作者在[6]文献中已有介绍。为简化起见，本文不考虑刀尖距对切削力的影响，即假设每把滚刀的切削深度是相同的。由此得到的推力和扭矩计算公式如下：
（1）刀盘有效推力计算
刀盘有效推力指推动刀具破岩所需的合力，不包括克服盾构前进的各种摩擦力和土舱土压力产生的反推力。有效推力由每个滚刀的垂直（法向）推力沿盾构机轴线方向的分力叠加而得：
∑==N
i i ni Cos F W 1.β （8）
式中：W ——刀盘有效推力；F ni ——第i 个刀具的垂直（法向）推力； βi ——第i 个刀具法线与盾构机轴线的夹角；N ——刀盘上的刀具数量。 将式（4）代入上式得：
∑==N
i m c i n P Cos k W 1.)...(σβ （9）
（2）刀盘有效扭矩计算
刀盘有效扭矩指由刀具切向力对刀盘旋转轴产生的合力矩，不含刀盘旋转遇到的摩擦力矩。
∑==N
i i ri r F T 1. （10）
式中：T ——刀盘有效扭矩；F ri ——第i 个刀具的水平（切向）切削力； r i ——第i 个刀具的旋转半径。
由式（6）得：
D P F F n r /.= 代入式（10）整理得：
∑=+=N
i m c i n
P r D k T 1
5.0.)(1
σ （11）
（3）有效推力、扭矩表示的掘进速度 式（11）是刀盘扭矩的计算公式，由于公式中含有岩石强度参数，还无法直接用于扭矩计算，故需进一步变换。
由式（9）得：
m
N
i i n c P W
Cos k ∑==
1)
..(1βσ （12） 将上式代入式（11）得：
P W Cos D r
T N i i N
i i
∑∑===
1
1)
..(β （13）
根据切削深度与掘进速度、刀盘转速的关系n v P /=，代入上式得：
n
v W Cos D r
T N i i N
i i
.
)
..(1
1∑∑===
β （14）
式中：v ——掘进速度；n ——刀盘转速。
对比式（11），上式已不包含岩石强度参数，可直接由掘进速度、刀盘转速、有效推力、刀具布置坐标参数计算出有效扭矩，岩石强度对扭矩的影响作用已隐含在掘进速度参数中。
由式（14）变换得到掘进速度的计算公式：
22
12
12
..)()..(W
T n r Cos D v N i i N
i i ∑∑===
β （15） 2.3 总推力、总扭矩表示的掘进速度检测式
式（14）、（15）是由单个滚刀切削力模型推导出的，式中对应的推力、扭矩是直接作用于破岩的有效推力和有效扭矩，不包括盾壳摩擦力和后续台车牵引力，也不包括刀盘旋转产生的摩擦力。而实际施工中还难以直接量测有效推力和有效扭矩，所记录的是包括各种摩擦力的总推力和总扭矩，故直接应用式（15）检测掘进速度将产生较大的误差，还必须进一步对式（15）进行变换。
分别记总推力、总扭矩为W t 、T t ，则：
00T T T W W W t t -=-=； （16）
式中：W 0、T 0，分别为盾构掘进过程所受摩擦力和摩擦扭矩。
记：∑∑===
N i i N
i i
t Cos D r
K 1
1
)
..(β，代入式（14）得：
n
v W W K T T t t t )..(00-=-
移项得：
n
v
W K n v
W K T T t t t t .
..
.00-=＋ （17）
根据上式可采用回归方法求出W 0、T 0，回代入式（15）得到：
2
02
02)()(.W W T T K n
v t t t --= （18） 式（17）、（18）是在滚刀完好情况下建立起来的总扭矩与总推力、掘进速度之间关系的半理论半经验公式，可直接采用掘进过程记录的总推力、总扭矩计算掘进速度。一般地，滚刀完好情况下，检测值与实际值之间的偏差值一般比较小；滚刀磨损后，检测值与实际值之间的偏差值将增大，故可通过对比掘进速度或扭矩的检测值与实际值之间的偏差值来预报滚刀磨损状况。
3 滚刀磨损或失效的判断方法
设滚刀完好情况下，掘进了L 0米，采集了n 0条掘进参数记录（T ti ,W ti ,v ti ,n i ，i =1,2,3,…. n 0），按照式（18）计算出对应的n 0个掘进速度检测偏差值（Δv 1, Δv 2, Δv 3,…Δv n0），可看作一个随机样本，其样本均值和样本方差分别记为（Δv 0，s 0）；继续掘进L x 米后，又采集了n x 条掘进参数记录，同样得到n x 个掘进速度检测偏差值（Δv 1, Δv 2, Δv 3,…Δv nx ），其样本均值和样本方差分别记为（Δv x ，s x ），则判断盾构继续掘进L x 米后，滚刀是否明显磨损就等同于判断两个随机样本的均值差是否大于某一设定值δ，故可运用数理统计的t 检验法来判断。
构造下列统计量[7]：
2
).1().1(02
2002
-+-+-=
x x x w n n s n s n s （19） 式中：n 0——滚刀完好情况下掘进L 0距离采集到的掘进参数样本容量； n x ——继续掘进L x 米后采集到的掘进参数样本容量；
Δv 0，s 0——分别为滚刀完好情况下的掘进速度检测偏差值的均值和方差； Δv x ，s x ——分别为掘进L x 米后掘进速度检测偏差值的均值和方差； 要检验的假设为：
H 0：Δv 0－Δv x =δ；H 1：Δv 0－Δv x >δ，若：
Δv 0－Δv x > x w x n n s n n t /1/1.).2(00+-++αδ （20） 式中：δ——设定的掘进速度检测偏差值的临界值，即当掘进L x 后掘进速度检测偏差值比滚刀完好情况下的掘进速度偏差值大δ时，判断滚刀显著磨损；
)2(0-+x n n t α ——自由度为（n 0＋n x －2），α显著性水平的t 分布值，可
查数理统计表得到。
则在显著性水平α下，拒绝H 0，接受H 1，即认为刀具显著磨损或失效。
4 应用实例
以广州市轨道交通四号线大学城专线【大学城～小谷围盾构区间】盾构工程硬岩段掘进过程的滚刀磨损情况检测为例，说明如下：
4.1工程概况
本工程线路总长度4000m ，由两条圆形隧道组成，隧道内径5.4米，线间距约13m ，覆土厚度5～30 m 。设计采用盾构法施工。
盾构机采用日本三菱公司生产的土压平衡式复合盾构机。刀盘开挖直径6290mm ，开口率为37%。刀盘上可根据不同地层安装刮刀、先行刀、滚刀、鱼尾刀等刀具，其中硬岩段掘进，刀盘上共配备了8把双刃中心滚刀和23把单刃滚刀，见图2。刀盘中心区和正面区滚刀刀间距为90mm ，边缘区域滚刀刀间距在12～32mm 之间。
图2 盾构机刀具布置图
隧道主要在Ⅱ类围岩和Ⅲ类围岩中穿过（南部和北部隧道），中部约有300米的全断面Ⅳ类、Ⅴ类围岩。硬岩段岩性以上元古界震旦系的灰、青灰色中等风化混合岩<8Z>和微风化混合岩<9Z>为主，其中<9Z>微风化混合岩，岩石完整而坚硬，天然单轴极限抗压强度fc =31.50～77.9MPa ，平均53.44Mpa 。硬岩段隧道线路纵剖面图见图3。
