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刀具的類型及切削原理
目前盾構(gòu)機刀具按切削原理劃分，一般公認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，這兩類刀具還可進一步細分)。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。當(dāng)雖然穿越松散地層但有大粒徑的礫石(粒徑大于400mm)、并且含量達到一定比例時，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(強度不算太高)與一般土體(或粘土或砂土)交錯頻繁出現(xiàn)的情況，也有可能采用滾刀型刀具，即在復(fù)合式盾構(gòu)機中采用。
切削刀的切削原理則主要是盾構(gòu)機向前推進的同時，刀具隨刀盤旋轉(zhuǎn)對開挖面土體產(chǎn)生軸向(沿隧道前進方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉(zhuǎn)切線方向)切削力，不斷將開挖面前方土體切削下來。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)機切削開挖面土體的主刀具，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，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)計中主要考慮與切削刀組合協(xié)同工作。刀具切削土體時，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盤圈貝型刀
盤圈貝型刀實質(zhì)上是超前刀，盾構(gòu)機穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時，若采用滾刀型刀具，因土體屑松散體，在滾刀掘進擠壓下會產(chǎn)生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時甚至喪失切削破碎能力。針對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，建議采用盤圈貝型刀，將其布置在刀盤盤圈前端面，專用于切削砂卵石。采用盤圈貝型刀可較好地解決盾構(gòu)機切削土體(砂卵石)的難題。
④魚尾刀
采用大刀盤全斷面切削土體，布置在幅條上不同位置的切削刀，從刀盤外周至中心，運動圓月逐漸減小，中心點理論上可以視為零。換言之密封艙內(nèi)切削土體的運動長度也是由外至內(nèi)逐漸變小，相應(yīng)土體流動狀態(tài)也是越來越差。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)計一把尺寸較大的魚尾刀(詳見魚尾刀切削土體示意圖19)。根據(jù)經(jīng)驗，色尾刀的設(shè)計和布置可應(yīng)用兩個技巧：其一讓盾構(gòu)機分兩步切削土體，利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面(直徑約1.5
m)土體，而后擴大到全斷面切削土體，即將魚尾刀設(shè)計與其他切削刀不在一個平面上，一般魚尾刀超前600
mm左右，保證魚尾刀Zui先切削土體；其二是將魚尾刀根部設(shè)計成錐形，使刀盤旋轉(zhuǎn)
時隨魚尾刀切削下來的土體，在切向、徑向運動的基礎(chǔ)上，又增加一項翻轉(zhuǎn)運動(如同犁地一般)：這樣既可解決中心部分土體的切削問題和改善切削土體的流動性，又大大提高盾構(gòu)機整體掘進水平。
⑤仿形刀
盾構(gòu)機一般設(shè)計兩把仿形刀(一把備用)，布置在輻條的兩端。施工時，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)機在曲線段推進、轉(zhuǎn)彎或糾偏時，通過仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構(gòu)機在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下，實現(xiàn)曲線推進和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏，因而盾構(gòu)機需設(shè)置仿形刀。