聊城瑞钻丨盾构刀具在国内典型地质的工程应用

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聊城瑞钻丨盾构刀具在国内典型地质的工程应用

来源：山东瑞钻工程装备有限公司 2016-05-07查看:4644

摘要:盾构刀 工程施工

2013年5月21日，山东瑞钻工程装备有限公司研制的“瑞钻”牌盾构系列刀具（滚刀、切刀、周边刮刀）在中铁二十三局成都地铁4号线一期工程土建2标（公平站～文家站）盾构区间施工中顺利完成1018.074m工程掘进，盾构到达后刀具完好率仍达到85%以上，堪称又一次经典之作。

刀盘到达竖井

单刃滚刀到达时正常磨损

双刃滚刀到达时正常磨损

中心双联滚刀到达时正常磨损

边缘刮刀到达时正常磨损

一

工程概况

该盾构区间采用Φ6.24m罗宾斯盾构施工，区间为公平站～文家站左线和左出入段线。其中，左线盾构区段长1019.574m,左出入段线盾构区段长639.317m。区间隧道拱顶最大覆土埋深19.1m，最小埋深6.9m，最大曲线半径2500m，最小曲线半经400m，最大坡度28‰，最小坡度2‰。

根据该区间地质报告,隧道断面内均为第四系（Q）地层覆盖。场地地下水主要为赋存在第四系砂卵石地层中的孔隙型潜水。第四系孔隙水主要赋存于全新统（Q4）的卵石土中，卵石土层结构比较松散，含水丰富，含水层厚度大于30m，卵石土层渗透系数k=20m/d，为强透水层。本区段基本位于卵石土层中，受地下水影响较大。

地表多为第四系人工填筑（Q4ml）杂填土，其下为第四系全新统冲积（Q4al）粉质粘土、细砂土、卵石土夹细砂。其中<2-8>卵石土在隧道穿越地层的含量高达96.9%；在<2-8>卵石土层中卵石含量50～85%，粒径20～80mm为主，部分粒径大于100mm，最大粒径180mm，充填物为中砂，局部夹漂石，顶面埋深1.10～6.80m。

根据N120超重型动力触探成果及卵石含量，将该层卵石土分为松散卵石土<2-8-1>、稍密卵石土<2-8-2>、中密卵石土<2-8-3>和密实卵石土<2-8-4>，共4个亚层，详见地层的统计分析图。

隧道穿越地层的统计分析图

二

盾构刀盘刀具改进配置方案

刀盘刀具改进配置方案包括：刀具整体布置及刀具切削形状设计。刀具的布置方式及刀具形状设计需要充分考虑工程地质情况，进行针对性设计，不同的工程地质特点，采用不同的刀具配置方案，以获得良好的切削效果和掘进速度。

在此工程项目中,瑞钻公司对该区间使用的罗宾斯刀盘配置了整盘刀具，针对成都二十三局工程地质状况和总长度为1018.074mm的盾构区间掘进里程，参考以往瑞钻公司丰富的盾构刀具施工经验，通过数次研讨，确定刀盘配置按照不改变原刀盘刀具配置、多增加刀具的使用数量和不影响盾构掘进参数原则的情况下，在原标准刀具的基础上，对刀盘各种刀具切削形式进行加强改进，以进一步提高刀具的切削强度和耐磨性，延长刀具的使用寿命。

滚刀改进

由于成都地铁穿越的地质层主要为富水砂卵石地层并夹杂有粉细砂层。这种地质中滚刀主要以剥落破岩为主，滚压破岩为辅，刀刃先磨尖再磨低，刀刃大多是被卵石反复碰撞摩擦损耗的。为此，瑞钻公司专门为成都二十三局4号线2标段设计制作了整盘正面单刃、双刃滚刀和中心双联滚刀。其刀刃宽度加大为30mm，刀圈直径由17英寸（Φ432mm)加大到Φ448mm，进一步提高刀圈刃部的耐磨性能，使其能够更好的在砂卵层中切削掘进。

切刀改进

切刀原结构

改进后的结构

通过上面改进前、后的对比图可以看出，原结构的刮刀使用后上端刃部产生弯曲变形，导致刀具切削性能降低，同时造成刀具拆卸困难；严重时也容易造成紧固螺栓的断裂，导致刀具的脱落，影响掘进施工。再者，合金的布置存在不合理性，遇到成都砂卵地质很容易将合金磨损、合金尖部撞击损坏掉。

分析该刀具发生以上现象的主要原因有：

a、初装刀具设计的安装形式不符合刀具使用状况；

b、最上一排螺栓到刀尖的距离太长，当刀具背部受到岩石的强烈撞击时，极易造成刀具上端产生弯曲变形。

而改进后的结构是：增加一个刀座，且将刀座焊在刀盘上，刀体再增加一排螺栓，缩短了刀尖到最上一排螺栓的受力距离，就很好的解决了上述弊端，使用效果显著。

与此同时，中铁二十三局成都项目各级领导和盾构施工人员为保证盾构掘进工程的顺利进行，积极采取各种相应措施，包括渣土改良、针对不同地段的地质情况，迅速调整盾构掘进参数，准确控制刀盘刀具贯入度，在降低外界因素干扰的情况下，达到人员、盾构、刀具的完美结合，使盾构刀具正常发挥了其作用，完全达到和超过了项目预期效果，使用效果非常满意,受到项目部领导的一致好评。