月3日右线盾构机过中间风井后即进入<9Z>全断面微风化硬岩。硬岩段采用开舱模式掘进，总推力10000-25000kn，扭矩500-1500kn.m，掘进速度10-30mm/min，刀盘转速3.1rpm。由于混合岩研磨性高，刀具磨损严重。从552环整盘新刀开始二次始发掘进，掘进至666环，共掘进171米，进舱换刀10次，累计更换滚刀36把，平均每把滚刀掘进4.75m，见表1。
硬岩段刀具失效的主要形式有：正常磨损、偏磨、刀圈断裂等，与岩土交替地层相比，偏磨已有所减少，但仍约占30%。
表1 右线全断面硬岩段滚刀磨损情况统计
序号换刀日期掘进环号换刀数量滚刀磨损状况
1 2005-3-9 571 7 2把菱形偏磨，其余磨损15-20mm
2 2005-3-11 572
3 3把菱形偏磨15-20mm
3 2005-3-12 573 1 磨损15mm
4 2005-3-21 606 2 磨损15-20mm
5 2005-3-24 612 2 磨损25mm
6 2005-3-26 623
7 磨损15-20mm
7 2005-3-30 637 4 磨损25-35mm
8 2005-4-3 650 2 菱形偏磨
9 2005-4-5 660 5 磨损25-35mm，2把偏磨
10 2005-4-7 666 3 中心刀圈断1个，其余菱形偏磨
4.3 滚刀磨损或失效的预报
（1）掘进速度检测式的建立
盾构重新始发后一段时间，边缘滚刀磨损较大未及时更换，加上盾壳周围有小块岩石，使盾壳被卡，掘进过程的总推力比正常情况大很多（超过25000kN），实际预报从2005-3-26第6次换刀后开始。该次换刀7把，换刀数量较多，换刀
后掘进第一环（即624环）时可以认为滚刀处于完好状态。故以624环的掘进参数作为基准建立总推力、总扭矩表示的掘进速度检测式如下：
2
2
)6.58.00614.0()159(+-=
t t W T v （21） 由于刀盘转速在掘进过程保持不变，故上式中不含刀盘转速。掘进过程的推力曲线见图4。根据上式得到的624环掘进速度拟合值与实际值对比曲线见图5。可见，掘进速度拟合值与实际值的变化规律非常吻合。
图4 右线624环掘进总推力曲线
图5 右线624环掘进速度拟合值与实际值对比曲线
（2） 掘进速度的检测
在624环（点序号227-300）的后续掘进过程及时将各环的掘进参数代入式（21）计算出掘进速度的检测值，并将检测值与实际值进行对比，见图6。
图6 右线624环至670环掘进速度检测值与实际值对比曲线 从图可见，当掘进至628环（点序号606-680）时，实际掘进速度明显比检测的掘进速度低，据此可初步判断，掘进至628环时有部分滚刀可能已明显磨损或失效；到637环（点序号1386-1461）时，实际掘进速度与检测掘进速度又逐渐接近，查看换刀记录（表1），在637环更换了4把滚刀，刀圈高度已磨损25-35mm ，换刀记录与检测速度的变化情况是相吻合的。后续其它各次换刀记录与检测速度的变化情况均是相吻合的，见图6。
（3）滚刀磨损或失效的判断
以上根据掘进速度曲线变化情况可粗略判断滚刀磨损情况，由于在滚刀完好情况下，掘进速度也会产生较大的波动，为了消除这种掘进速度的随机波动产生的误判，需运用数理统计的t 检验法来对掘进速度检测偏差值进行检验判断。取显著性水平α＝0.01，掘进速度检测偏差的临界值δ＝0.50，即当掘进速度检测偏差值比滚刀完好情况下的掘进速度偏差值大50%时，我们以99%的概率判断滚刀显著磨损。据此分别对各环掘进速度检测偏差值进行检验，部分检验结果见表2。可见，从628环开始有滚刀出现显著磨损，637环换刀后掘进速度检测值又恢复正常，故检测结果与实际换刀情况是相吻合的。
表2 右线滚刀磨损情况检验结果
环 号 624 626 628 631 637 639 样本容量n 79 75 75 76 76 74 样本均值Δv -0.5 -17.8 -94.5 -91.4 -56.2 8.7 样本方差s
224.3
108.0 3057.9 1498.6 252.6 1061.0 n 0＋n x －2
/
152 152 153 153 151 S w 2
/ 167.7 1603.8 849.0 238.2 628.8 (Δv 0－Δv x )/Δv x
/ 17.3 94.0 90.9 55.7 -9.2 )2(0-+x n n t α
/
55.0
65.5
61.2
56.0
59.7
检验结果/ 接受假设拒绝假设拒绝假设接受假设接受假设备注新换刀未显著磨损磨损磨损未显著磨损未显著磨损
5小结
刀具磨损严重是盾构在复合地层中施工遇到的最大难题之一。刀具磨损或失效后若不能及时发现并更换，将导致刀圈超量磨损、断裂、轴承异常损坏甚至刀盘严重磨损，大大降低掘进破岩效率。经常进行刀具检查，并尽早更换磨损或失效的刀具是正确的选择。
本文的研究结果表明，将滚刀台架切削破岩试验模型应用于现场掘进参数的计算的原理是正确的；据此得到的掘进速度计算值和实际值变化趋势是一致的；刀具磨损情况检测结果与实际换刀情况是相吻合的。
刀具磨损检测技术是复合地层中盾构掘进技术的一个重要研究课题，本文提出的根据盾构掘进参数检测刀具磨损情况的方法，是一项探索性研究，目前还未见相关文献报道，有待实际工程的进一步验证和深入研究，希望本文能起到抛砖引玉的作用。
目前的研究成果仅针对开舱掘进的情况，未考虑土压力的影响因素。在不稳定地层中掘进时的刀具磨损检测技术是今后需继续研究的课题。
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富水富含大粒径漂石复合地层盾构隧道施工工法重点
富水富含大粒径漂石复合地层盾构隧道施工工法 编制单位：北京城建集团有限责任公司 主要编制人：李乾斌、车凯、恽军、桂轶雄、李文峰 1 前言 盾构法作为集成了多种设备功能的全机械化隧道建设设备，在地下隧道建设中应用越来越普及，其自动化程度高，具有安全、快速等特点，但由于盾构设备、工艺在不同地层区别较大，在粒径较大的卵漂石、孤石地层建设隧道如何破碎，是盾构领域未妥善解决施工难点，在富水条件下的施工难度更大，风险更高。 在北京地铁9号线施工筹备阶段，隧道邻近一大型基坑揭示地层中密集分布直径超过1000mm漂石，且强度超过300Mpa，经工作井探查，最大漂石粒径为1500×1700mm，隧道每掘进一环地层中遭遇粒径1000mm以上漂石至少2块、粒径800mm以上漂石至少4块，其中粒径500mm以上漂石体积比超过50%。为盾构设备选型及施工筹划带来了前所未有的挑战，经查证国内外无类似工程实例可供参考。 此次采用盾构法在潜水下漂石地层中完成隧道施工，通过对盾构工艺的系统改善、技术创新，利用盾构设备，成功解决了较高水压条件下连续破碎密集高强度、大粒径漂石的隧道建设的工程难题，摸索、形成了一套该种地层盾构施工的成熟技术。 工程实施过程中申请了多项发明和实用新型专利，目前获批的国家专利有（发明型专利为201210457261.7、201210410081.3；实用新型专利为201220614474.1、201220598258.2、201220293261.3）。 项目成果属于国内外首例，工程实践证明，该工法具有较高的技术创新水平、设备机具配合高效、操作参数准确、节能增效、经济合理，大幅度拓展盾构法施工适用领域。 2 工法特点 2.1突破了束缚地下工程建设诸多技术难题，拓展了地下工程建设前景，将土压平衡盾构
