[發明專利]一種軟土巖層截割刀具及其設計方法

在審

• 申請號: 201810288165.1
• 申請日: 2018-04-03
• 公開（公告）號: CN108397209A
• 公開（公告）日: 2018-08-14
• 發明（設計）人: 張魁;何仕海;郭龍;彭賜彩;馮劍軍;張高峰;劉金剛
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: E21D9/087
• 分類號: E21D9/087
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明一種軟土巖層截割刀具主要包括切削刀具、刀架、彈性支撐組件、刀座，其中：所述切削刀具固定安裝于所述刀架上；所述刀架活動地鉸接于所述刀座內，并與所述彈性支撐組件上部接觸；所述彈性支撐組件的下部置于所述刀座的底部之上；所述彈性支撐組件壓靠在所述刀座的底部之上，同時所述彈性支撐組件壓縮變短，繼而使得所述刀架相對于鉸接中心向所述刀座內部發生偏轉。本發明還提供了相應設計方法，通過計算最大名義切深、彈性元件的預壓縮量和理論等效剛度，用于指導選型設計。本發明有益之處在于：避免硬巖、卵石和漂石等對切削刀具的沖擊損害，降低了刀具崩刃掉刃、磨損、斷裂等非正常失效風險，提高了盾構機掘進效率，降低了成本。

技術領域

本發明屬于隧道掘進裝備設計制造領域，涉及一種軟土巖層截割刀具及其設計方法，尤其涉及一種用于全斷面隧道掘進機刀盤系統的軟土巖層截割刀具及其設計方法。

背景技術

隨著我國國民經濟的高速發展以及城鎮化水平的不斷提高，地面可用空間越來越少。開發地下空間，例如建立地下快速軌道交通系統已成為現代化城市發展的必然趨勢。全斷面隧道掘進機憑借其開挖效率高、工程質量優、地質適應性強等諸多特點，在地下空間隧道開挖過程中得到了廣泛使用。總體來看，我國全斷面掘進機的市場需求量預計將超過200臺，產業價值高達500億元。

目前，全斷面隧道掘進機可分為兩種類型：一種為全斷面巖石隧道掘進機(FullFace Rock Tunnel Boring Machine，國內習慣簡稱為TBM)，主要用于具有一定自穩能力的巖石地層掘進，特別適用于野外長隧道掘進(引水隧洞、鐵路隧道等)，一般采用安裝于刀盤上的盤形滾刀(以下簡稱滾刀)回轉滾壓破碎巖層，其破巖機理為滾刀刃底擠壓和刃側剪切破巖作用；另一種為全斷面軟土地層隧道掘進機(國內習慣稱之為盾構機)，主要用于城市地下空間工程、過江隧道工程，采用安裝于刀盤刀座上的切刀(又稱刮刀)截割軟土層，其破巖機理為刮擦截割巖石。

一般而言，上述兩種全斷面隧道掘進機的地質適用范圍不同，因此在采用盾構工法施工時，應該提前對施工隧道所在的地質條件和巖層構成情況進行現場勘探調研，并根據獲得的地質調研報告和水文勘探報告，進行合理選型。例如，對于開挖城市地鐵隧道、以及穿江越海隧道時，由于所處掘進地層多為自穩定性較差的軟巖及土壤地層，此時一般采用盾構機開挖，其主要切削刀具為切刀；而對于開挖野外長距離輸水隧洞時，由于所處掘進地層多為自穩定性好的硬巖巖層(如花崗巖巖層、大理石、火成巖巖層等，部分巖層由于深部地應力的作用，抗壓強度達到了380Mpa)，則一般采用TBM開挖，其切削刀具主要為滾刀。此外，當掘進地層既有巖層，又有軟土層等軟弱地層時，可采用復合盾構進行開挖，其刀盤上同時安裝有切刀和滾刀，分別用于開挖軟土巖層和硬巖層。

盡管隧道掘進機制造商均會根據地質勘探結果嚴格進行選型設計，但由于隧道掘進機所處掘進地層地質條件的復雜多變性和巖層巖性的隨機多樣性，因此不可避免地導致目前隧道掘進機地質適應性普遍偏低。以城市地鐵隧道工程為例，盾構機或復合盾構所掘進的地層極有可能存在軟硬復合地層、局部硬巖層、漂石地層、砂卵石地層等未預料復雜地層，甚至在少數極端環境下還存在著諸如鋼筋水泥塊等建筑遺留材料。此時，當切刀突然遭遇到上述未預料復雜地層時，所承受的沖擊載荷和切削載荷是極其巨大的，而所述載荷帶來的危害也是極其嚴重的。以軟硬復合地層為例，切削刀具將承受著高頻變載沖擊，切削載荷會激增至5～10倍；再以富漂石地層、固定巖芯與土壤混合地層、以及沙卵石地層為例，經過初步測算，若假定滾刀以0.63m/s以上的線速度撞擊漂石等硬質材料時，理論上會產生高達15kN的瞬時沖擊力；在現有技術中切刀均采用高強度螺栓緊固在刀座內，或者直接焊接在刀盤輻條上，屬于剛性連接，無任何避讓空間和緩沖余量，故必然會導致切刀在作業中因強大沖擊載荷和切削載荷而發生前述的崩刃、非正常的快速磨損失效等事故，從而增加了隧道施工成本，影響了工期進度，嚴重制約了盾構機和復合盾構在城市隧道建設工程中的推廣應用。據不完全統計，在盾構隧道施工過程中，掘進機刀具消耗的成本大約占施工總成本的30％～40％。