DN200上水标高44.03
36*24电信标高45.08 K45 45.87
DN300污水标高44.09
K46 45.60
43.87
o1 1
41.67
40.77 40.27
FX
36.86 35.77
34.27
ZC 32.17 31.57 30.77
o3 1
o4
27.17
39.90 39.30 38.60
图2.4 掘进时间图
2.4 刀具磨损状况
外周边刀已 完全磨损
第一排齿刀 （切削刀） 严重磨损
刀具磨 损状况
2.5 刀具磨损系数及分析
刀具的磨损系数采用公式：K＝δ/L计算
代入量测数据经计算得磨损系数：k＝0.491mm/km
如此高的磨损系数，如不想办法降低，土压平衡盾构在北京砂 卵石地层将无法施工。
=26 N 63.5 =18
23.69
21.69
=37
N 63.5 =60
19.39
N (63.5) =29
26.62
o4 3
24.02 22.42 /23.00
o ZC 6
o7 2
=31
o7
=38 15.49 /30.00
41.05 40.55
N 63.5 =11
39.05 =21
37.05 =30
（1）地质情况特殊，刀盘 大部分处于圆砾层中
（2）添加剂的
（3）盾构刀盘面板
效果不佳 产生这么大的磨损，原因？
形式的选择不当
面板式，开口率小， 砂卵石地层流塑性差， 很易造成刀盘排土不 畅
45.05
o1 1
DN500污水标高42.08 DN400上水标高43.86 K52 44.89
43.99
K53 44.66
42.96
41.05
o2
39.35
o2 3
36.35
o3 3
34.45 33.95
o3 1
31.15
o2 1
41.09
40.19 39.79 39.39
=20
41.02 39.02
=21
36.48 =24
35.29 34.99
=33
=45
37.41
34.32 33.22
31.59
N (63.5) =32
30.82 (=) 99.7.23
31.02
o2 2
ZC
o4
26.95
o5 2 o5 1
22.05 21.35 20.55 /25.00
o5 o6
ZC
=35
26.99 26.29 25.69
北京地铁盾构刀具磨损分析研究
北京地铁盾构刀具磨损分析研究
第一章 绪论 第二章 砂卵石地层刀具磨损案例分析 第三章 砂卵石地层盾构刀具减磨损技术
—选择合理的刀盘形式、刀具参数及刀具配置 第四章 砂卵石地层盾构刀具减磨技术
—土性改良 第五章 改良后砂卵石地层刀具磨损现场量测与分析 第六章 建议
第一章 绪 论
35.25
=31
o3 1
31.45
=49
o2 o3 o3 3
N (63.5) =44 28.25 =56
o4
27.05
=50
25.45
o5
23.75
N 63.5 =34
=31
o5
21.05 N (63.5) =32
19.05
=41
=55
15.25 /30.00
41.35 40.05
o2 3
38.55 37.65
=28
31.56 30.36 29.06
26.99 26.19
24.79
25.76 25.06
22.09 18.39
21.66 ZC
20.16 /24.50
14.89 /30.00
K54 44.82
K55 44.48
o1 1 o1
40.82
o2
39.32
N 63.5 =30
o4 2 o4
o5
=28
35.82 =30
35.06 33.95 32.95 31.75
26.45 25.85
24.85
o5 2
20.65 19.55 /25.50
o7
40.89
40.86
39.19 38.79 38.39
N 63.5 =17
38.76
=21
=23
34.79 =33
34.66 34.26
o3
=43
30.89
N (63.5) =30 30.16 (=) 99.7.21
接近顶峰，只好降低速度，
6000
缓慢推进
4000
2000
0
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
图2.3 推力变化图
250 推进时间曲线
200
288环时推进 时间剧增 无法掘进
推进时间(min)
150
100500环号273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288