5 广州复合地层与盾构施工(竺维彬)
复合地层与盾构施工技术 竺维彬鞠世健 广州地铁总公司 摘要:中国采用盾构法已有45年的历史，但前35年国内只有少数承包商掌握了在均一软土地层中的盾构施工技术。1995年至今，广州地铁业主率先开放盾构工程市场，培育盾构施工队伍。随着大批盾构承包商的成长，随着40台次盾构机在广州和深圳复合地层100多公里的实践，复合地层的概念逐步形成，复合地层中的盾构施工技术也有了突破性的发展。在这种背景下，亲历了100多公里复合地层施工过程的作者，有义务对复合地层的概念做出定义，对复合地层盾构施工技术的进展做出概述，以便与同行一起推动盾构工法在全国隧道施工中更广泛的应用。 关键词：均一地层复合地层盾构施工技术 盾构法施工与其它传统的地下工程施工工法一样，其终极目标是完成一特色的地下工程，比如一条地下隧道或地下车站，它的不同点在于，盾构法采用了特殊的施工工具盾构机。 盾构机是根据施工对象而“度身定做”，正如裁缝要根据具体的人进行“量体裁衣”一样，否则缝制的衣服就不合身。盾构机制造所依据的对象，称之为施工环境，它是基础地质、工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等特征的总和。由此可以看出，如果不详细研究施工环境，也就造不出适应性强的盾构机，也就谈不上顺利地进行盾构施工。 在施工环境的诸多因素中，基础地质和工程地质特征是最重要的，因为它们是盾构机选型及采用盾构施工工艺最重要的先决条件。在实践当中，对地质特征的研究往往是一件被忽视的工作。殊不知，几乎没有哪一项盾构施工技术不是与地质特征有关的，尤其是在复合地层中的盾构施工。 1 复合地层的概念 在盾构施工的过程中，围岩岩土力学、基础地质和工程地质等特征的各向均匀性直接影响盾构机的选型、盾构施工工艺的选择等关键性问题。从这个意义上讲，可以宏观地将围岩地层区分为两类，一是均一地层，一是复合地层。 1.1均一地层 1）均一地层的概念 严格意义的各向同性的均质地层在自然界是不存在的，本文定义的均一地层是指在开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由一种或若干种地层组成的，但其岩土力学、工程地质和水文地质等特性相近的地层或地层组合。 均一地层有两种情况： ①单纯的软土地层： 从地质图（图1）中可以看出，地铁隧道穿越了Ⅱ层，主要为粉砂质土和Ⅲ层为粉质粘土。这两种地层的物质组成，其结构和构造都存在着一定的差异，但它们的岩土力学性质以及工程地质和水文地质特征就盾构机的选型和盾构施工而言，差别并不大。 根据上述地层特点，南京地铁选用了适应软土地层的盾构机，其刀盘为平面直角型的，
盾构刀盘磨损及刀具更换
盾构刀盘磨损及刀具更 换 公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-
15 刀具使用维护及更换 一般规定 15.1.1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。 15.1.6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。 北京地铁盾构隧道施工中的刀盘、刀具磨损现象非常复杂，详细情况正在调查和研究中，随着调查研究的深入及施工经验的增多，将及时做补充修订。 刀盘及刀具的选择 15.2.1 刀头材质的选择
1刀具一般采用真空烧制的E 5 类钢材，对于有特殊耐磨要求的刀 具宜采用耐磨能力是E 5两倍的所谓SINTER－H1P真空烧制的E 3 类钢材。 2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； 3 采用超硬重型刀，刀具背面实施硬化堆焊。 刀头种类及型状： 1 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； 2 主超前刀（也称先行刀）：采用主超前刀，一般可显着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。 3 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。 4 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。 5 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。 刀具配置 1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； 2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20mm～30mm。 3切削刀头的安装方法有销钉、螺栓及焊接等方法。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。
盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速度的影响
盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速 度的影响 摘要:土压平衡式盾构机的刀盘具有切削、支撑、搅拌、土体改良等功能，因此在控制掘进效率、保持开挖面的稳定等方面起着决定性的作用。盾构选型时必须结合地层的特殊性和通用性来确定刀盘型式、刀具的布置形式以及他们之间的组合方式。刀盘结构的改造是为充分发挥不同地层条件下辐条式刀盘和面板式刀盘的独特优势，实现两者间的转换。将面板式刀盘的六块面板的装配形式改为栓接加焊接的形式。刀具布置形式优化是根据刀具的作用和运动轨迹对刀具的位置、形状进行合理的优化布置，增强刀具的切削能力、降低土体对刀具磨损进而达到保护刀盘本体，为盾构长距离掘进提供保障。 关键词:辐条式刀盘;面板式刀盘;刀盘结构设计;刀具布置形式
前言 伴随着我国城市化进程的加快，城市建设快速发展，城市规模不断加大，城市交通呈急剧增长的态势，21世纪将是中国城市轨道交通的新纪元，经济发展将会伴随更大的都市化，地铁交通的建设将促使城市的发展，甚至成为一个急迫的任务。 盾构机在隧道施工中，通过刀盘刀具对前方土体进行切削，刀具与土体的适应程度至关重要。盾构是集液、电、气于一体的大型机械化专用施工设备，目前应用最广泛的是闭胸式盾构，主要分为泥水式和土压平衡式。土压平衡式盾构机在复杂多变的地质条件下，其刀盘的结构型式、刀盘的支撑形式、刀具的选型、刀具的布置将直接影响到设备掘进的效果。刀盘刀具于前方土体不适应，将使盾构掘进非常缓慢甚至寸步难行，直接影响到盾构机的工作效率、工程进展及工程的经济效益。 由于刀具是易损件，消耗量大，如果只是依靠进口刀具不仅供货期长，而且成本高，所以使用国产刀具势在必行。 在掌握盾构刀具切削机理和深刻认识刀具磨损相关因素的基础上，针对不同的施工地质进行刀盘刀具的选择、刀具的布置等盾构掘进设备最关键、最核心的问题，进而实现盾构机的国产化就显得尤为必要。 1 刀盘的布置 针对不同的地层情况以及设备等情况，盾构的刀盘形式有很多，其主要功能为以下儿点： （1）切削功能:刀盘旋转时，通过布置在刀盘上各种形式的刀具切削土体，并将切削下来的土体刮到土仓。 （2）支撑功能:依靠辐条及辐条之问的面板起到支撑掌了面土体的作用。 （3）搅拌功能:通过刀盘的旋转及搅拌棒的配合作用，使土体与膨润土、泡沫等充分混合，以改善土体的和易性、可塑性，增强土体的流动性，便于出渣，提高掘进工作效率。 （4）控制出渣粒径:通过刀盘结构形式及刀盘开口率控制进入土仓内土体的粒径。
