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刀具的類型及切削原理
目前盾構(gòu)機(jī)刀具按切削原理劃分，一般公認(rèn)有滾刀和切削刀兩種類型(根據(jù)隧道圍巖性質(zhì)不同、切削目的不同，這兩類刀具還可進(jìn)一步細(xì)分)。滾刀的切削原理主要是刀具依靠擠壓破巖，一般用于巖石隧道的掘進(jìn)。當(dāng)雖然穿越松散地層但有大粒徑的礫石(粒徑大于400mm)、并且含量達(dá)到一定比例時(shí)，也可采用滾刀型刀具。另在隧道地質(zhì)條件復(fù)雜多變、巖石(強(qiáng)度不算太高)與一般土體(或粘土或砂土)交錯(cuò)頻繁出現(xiàn)的情況，也有可能采用滾刀型刀具，即在復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)中采用。
切削刀的切削原理則主要是盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)的同時(shí)，刀具隨刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)對(duì)開(kāi)挖面土體產(chǎn)生軸向(沿隧道前進(jìn)方向)剪切力和徑向(刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切線方向)切削力，不斷將開(kāi)挖面前方土體切削下來(lái)。切削刀一般適用于粒徑小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散體地層。
(2)主要刀具形狀及作用
①切削刀
切削刀是盾構(gòu)機(jī)切削開(kāi)挖面土體的主刀具，切削刀一般形狀如圖15所示。一般情況下，β(前角)與α(后角)值隨切削地層特性不同變化，取值范圍在5°～20°之間，粘土地
層稍大，砂卵石地層稍小。比如北京市地層特點(diǎn)，β(前角)和α(后角)值建議采用15°。
②超前刀(也稱先行刀)
顧名思義，超前刀即為先行切削土體的刀具。超前刀在設(shè)計(jì)中主要考慮與切削刀組合協(xié)同工作。刀具切削土體時(shí)，超前刀在切削刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切削刀創(chuàng)造良好的切削條件。據(jù)其作用與目的，超前刀斷面一般比切削刀斷面小。采用超前刀，一般可顯著增加切削土體的流動(dòng)性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，減少切削刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層使用效果十分明顯。
③盤(pán)圈貝型刀
盤(pán)圈貝型刀實(shí)質(zhì)上是超前刀，盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時(shí)，若采用滾刀型刀具，因土體屑松散體，在滾刀掘進(jìn)擠壓下會(huì)產(chǎn)生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時(shí)甚至喪失切削破碎能力。針對(duì)北京市大粒徑砂卵石地層的特性，根據(jù)筆者在日本的施工經(jīng)驗(yàn)，建議采用盤(pán)圈貝型刀，將其布置在刀盤(pán)盤(pán)圈前端面，專用于切削砂卵石。采用盤(pán)圈貝型刀可較好地解決盾構(gòu)機(jī)切削土體(砂卵石)的難題。
④魚(yú)尾刀
采用大刀盤(pán)全斷面切削土體，布置在幅條上不同位置的切削刀，從刀盤(pán)外周至中心，運(yùn)動(dòng)圓月逐漸減小，中心點(diǎn)理論上可以視為零。換言之密封艙內(nèi)切削土體的運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度也是由外至內(nèi)逐漸變小，相應(yīng)土體流動(dòng)狀態(tài)也是越來(lái)越差。而且中心支撐部位(直徑約1.5
m)不能布置切削刀，為改善中心部位土體的切削和攪拌效果，可考慮在中心部位設(shè)計(jì)一把尺寸較大的魚(yú)尾刀(詳見(jiàn)魚(yú)尾刀切削土體示意圖19)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，色尾刀的設(shè)計(jì)和布置可應(yīng)用兩個(gè)技巧：其一讓盾構(gòu)機(jī)分兩步切削土體，利用魚(yú)尾刀先切削中心部位小圓斷面(直徑約1.5
m)土體，而后擴(kuò)大到全斷面切削土體，即將魚(yú)尾刀設(shè)計(jì)與其他切削刀不在一個(gè)平面上，一般魚(yú)尾刀超前600
mm左右，保證魚(yú)尾刀Zui先切削土體；其二是將魚(yú)尾刀根部設(shè)計(jì)成錐形，使刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)
時(shí)隨魚(yú)尾刀切削下來(lái)的土體，在切向、徑向運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，又增加一項(xiàng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(如同犁地一般)：這樣既可解決中心部分土體的切削問(wèn)題和改善切削土體的流動(dòng)性，又大大提高盾構(gòu)機(jī)整體掘進(jìn)水平。
⑤仿形刀
盾構(gòu)機(jī)一般設(shè)計(jì)兩把仿形刀(一把備用)，布置在輻條的兩端。施工時(shí)，可以根據(jù)超挖多少和超挖范圍的要求，從輻條兩端徑向伸出和縮回仿形刀，達(dá)到仿彤切削的目的。仿形刀伸出Zui大值一般在80～130mm之間。盾構(gòu)機(jī)在曲線段推進(jìn)、轉(zhuǎn)彎或糾偏時(shí)，通過(guò)仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構(gòu)機(jī)在超挖少、對(duì)周邊土體干擾小的條件下，實(shí)現(xiàn)曲線推進(jìn)和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏，因而盾構(gòu)機(jī)需設(shè)置仿形刀。