三

刀具使用效果

瑞钻刀具在二十三局成都项目的优异表现为项目施工节约了大量的施工成本，为项目的顺利贯通发挥了重要作用。瑞钻刀具还先后成功应用于中铁十三局成都地铁一号线、二号线；中铁二局成都地铁二号线；中铁隧道集团二号线一期等项目，瑞钻刀具在成都地铁项目得到了充分肯定和认可，大大的提升了“瑞钻”牌刀具在成都盾构刀具市场的知名度。

此外，瑞钻公司除在盾构刀具方面取得了令人称赞的成绩，同时也在TBM刀具方面加大了对TBM硬岩滚刀投入力度，组织专门的研发团队，深入TBM施工现场跟班作业，搜集掌握第一手现场数据分析研究。为确保刀圈的耐磨性、韧性等综合性能，刀圈材质采用定制的盾构专用材质，并利用先进的、独具特色的刀圈生产加工工艺，使刀圈形成梯度硬度。为确保滚刀整体质量，其外购件如轴承选用美国进口铁木肯品牌、浮动密封选用意大利进口特瑞堡品牌、润滑脂（油）选用进口美孚品牌。

如：2016年2月3日至2016年2月27日，由该公司研制生产的“瑞钻”牌19英寸单刃滚刀在中铁十八局集团有限公司承建的西安引汉济渭秦岭隧洞工程TBM施工中经过严酷地质的考验得到成功应用。

成品滚刀

滚刀掘进施工现场

岩石工况

该工程岭北TBM施工段包括主洞16592m，5号支洞4620m，其中主洞采用全断面硬岩TBM施工16177m，开挖直径8.02m。此工程面临着高地应力下软岩大变形、长距离地质结构带、大埋深、大流量突涌水、14km长距离独头通风、内弧面仰拱块工况下TBM同步衬砌等世界级的技术难题。

引汉济渭工程使用的S-795海瑞克TBM硬岩掘进机，其最大开挖直径8.02m，首次使用时安装了“瑞钻”牌19英寸单刃硬岩滚刀7把，分别安装在41#—47#边缘滚刀位置，共计掘进277.5m。掘进区间地质为千枚岩、变质岩等多种岩层，其抗压强度约为100～190MPa。经检测磨损值为10～20mm，均未超过刀具要求的磨损极限值。使用期间滚刀未出现崩刃、卷刃、偏磨、漏油等质量问题，均属于正常磨损，使用性能优良，现已经批量使用。标志着“瑞钻”牌硬岩滚刀在TBM施工项目的成功应用。

中铁十八局使用“瑞钻”牌19英寸硬岩滚刀的情况证明

四

刀具应用业绩

瑞钻公司把“生产优质盾构刀具，建造美好地下空间”作为瑞钻人的历史使命，弘扬“瑞意进取、钻无不胜”的瑞钻精神，致力于打造国际一流企业，制造国际一流产品，创建国际一流品牌。自创建之日起，公司把科技创新作为企业生存和发展的至关因素和品牌建设的动力和源泉，积极实施技术创新战略。在技术创新工作中，公司建立了技术中心、工程刀具技术研究中心和检测中心。引进和培养各种技术人才，聘请大中院校、科研院所等多位专家、教授为技术顾问，并与中南大学、山东大学等高校合作，实行产学研结合，建设高素质的研发团队。

瑞钻公司还建立了面向市场的研发机制，组织人员贴近市场研究需求，针对客户的不同需求进行个性化设计、生产。先后成功解决了成都、沈阳、南京过江隧道、北京直径线、北京九号线、广深港狮子洋隧道等盾构刀具难题。“瑞钻”牌盾构刀具在业内树立了良好的品牌形象，形成了较强的影响力。瑞钻产品还成功出口到美国、加拿大、马来西亚、日本、印度、韩国、澳大利亚等，成为国内、外“铁、公、基”、隧道、地铁施工单位及设备制造企业的长期合作伙伴。如中铁装备、中国铁建重工、三一重工、中交天和、北方重工及天业通联等。充分发挥专业技术人员积极性，组织研发人员在TBM滚刀、盾构刀具、工程刀具领域进行科技攻关。自2008年以来，公司累计获得国家专利20余项。2015年11月，企业技术中心被认定为山东省聊城市工程刀具技术研究中心。

瑞钻公司把企业文化建设作为品牌建设核心内容，2011年公司先后荣获“中国机械工业优秀企业”、“山东省最具社会责任感十大企业”、“开发区劳动关系和谐先进单位”、“开发区重大突出贡献奖”，并被中国设备管理协会评为“全国质量信誉有保障供应商”。自2010年起连续两届任中国土木工程学会隧道及地下工程分会隧道掘进机（盾构、TBM）专业委员会委员，并被中南大学定为研究生、博士生校外实践基地。

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