检测刀具磨损和破损的方法
检测刀具磨损和破损的方法 单台机床的加工，对刀具磨损和破损的监测，凭工人的经验，尚能进行正常的生产，而对FMS、CIMS、无人化工厂，必须解决刀 具磨损与破损的在线实时监测及控制问题。因为及时确定刀具磨损和破损的程度并进行在线实时控制，是提高生产过程自动化程 度及保证产品质量，避免损坏机床、刀具、工件的关键要素之一。 监测原理监测参量的选取监测原理监测原理框图监测刀具磨损和破损的方法很多，可分为直接测量法和间接测量法两大类。 直接测量法主要有：光学法、接触电阻法、放射性法等。间接测量法主要有：切削力或功率测量法，刀具和工件测量法，温度测 量法，振动分析法，AE法，电机电流或功率测量法等。 比较现有的刀具磨损和破损的监测方法，各有优缺点，我们选取声发射（AE）和电机电流信号作为监测参量。这是因为AE信 号能避开机加工中噪声影响最严重的低频区，受振动和声频噪声影响小，在感兴趣区信噪比较高，便于对信号进行处理。响应速 度快，灵敏度高；但重负荷时，易受干扰。而电机电流信号易于提取，能适应所有的机加工过程，对正常的切削加工没有影响， 但易受干扰，时间响应慢，轻负荷时，灵敏度低。这样，同时选AE和电机电流为监测信号，就能利用这2个监测量的各自长处，互 补不足，拓宽监测范围，提高监测精度和判别成功率。 切削过程中，当刀具发生磨损和破损时，切削力相应发生变化，切削力的变化引起电机输出转矩发生变化，进而导致电机电 流发生相应的变化，电流法正是通过监测电机电流的变化，实现间接在线实时判断刀具的磨损和破损。AE 是材料或结构受外力或 内力作用产生变形或断裂时，以弹性波形的形式释放出应变能的现象。它具有幅值低，频率范围宽的特点。试验及频谱分析发现 ：正常切削产生的AE信号主要是工件材料的塑性变形，其功率谱分布，100kHz以下数值很大，100kHz 以上较小。 当刀具磨损和破损时，100kHz以上频率成分的AE信号要比正常切削时大得多，特别是100-300kHz 之间的频率成分更大些。 为此，应通过带通滤波器，监测100-300kHz频率成分AE信号的变化，对刀具磨损和破损进行监测。 利用AE、电机电流信号综合对刀具磨损和破损进行判别的原理是：轻负荷区，依靠AE包络信号，用阈值的方法进行判别；在 中负荷区，这时电机电流和AE信号都起作用，用两者结合的方法进行判别，提高判别的成功率，具体方法是：如果AE信号超过AE 阈值，则置延时常数为ds（d的数值依赖于系统构成），如果在ds时间内，电流信号也超过电流信号的阈值，则判刀具极限磨损或 破损。如果在ds时间内，电流信号未超过电流信号的阈值，则不报警，由延时常数继续监测。这种以AE
刀具磨损的几种原因
刀具磨损的几种原因 2009-09-10 11:37 刀具坚硬，可随着使用时间推迟，刀具也会有一定磨损，影响刀具磨损几种原因有哪些呢？通过汇总得出了几种原因。 1、刀具材料 刀具材料决定刀具切削性能根本因素，对于加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度影响很大。刀具材料越硬，其耐磨性越好，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度韧性一对矛盾，也刀具材料所应克服一个关键。对于石墨刀具，普通TiAlN涂层可选材上适当选择韧性相对较好一点，也就钴含量稍高一点；对于金刚石涂层石墨刀具，可选材上适当选择硬度相对较好一点，也就钴含量稍低一点； 2、刀具几何角度 石墨刀具选择合适几何角度，有助于减小刀具振动，反过来，石墨工件也不容易崩缺； （1）前角，采用负前角加工石墨时，刀具刃口强度较好，耐冲击摩擦性能好，随着负前角绝对值减小，后刀面磨损面积变化不大，但总体呈减小趋势，采用正前角加工时，随着前角增大，刀具刃口强度被削弱，反而导致后刀面磨损加剧。负前角加工时，切削阻力大，增大了切削振动，采用大正前角加工时，刀具磨损严重，切削振动也较大。 （2）后角，如果后角增大，则刀具刃口强度降低，后刀面磨损面积逐渐增大。刀具后角过大后，切削振动加强。 （3）螺旋角，螺旋角较小时，同一切削刃上同时切入石墨工件刃长最长，切削阻力最大，刀具承受切削冲击力最大，因而刀具磨损、铣削力切削振动都最大。当螺旋角去较大时，铣削合力方向偏离工件表面程度大，石墨材料因崩碎而造成切削冲击加剧，因而刀具磨损、铣削力切削振动也都有所增大。因此，刀具角度变化对刀具磨损、铣削力切削振动影响前角、后角及螺旋角综合产生，所以选择方面一定要多加注意。 通过对石墨材料加工特性做了大量科学测试，PARA刀具优化了相关刀具几何角度，从而使得刀具整体切削性能大大提高。 3、刀具涂层 金刚石涂层刀具硬度高、耐磨性好、摩擦系数低等优点，现阶段金刚石涂层石墨加工刀具最佳选择，也最能体现石墨刀具优越使用性能；金刚石涂层硬质合金刀具优点综合了天然金刚石硬度硬质合金强度及断裂韧性；但国内金刚石涂层技术还处于起步阶段，还有成本投入都很大，所以金刚石涂层近期不会有太大发展，不过我们可以普通刀具基础上，优化刀具角度，选材等方面改善普通涂层结
盾构机刀盘磨损的修复工艺探讨
盾构机刀盘磨损的修复工艺探讨 摘要：在我国经济建设飞速发展的现阶段，基建工程在数量与规模方面均有所 增长，所以不可避免的会用到机械化盾构机来开展相关建设活动。在机械化盾构 机当中，刀盘作为掘削机构在其中有着重要作用，例如，开挖地层、保持开挖面 的稳定等，同时也因此需要承载较大的载荷与力矩，所以也因此容易出现磨损情况，导致工程建设的施工效率受到影响。所以，本文重点分析盾构机刀盘磨损的 修复工艺。 关键词：盾构机；刀盘；磨损；修复工艺 引言：在隧道施工期间，需要使用盾构机来完成土体的开挖以及渣土的排运 等工作，确保隧道施工可以快速的完成。现阶段，随着现代科学技术的不断进步，机械化盾构机在相关隧道工程中得到了广泛的应用，并且应用效果十分显著。在 机械化盾构机工作期间，当中的刀盘由于长期要在较为恶劣的环境下工作，所以 会因此导致刀盘出现不同程度的磨损，对工程的开展造成影响，所以要求施工单 位可以尽快的完成磨损刀盘的修复，确保工程可以顺利开展。 一、工程实例 在某工程中，盾构机的刀具与刀盘在施工过程中出现严重的磨损，具体为： 对于刀盘来讲，在其中心区域以及辐条均出现显著的磨损，同时，刀箱与四把双 联中心滚到均出现了掉落，还有8把正面滚刀以及6把切刀也同样出现了程度不 等的磨损。