[发明专利]一种软土岩层截割刀具及其设计方法

说明书

本发明一种软土岩层截割刀具主要包括切削刀具、刀架、弹性支撑组件、刀座，其中：所述切削刀具固定安装于所述刀架上；所述刀架活动地铰接于所述刀座内，并与所述弹性支撑组件上部接触；所述弹性支撑组件的下部置于所述刀座的底部之上；所述弹性支撑组件压靠在所述刀座的底部之上，同时所述弹性支撑组件压缩变短，继而使得所述刀架相对于铰接中心向所述刀座内部发生偏转。本发明还提供了相应设计方法，通过计算最大名义切深、弹性元件的预压缩量和理论等效刚度，用于指导选型设计。本发明有益之处在于：避免硬岩、卵石和漂石等对切削刀具的冲击损害，降低了刀具崩刃掉刃、磨损、断裂等非正常失效风险，提高了盾构机掘进效率，降低了成本。

技术领域

本发明属于隧道掘进装备设计制造领域，涉及一种软土岩层截割刀具及其设计方法，尤其涉及一种用于全断面隧道掘进机刀盘系统的软土岩层截割刀具及其设计方法。

背景技术

随着我国国民经济的高速发展以及城镇化水平的不断提高，地面可用空间越来越少。开发地下空间，例如建立地下快速轨道交通系统已成为现代化城市发展的必然趋势。全断面隧道掘进机凭借其开挖效率高、工程质量优、地质适应性强等诸多特点，在地下空间隧道开挖过程中得到了广泛使用。总体来看，我国全断面掘进机的市场需求量预计将超过200台，产业价值高达500亿元。

目前，全断面隧道掘进机可分为两种类型：一种为全断面岩石隧道掘进机(FullFace Rock Tunnel Boring Machine，国内习惯简称为TBM)，主要用于具有一定自稳能力的岩石地层掘进，特别适用于野外长隧道掘进(引水隧洞、铁路隧道等)，一般采用安装于刀盘上的盘形滚刀(以下简称滚刀)回转滚压破碎岩层，其破岩机理为滚刀刃底挤压和刃侧剪切破岩作用；另一种为全断面软土地层隧道掘进机(国内习惯称之为盾构机)，主要用于城市地下空间工程、过江隧道工程，采用安装于刀盘刀座上的切刀(又称刮刀)截割软土层，其破岩机理为刮擦截割岩石。

一般而言，上述两种全断面隧道掘进机的地质适用范围不同，因此在采用盾构工法施工时，应该提前对施工隧道所在的地质条件和岩层构成情况进行现场勘探调研，并根据获得的地质调研报告和水文勘探报告，进行合理选型。例如，对于开挖城市地铁隧道、以及穿江越海隧道时，由于所处掘进地层多为自稳定性较差的软岩及土壤地层，此时一般采用盾构机开挖，其主要切削刀具为切刀；而对于开挖野外长距离输水隧洞时，由于所处掘进地层多为自稳定性好的硬岩岩层(如花岗岩岩层、大理石、火成岩岩层等，部分岩层由于深部地应力的作用，抗压强度达到了380Mpa)，则一般采用TBM开挖，其切削刀具主要为滚刀。此外，当掘进地层既有岩层，又有软土层等软弱地层时，可采用复合盾构进行开挖，其刀盘上同时安装有切刀和滚刀，分别用于开挖软土岩层和硬岩层。

尽管隧道掘进机制造商均会根据地质勘探结果严格进行选型设计，但由于隧道掘进机所处掘进地层地质条件的复杂多变性和岩层岩性的随机多样性，因此不可避免地导致目前隧道掘进机地质适应性普遍偏低。以城市地铁隧道工程为例，盾构机或复合盾构所掘进的地层极有可能存在软硬复合地层、局部硬岩层、漂石地层、砂卵石地层等未预料复杂地层，甚至在少数极端环境下还存在着诸如钢筋水泥块等建筑遗留材料。此时，当切刀突然遭遇到上述未预料复杂地层时，所承受的冲击载荷和切削载荷是极其巨大的，而所述载荷带来的危害也是极其严重的。以软硬复合地层为例，切削刀具将承受着高频变载冲击，切削载荷会激增至5～10倍；再以富漂石地层、固定岩芯与土壤混合地层、以及沙卵石地层为例，经过初步测算，若假定滚刀以0.63m/s以上的线速度撞击漂石等硬质材料时，理论上会产生高达15kN的瞬时冲击力；在现有技术中切刀均采用高强度螺栓紧固在刀座内，或者直接焊接在刀盘辐条上，属于刚性连接，无任何避让空间和缓冲余量，故必然会导致切刀在作业中因强大冲击载荷和切削载荷而发生前述的崩刃、非正常的快速磨损失效等事故，从而增加了隧道施工成本，影响了工期进度，严重制约了盾构机和复合盾构在城市隧道建设工程中的推广应用。据不完全统计，在盾构隧道施工过程中，掘进机刀具消耗的成本大约占施工总成本的30％～40％。