地面,45.55
41.05 39.35 36.35 34.45
33.95 31.15
26.95
粘质 粉土 素填土
粘质 粉土 砂质 粉土
粉细 砂层 粉质粘 土及 粘质粉 土 粉细 砂层 中粗 砂
刀盘
圆砾 层
22.05
粉质 粘土及 重粉 质粘土
盾构机所在位置地质横断面 (k9+124.52)
图2.2 盾构刀盘所在位置断面图
1.2 本课题所依托工程的工程背景
本课题主要以北京地铁四号线14标段和五号线17、18标段的土压平 衡盾构施工为背景。
1.2.1 北京地铁四号线14标段工程概况
该标段包括两站三区间及双榆树站的一部分， “三区间”动物 园站～白石桥站区间、白石桥站～学院南路站区间、学院南路站～双榆 树站区间。均采用盾构法施工。盾构机选用辐条式土压平衡盾构，直径 为6m。三个盾构区间大部分为大面积砂卵石地层，粒径最大达200mm 以上。特别是动物园站～白石桥站和白石桥站～学院南路站区间几乎都 为全断面砂卵石地层。
K47 45.55
DN200上水标高43.64
DN300污水标高42.86 K48
45.49
DN200上水标高44.3
DN600污水标高43.6 K49
45.42
44.75
o1
44.39 N 63.5 =15
44.22
K50 45.25
DN150上水标高44.35
DN400污水标高42.27 K51
●Teale于1963年对各种刀具（刀刃角分别为60º、90º、120º）进行了试验观 察，发现刀刃越尖，侧向荷载越高，易导致刀具的晃动，原因是刀具刚度不 足，不能提供足够的侧向抗力。因此，刀刃角不宜太小，一般为90º。 ●关于盾构模型实验方面，国外美国、日本、欧洲等进行了许多研究，国内 上海隧道施工技术研究所和同济大学也进行了一些研究，但针对刀具磨损的 实验极少。
1.1 前言
●北京地铁工程将日益增多。近期的五号线、四号线、十号 线（含奥运支线），盾构隧道占线路总长的40%。其中约 有10km以上盾构施工处于大面积砂卵石地层中。
●正在筹划开工的九号线等也都将会遇到大面积砂卵石地层。
在国际上也还没有一个较好的定量评价砂卵石地层盾构掘 进刀具磨损的成果。
盾构在大面积砂卵石地层中掘进时刀具磨损极为严重，这不但大 大影响了盾构机的使用寿命，更重要的是常常使盾构施工无法进行。 被迫开舱换刀时很又很可能引起开挖面坍塌，给整个工程的工期、 造价带来严重的影响，甚至威胁人的生命。北京地铁某标段在砂卵 石地层施工中，竟然在掘进才200多环，刀具几乎磨损所剩无几， 无法掘进。北京地层条件下进行地铁盾构施工，特别是在大面积砂 卵石地层条件下用盾构施工，在国内外是罕见的，或者说是没有的。 由上述的“课题的国内外现状”也可看出，国内外对盾构刀具磨损 的研究为数不多，特别是对盾构在大面积砂卵石地层掘进时刀具磨 损的研究极为少见。因此，研究如何减少砂卵石地层刀具磨损，探 明砂卵石地层不换刀可能掘进的最长距离很有意义。它不但为今后 的北京地铁建设以及其它类似工程提供服务。而且也可以填补一项 盾构在大面积，长距离砂卵石中施工的空白，本课题的研究势在必 行。
1.3 课题的国内外研究现状
针对砂卵石地层土压平衡盾构刀具磨损的研究国内外现在还很少。但在刀 具磨损的理论和模型实验研究方面国内外学者已经做了一些研究工作，主要有：
●盾构刀盘外圈刀具的磨损量的计算可用下述公式 δ＝K·L 式中：δ——磨耗量（mm）； K——磨耗系数（mm/km）； L——切削轨迹长
2.3 停机前的掘进参数及其他特征
(1)刀盘扭矩值一直居高不下，而且波动幅度较小。 (2)刀盘过载频繁，扭矩过大。 (3) 推进时间延长，泡沫和膨润土用量增大，渣土含水 量增大。 (4) 千斤顶推力增大。 (5) 排出渣土变热。 (6) 至289环时推进时，刀盘扭矩急剧上升无法继续推 进。具体情况见表2.1及下图所示。
盾构所经地 层的砂卵石
图1.1 14标段砂卵石
粒径超过200mm
图1.2 14标段大粒径砂卵石
1.2.2 五号线18标段工程概况
本区间采用盾构法施工。盾构机选用辐条式土压平衡盾构， 直径为6m。盾构所在地层多为砂砾、卵石地层。
图1.3 五号线18标段工程地质概况 图中①为人工填土层；⑥为粘质粉土砂质粉土层；③为粘质粉土砂质 粉土层；⑦为中粗砂层；⑤为圆砾层；⑧为卵石层。