所以为了保证工程可以的开展，需要对竖井中的刀盘予以及时修复。 二、刀盘修复工艺 胃由于刀盘磨损较为严重，修复工作量较大，且刀盘修复后仍需穿过长30m 的上软下硬地层掘进施工，对刀盘修复质量要求较高，因此在刀盘修复前应认真 熟悉图纸和施工现场，根据施工方案做好施工准备，并制定刀盘修复方案。刀盘 修复过程如下所述。 1、准备修复材料 刀盘材料的材质为Q345B，所以为了确保刀盘在修复之后可以继续稳定使用，所以在修复过程中所选择的材质与之前保持一致。此外，测量刀盘主梁厚度为 80mm，所以需要根据测量后的规格尺寸来现场实施切割，刀座与刀箱均为原厂 提供。 2、磨损区域的处理 滚刀刀箱、加强筋板以及中心刀盘等磨损区域均要刨除干净，随后用打磨或 者火焰切割等方式进一步修整磨损后的刀梁，并要将刀梁焊接表面的金属光泽打 磨出来。另外，鉴于刀盘工作环境有着一定湿度，打磨后的表面会因此生锈，所 以焊接工作要抓紧时间进行。 3、选择焊接工艺 为了进一步提高修复质量，焊接工艺的选择需与原厂刀盘生产制造时保持一致，同时选用富有经验的焊接工程师来进行焊接作用。此外，在焊接前，要做好 焊接区域的预热工作，并要在焊接完成后进行消除应力热处理，以确保焊接质量 与焊接位置强度与原厂刀盘保持一致。 4、刀盘主梁的修复 将刀盘主梁打磨后，要对其各部位的规格尺寸予以测量，随后根据测量结果 来确定下料的最终尺寸。随后，将旧刀梁与新刀梁进行对接，检查对接是否存在 问题，并将台阶予以打磨。另外，选择一定规格尺寸的钢管作为刀梁之间的抵抗
教你如何检测数控铣床中刀具的磨损问题
教你如何检测数控铣床中刀具的磨损问题机床结构部件 1。主轴采用原装意大利进口电主轴2。采用日本伺服电机，日本高精度直线导轨3。铸造工作台4。大功率吸尘装置。 现在，数控铣床在我们的生活中有着广泛的用途，尤其是在工业中更是得到了很好的使用，然而对于数控铣床的刀具磨损程度的检测记录却是一直是一个难题，下面我们就请有关专家来为我们介绍关于如何记录数控铣床的刀具磨损。 以前人们主要借助于集成了丈量尺的放大镜进行万能铣床检查，固然能够进步丈量的灵活性，但是因为操纵职员的差异会导致不一致的丈量结果。类似的结果可以展示另外一种被测系统：一方面，尽管固定式丈量系统具有较好的经济性，但是便携机能较差;另一方面，简易移动式丈量系统的丈量精度较低，成像质量较差，丈量深度不足。现在万能铣床主要使用图形来显示加工刀具的出产效率，以及磨损划痕深度(VB)跟着使用寿命的增长而逐渐加深的过程。 加工过程进行优化，可以将整套系统放入便携式容器，并配备必要的备用电池、充电器或者清洁用具。丈量系统的构造：直接在铣床的转盘铣刀前布置配备有磁性三脚架的数码相机上海维宏电子说：“图片的高质量、丈量系统和评价软件的便捷操纵是我们的一大上风。而且我们在用户和刀具制造商进行丈量的过程中反复询问，是否需要为他们提供带有软件的集成式丈量系统包。” 迄今为止，万能摇臂铣床系列来自航空产业、刀具制造业和科研仪器行业的工艺员已经开始在切削加工中应用这套系统。在对丈量系统进行检查和优化，功能紧凑且实用： 1)便于用户操纵的丈量软件：磨损丈量包中包含的评价软件Abrascan可以丈量间隔(D)、角度(A)和半径。点击”间隔“图标就可以用毫米显示出相关尺寸。在单独的图片中还可以显示更多的间隔和角度丈量值。单击鼠标右键可以复制相关数据并且另存为Excel表格文件。这样可以大幅度简化磨损划痕宽度的形成过程。其他的辅助功能，好比亮度、对比度、灰度等也一应俱全。因为万能铣床这套系统基于Office软件，因此用户无需参加额外的培训即可快速上手使用。 2)输出丈量值：在X5036A立式铣床表格计算软件中存储丈量值就可以天生磨损的形成过程。利用磨损丈量系统Abrascan可以识别出极其微小的磨损痕迹并进行丈量。因此可以对刀具的优化过。Abrascan的图像可以显示磨损的形成过程横轴为刀具的切屑间隔，单位米;纵轴为磨损划痕宽度VB，单位毫米;三根曲线分别为刀具A、B、C。 3)转盘：磨损划痕宽度VB=0.136mm：丈量流程如下：将数码相机固定在磁性三脚架上，利 用磁性三脚架还能够直接在铣床长进行丈量，而无需从支架或者主轴上拆下刀具。X6132A卧式 铣床带有能够任意旋转的显示屏，可以在任意位置进行拍摄。所以，用户只需要打开数码相机就可以随时进行拍摄。摄影兴趣者当然还可以根据不同的场合进行微调。转子泵通过USB数据线可以将储存的图片传输到笔记本电脑并利用软件进行评价。
岩溶复合地层地铁隧道盾构施工技术
岩溶复合地层地铁隧道盾构施工技术 摘要：我国经济建设最近几年发展非常迅速，带动我国道路建设的快速发展。 根据现有的工程项目施工经验可知，地铁盾构隧道施工是整个工程项目的重点内容，其施工质量影响地铁项目的后期运行，所以要高度重视其质量。 关键词：岩溶复合地层；地铁隧道盾构施工技术 引言 道路建设的快速发展离不开国家经济的支持和政策的扶持，才有今天的局面和规模。结 合工程实例，根据沿线石灰岩地层地质特点，从施工技术、工序等角度入手，提出合适的盾 构施工技术，以提升该技术在岩溶复杂地层中的适应性，解决盾构施工风险过高的问题，为 工程施工提供可靠的指导。 1工程概况 广州市珠三角城际新白广项目部，新塘经白云机场至广州北站项目新塘至机场T2段白 云机场隧道，为城市隧道，隧道地层为复合地层，隧道设计分两条线，右线全长5608.855m，左线全长5577.259m（包括两座地下车站），隧道线间距18.6m~4.0m，最大坡度30‰，本 区间结合废水泵房、光纤直放站、公网洞室、箱式变电站等区间设备洞室。线路为一站三区间，分别为机场T1站、机场T2站-机场T1站区间、机场T3站-机场T1站区间、机场T3站- 吊出井区间。本工程引入盾构法，以满足盾构井盾构区间的分段施工要求。 2地层注浆施工准备工作 （1）在本次项目中，作业人员根据相关技术规范做好准备工作，包括同步注浆施工技 术的施工培训，并详细介绍本次工程项目的技术交底内容，深化施工人员对关键施工技术的 了解。（2）做好相关设备的准备工作，保证注浆台车、钻注一体机等设备具有满意性能， 设备做好日常的管理后，在现场检验合格。（3）观察主要原材料的性能，包括水玻璃、水 泥等材料等；在施工之前必须要确保止水球阀、注浆管等设备到场，并对相关原材料进行抽检，避免因为原材料性能引发各种质量问题。 3同步注浆 盾构刀盘的开挖直径一般大于管片外径，随着盾构的推进，逐渐形成管片外径与刀盘开 挖直径的环形建筑空隙。为及时填充该空隙，在盾构推进的同时须进行同步注浆，以尽可能 减少盾构施工时对地面的影响。同步注浆中，浆液初凝时间长，管片在浮力作用下有上浮趋势，易引起管片错台；注浆压力过大，对管片造成较大的挤压，易造成管片错台或破损；注 浆方量不足，没有充分填充隧道衬砌间隙，管片因为没有被砂浆完全固定而产生移动，形成 偏心力，引起管片局部应力超过其强度，同样也会导致管片错台破损。因此，应根据不同的 地层调整浆液配比，将浆液凝结时间控制在6-8h，特殊情况下可合理添加速凝剂以缩短其凝 固时间；注浆压力宜高于土仓压力0.15-0.2MPa，并根据隧道埋深及地层沉降监测数据及时调整；注浆速度应与推进速度相匹配，注浆速度过快会使浆液注入到土仓内；保证足够的注浆 方量，必要时对脱出盾尾的4-6环管片壁后进行二次注浆，将后部管片在同步注浆中未能填 充满的建筑空隙全部填筑密实，形成稳固结构。 4溶（土）洞详细勘测
盾构机刀盘、刀具磨损分析浅谈
盾构机刀盘、刀具磨损分析浅谈 摘要：造成刀盘和刀具的磨损是多方面的，而且很多都是不能定量分析的，但是只要综合土层性质、掘进参数、正确使用泡沫剂、适时开仓检查刀具和汲取以往的经验教训，就可能将刀盘和刀具的磨损量降到最小，从而达到保护刀盘、刀具的目的。 关键词：盾构机；刀盘；刀具；磨损 随着地铁建设的发展，盾构工法在地铁建设中起到了越来越重要的作用。它的优越性，实际上是得益于盾构机技术的发展，正所谓“工欲善其事，必先利其器”。盾构机之所以特别重要是因为它与其它施工机械不一样，它被形象地称为“度身定做”（taitor-made）的[1]。所谓“度身定做”度的什么身呢？就是根据特定的施工环境这个“身”来制造与之相适应的特定的盾构机。在盾构机选型中刀具的选择又是重中之重，要根据地质情况选择相匹配的盾构机，盾构机刀盘刀具布置是盾构机配置的最重要的部分。在实际施工过程中，若区间较长，需要进行开仓检查刀具和换刀，确保盾构机能够顺利到达出洞。笔者对深圳地铁2号线后海站～科苑站区间盾构隧道刀盘、刀具磨损情况进行了总结分析，可为类似工程盾构机刀具选型提供参考。 1工程概况 深圳地铁2号线是深圳市优先发展的轨道交通线路，是连接城市中心区与蛇口、南头半岛的纽带，也是特区内东西向交通走廊内的第二条轨道客运干线，沿途将经过蛇口、后海开发区、南山商业文化中心和深圳湾填海区，串联了上述片区主要的居住区和商业文化密集区，满足了南山与福田、罗湖二级客运走廊的客运需求。地铁2号线建成后在深圳世界之窗站与1号线换乘，将直接为300万以上的市民提供安全便捷的交通服务，能有效缓解南山区的交通压力。深圳地铁二号线某标段土压盾构机从后海站向科苑站方向掘进。本区间左、右线隧道平面最大曲线半径为1000m，最小曲线半径为400m，左、右线线间距13.2m～14.2m，区间隧道最大线路纵坡为28‰，最小纵坡为2‰，竖曲线半径最大为5000m，最小为3000m，隧道拱顶埋深为10m～15m。 2地质概况 区间场地原始地貌为滨海相潮间带（滩涂），后经软基处理由填海而成。由钻探揭示，覆土表层为人工填筑的素填土（填石、填砂），其下为第四系全新统海积淤泥、砾砂（含淤泥）、冲洪积粘土、砾砂，第四系上更新统冲洪积淤泥质
刀具的磨损过程及磨损钝标准
磨损过程及磨损钝标准 损标准加工磨损量测量粗糙度阶段变化难加工材料自动化生产切削性能国际标准 磨损到一定的限度就不应再继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。典型的刀具磨损过程曲线如图2-5所示，AB是 段，BC是正常磨损阶段，CD是急剧磨损阶段。使用刀具时，应在急剧磨损阶段之间、前即使更换。刀具磨损的检测 两大类：一类是直接测量法，它是在非切削时间内直接测量（或通过工件尺寸的变化来测量）刀具的磨耗量；另一类 法，它是在切削时测定与刀具有关的物理量（如切削力、振动与嗓声、切削温度、已加工表面粗糙度）的变化来判断 。在实际生产中，不允许经常卸下刀具来测量磨损量，因 09-11-24 15:26:27 刀具磨损到一定的限度就不应再继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。 典型的刀具磨损过程曲线如图2-5所示，AB是初期磨损阶段，BC是正常磨损阶段，CD是急剧磨损阶段。 使用刀具时，应在急剧磨损阶段之间、前即使更换。 刀具磨损的检测方法可分为两大类。 一类是直接测量法，它是在非切削时间内直接测量（或通过工件尺寸的变化来测量）刀具的磨耗量。 另一类为间接测量法，它是在切削时测定与刀具有关的物理量（如切削力、振动与嗓声、切削温度、已加工表面粗糙度）的变化来判断刀具的磨损。 在实际生产中，不允许经常卸下刀具来测量磨损量，因而总是根据切削过程中发生的一些现象来判断刀具是否已经磨钝。 例如粗加工时，可以观察已加工表面是否出现亮带，切屑颜色和形状是否变化，以及是否出现振动和不正常的声音等。 精加工可观察已加工表面粗糙度的变化以及测量加工零件的形状和尺寸精度等。 在用实验评定刀具材料的切削性能时，常与后刀面的磨损量作为衡量刀具磨钝的标准。 国际标准ISO统一规定以1/2切削深度处后刀面上测定的磨损带宽度VB（见图2-4）作为刀具磨钝标准。 但对自动化生产用的刀具及预调刀具等，则长以沿工件径向的刀具磨损尺寸（称为刀具的径向磨损量NB）作为衡量刀具的磨钝标准。 -5 典型的刀具磨损过程曲线加工条件不同时所规定的磨钝标准也不同，例如精加工的磨钝标准较小，粗加工较大。 工艺系统的刚度较低时，应考虑在磨钝标准内是否会振动，所以规定的磨钝标准较小。 切削难加工材料时，磨钝标准较小。 各种刀具磨钝标准的具体数值可参考有关专业手册。 [评论] 好文章烂文章 [原文] http://www.jd37.c om/tec h/200811/40857.html
数控机床刀具磨损监测方法研究
数控机床刀具磨损监测方法研究 马旭1，陈捷2 （1.南京工业大学金工实习中心，江苏南京 211800； 2.南京工业大学工业装备数字制造及控制技术重点实验室，江苏南京 210009） 摘要：数控机床刀具磨损监测对于提高数控机床利用率，减小由于刀具破损而造成的经济损失具有重要意义。文章有针对性地回顾了国内外各种刀具磨损监测方法的研究工作，详细叙述了切削力监测法、切削噪声监测法、功率监测法、声发射监测法、电流监测法以及基于多传感器监测法等六种刀具磨损监测方法。本文通过比较各种监测方法的优缺点，提出基于多传感器监测法是数控机床刀具磨损监测方法的未来发展的主要方向。 关键词：数控机床；刀具磨损；监测方法 中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2009) 06－0070－04 Study of monitoring method for CNC tool wear MA Xu，CHEN Jie （1.Center of Metalworking Practice，Nanjing University of Technology，Nanjing 211800, China； 2.School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China）Abstract：CNC tool wear monitoring has great importance in improving the utilization of CNC machine tools and in reducing the economic lossos due to the tool breakage. This article is well targeted in reviewing several researches on the study of various tool wear monitoring method at home and abroad. Six tool wear monitoring methods are described in detail, which are the cutting force monitoring, the cutting noise monitoring, the power monitoring, the sound launch monitoring, the electric current monitoring as well as the monitoring method based on the multi-sensor monitor. Comparing with the merits and demerits of each monitoring methods, the article suggests that the monitoring method based on the multi-sensor monitor would be the main direction of the development of CNC tool wear monitoring in the future. Key words：CNC；tool wear monitoring；Monitoring method 刀具磨损在机械加工中是一种普遍存在的现象，刀具的磨损与磨损状态直接影响着机械加工的精度、效率及经济效益，研究刀具磨损可以大大提高机械加工效率，降低加工成本，具有较大的经济效应。刀具磨损的在线监测是柔性制造系统研究工程的一个重要课题。 近年来，随着高性能CNC机床、FMS以及CIMS 的广泛应用，机械加工的效率、加工质量有了明显的提高，同时对全自动化生产也提出了更高的要求，操作人机比由原来的一对一发展到现在的一名操作人员操控多台设备的局面。这样，数控机床系统能否自动监测刀具状态，及时了解正在使用的刀具磨损情况，从而根据刀具寿命、磨损量、刀具破裂等形式的刀具故障对刀具工作状态进行监控，并在刀具磨损达到设定磨损量时报警，就显得非常重要。工业统计表明，刀具失效是引起机床故障的首要因素，由此引起的停机时间占数控机床总停机时间的1/5～1/3[1]。切削加工中，如果刀具磨损不能及时发现，将导致整个加工过程的中断，引起工件报废，甚至整个系统的停止。研究表明，数控机床配备刀具监测系统后可减少75%的故障停机时间，提高生产率10%～60%，提高机床利用率50%以上。美国Kennamtal公司的研究表明，配备刀具监控系统的数控系统，能够节约加工费用达30%[2]。因此研究开发智能监测技术，防止因刀具失效而引起的工件报废、设备损坏并保证机床无故障运行是很重要的[3]。
复合地层土压平衡盾构施工技术研究
复合地层土压平衡盾构施工技术研究 发表时间：2019-05-23T09:58:12.010Z 来源：《防护工程》2019年第1期作者：王亚飞 [导读] 全面掌握孤石的分布情况，研究孤石处理方法，确保盾构顺利穿越孤石段地层，是隧道盾构工程成败的关键。 摘要：以某轨道交通3号线为工程实例，研究土压平衡(EPB)盾构在复合地层中的施工技术。苏州轨道交通3号线何山路站至某乐园站区间隧道通过108m“上软(土)下硬(岩)”的复合地层，在设计阶段:通过改变隧道纵坡，缩短复合地层段长度;通过改良TBM刀盘设计，优化机械运行参数，实现盾构机械参数和地层物理参数的匹配;通过对隧道上部松散土体静压注浆加固和在建筑物与隧道间安装隔离桩，控制地层变形和保护邻近建筑物;采用三维数值模拟预测隧道开挖引起的地层变形和建筑物沉降，为工程决策提供依据。在施工阶段:对于软土、复合地层和硬岩段采用不同盾构运行模式和掘进参数;掘进过程采用六个主要参数指标进行控制;采用在盾构机前方开挖竖井进行损坏刀箱、刀具的更换。施工监测显示:实测地表和建筑物沉降与三维有限元预测、Peck经验公式预测结果吻合良好，地表沉降控制在2.0cm以内，邻近建筑物沉降控制在3mm以内。工程的顺利实施为国内其他类似复合地层隧道盾构掘进工程提供有益借鉴。 关键词：隧道掘进；复合地层；土压平衡； 引言 随着我国城市轨道交通建设事业的蓬勃发展，地铁线路的规划不可避免地需要穿越不良地质区域。如广州、深圳、厦门等城市的花岗岩地层中就不同程度地分布着花岗岩球状风化体，俗称“孤石”。孤石强度很高，与周边风化土体性质差异大，造成相邻地层突变、软硬不均，对盾构施工提出了严峻的挑战。全面掌握孤石的分布情况，研究孤石处理方法，确保盾构顺利穿越孤石段地层，是隧道盾构工程成败的关键。 1 工程设计概况 1.1 工程地质 隧道所处地层自上而下分为五层:杂填土、黏土、粉质黏土、风化围岩和基岩。杂填土由砾石、砂石、粉土、黏土和人造材料的混合物组成，松散状态，平均标贯值N为6;黏土层的平均含水量为30%，液限34%，塑限13.5%，根据USC土壤分类系统划分为CL，中硬状态，平均不排水剪切强度为60kPa;粉质黏土层的平均含水量为31.4%，液限33%，塑限12.7%，根据USC土壤分类系统划分为CL，其强度比黏土层低，平均不排水剪切强度为30kPa;风化围岩基本处于残余土状态，由砾石、沙石、粉土和黏土混合物组成，中密状态，平均标贯值N 为18;基岩为轻度至中度风化的凝灰岩，岩石完整性(ＲQD)在70%～90%之间，平均值为78%，岩芯的单轴抗压强度在45～121MPa之间，平均值为82.5MPa。具体土层参数如表1所列。由于隧道下方基岩面起伏变化大，隧道在何山路站附近需经过不连续软土段、复合地层段和硬岩地层段，图2至图4显示了隧道复合地层段分布情况与其所在区域的地质剖面图。地下水由潜水、微承压水及裂隙水组成，水位在地面以下2m以内。 1.2 隧道选址 由于在软土、复合地层和硬岩中土压平衡盾构的运行模式不同，因此在隧道掘进前需准确了解隧道所处地质条件。从何山路站向南出发的200环(240m)内地质条件差异很大，特别是基岩面变化很不规则。在初步设计阶段，始发240m的范围内共钻26个孔以确定地质情况，钻孔深度至隧道设计边界下方约10m处，土样被送到实验室进行室内力学参数测试。在最终设计阶段进行了第一次补堪钻孔，补勘点位布置在隧道范围内，水平间距5m，垂直间距2m，在何山路站始发的240m范围内共钻59孔，密集的勘探点对地质条件进行了详细补充。施工前，在详勘孔位间布置第二次补堪钻孔，由何山路站始发的240m范围内共钻10孔。 2 复合地层土压平衡盾构施工技术 2.1 钻孔探测孤石技术 1）探测区域根据孤石在花岗岩残积土中的基本发育特点以及越靠近山丘越密集的特点，调查工程所在地原始地理地貌，一般为山丘附近的地段，将之作为钻探的重点区域来考虑，隧道洞身所处<5H>花岗岩残积土、<6H>全风化花岗岩地层区域也将作为重点探测区域；此外，详勘中已揭露孤石在隧道洞身范围内的钻孔附近隧道线路出现孤石的几率也很大，将之作为补充钻探的重点区域来考虑。从成本、工期方面考虑，钻探孔的布置采用逐级加密的方法，在实施过程中根据现场实际情况实行动态管理，对钻探孔的布置和数量进行适当调整，以提高孤石探测的准确性。2）钻探孔布置方式重点探测区域：钻孔沿隧道线型按三排错孔布置，一排布置在隧道中心线上，另两排分别距隧道边线1.5m布设。采用三级加密的布孔方式，孔距按10m→5m→2.5m的方式加密。第一级布孔间距为10m；根据第一级钻孔的实际情况判断，如孔间出现孤石的机率很大，则在第一级布孔的基础上每两孔间增加一个钻探孔，使临近两孔的孔距不超过5m；根据第一、第二级钻孔的实际情况判断，如孔间出现孤石的机率仍然很大，则将孔距增密到2.5m/个；在第二或第三级加密钻孔前，如判断孔间出现孤石的机率不大或盾构机足以应付风险，则终止加密钻孔。 2.2 泡沫剂选用 经过对出渣口结构的调整，减少了出渣口堵塞现象.但是，使用的泡沫剂消耗偏大，土体改良效果一般，渣土流动性能受到限制.究其原因：泡沫剂的改良效果是相对所处理的土层条件而言的，不同的地质条件下，选择合理适用的泡沫剂产品，才能做到既保证顺利施工，又节约成本的效果.泡沫剂的选择要从两个方面进行考虑，一是泡沫剂材料自身的性质，二是泡沫剂与开挖后土层混合所形成的泡沫混合土力学性质.目前应用于土压平衡式盾构施工中的泡沫剂的发泡率在5~20之间，在同样条件下，发泡率越高，等量的泡沫剂产生的泡沫就越多，说明其具有高效性.但是发泡率与生成泡沫的稳定性是相互影响的，较高的发泡率是牺牲泡沫稳定性为代价的，仅仅发泡率高并不能说明泡沫剂的优越，两者需要进行综合考虑.泡沫剂作用的土体处于运动状态，泡沫改良土体的作用仅要求从开挖面到螺旋输送机口顺利排出这段运动过程中，所以泡沫的稳定性将直接关系到土体改良效果的持续时间.泡沫的发泡率作为一项可变参数，可以根据具体施工情况进行选择。 2.3 土体加固 为保证开挖时的掌子面稳定，控制隧道开挖引起的土体变形，保护隧道穿过处地表的既有建筑物，在复合地层区域盾构开挖之前对隧道上部土体进行静压注浆，在隧道与相邻建筑物之间安装隔离桩。本标段中复合地层段上部“软土”由不同高度的粉质黏土和风化围岩组成。
复合地层对盾构施工的影响
复合地层对盾构施工的影响 【摘要】 目前我国正处于轨道交通建设的繁荣时期，国内40多座百万人口以上的特大城市均开展了城市快速轨道的建设或建设前期工作。其次在越江道路、输气和市政排水隧洞、核电站取水隧洞等工程中广泛采用盾构法施工。 通过本文的介绍，使读者对盾构施工在复合地层施工有一个简单的了解。【关键字】 施工环境盾构机复合地层孤石刀盘 一、施工环境的定义 盾构机是根据施工对象“度身定做”的，正如裁缝要根据具体的人进行“量体裁衣”一样；否则缝制的衣服就不合身。制造盾构机所依据的对象（即“身”）称之为施工环境。它是基础地质、工程地质、水文地质、地貌（统称地质环境）、及既有（或在建）的房屋、管线、桥梁、隧道、道路、轨道交通等建（构）筑物和设施，以及文物、地表水体（统称周边环境）等特征的总和。 二、施工环境在盾构施工中的地位 就目前的科技水平，盾构机在很长一段时间内仍不是一种万能的掘进设备。若施工环境变了，盾构机设计就会不同。在软土地层中掘进的盾构机与在岩石地层中的盾构机有很大区别。浅埋的过江的盾构机或深埋的开挖岩石为主的盾构机就需要一些特殊的配置。准确判别施工环境就是盾构施工工法的基础。 图2-1 软土盾构机
图2-2硬岩盾构机（TBM） 三、复合地层 3.1复合地层的概念 开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由两种以上在岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的不同地层组成的地层，定义为复合地层。 复合地层是相对于单一地层来说的。均一地层是指在开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由一种或若干种地层组成的，或岩土力学、工程地质和水文地质等特性相近的地层或地层组合。比如单纯软土地层或单纯的硬岩地层等。 复合地层的组合方式为：在断面垂直方向、水平方向上和二者兼而有之的不同地层的组合。 ⑴复合地层在垂直方向上的变化。 最典型的垂直方向上的复合地层就是“上软下硬”地层。即隧道断面上部是第四系的松软土层，而下部是坚硬的岩石地层；或者上部是软弱的岩层而下部是硬岩层；或者是在硬岩层中夹软岩层，或软岩层夹硬岩层等。如图3-1所示的地层。 图3-1 复合地层垂直方向变化剖面图 ⑵复合地层在水平方向上的变化。
盾构刀盘磨损及刀具更换.docx
15刀具使用维护及更换 一般规定 15.1.1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。 15.1.6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。北 京地铁盾构隧道施工中的刀盘、刀具磨损现象非常复杂，详细情况正在调查 和研究中，随着调查研究的深入及施工经验的增多，将及时做补充修订。 刀盘及刀具的选择 15.2.1刀头材质的选择 1 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 SINTER－ H1P真空烧制的 E3类钢材。 2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 ；
3采用超硬重型刀，刀具背面实施硬化堆焊。 刀头种类及型状： 1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； 2主超前刀（也称先行刀）：采用主超前刀，一般可显着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。 3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。 4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。 5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。 刀具配置 1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； 2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 20mm～ 30mm。 3切削刀头的安装方法有销钉、螺栓及焊接等方法。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。 刀具磨损的预测及检测方法 必须充分探讨刀头的耐磨耗性，事前预测磨耗量，制定切实可行的对策，以便施 工能顺利进行。 刀具磨耗量的预测 最外圈的刀具磨耗量的推测值可按下式计算：