浅谈盾构及盾构热处理

湘寒月/yl

研究了盾构刀具用5Cr5MoSiV1钢不同加热温度回火和保温时间对其显微组织和力学性能的影响。结果表明:试验钢在500～650℃回火1.5h时，随着加热温度的升高，组织由板条状回火马氏体+残留奥氏体转变成等轴状回火索氏体+粒状碳化物，在550～600℃保温时出现二次硬化效应，且硬度在600℃左右时达到峰值，试验钢的冲击韧性随回火温度的升高而不断增强；600℃回火保温1～2.5h时，马氏体随保温时间延长而不断分解，最终转变为保持马氏体位向的回火索氏体，试验钢的回火硬度随保温时间的延长而降低。为了使试验钢在回火后获得较好的强韧性配合，较佳的回火工艺为600℃×2h。
在地铁、隧道等地下工程的施工中，盾构法是目前应用最为广泛的施工方法之一。在用盾构法进行隧道施工时，主要是通过盾构机刀盘上的刀具对前方土体进行切削。由于山体岩石的高强度、高硬度以及地质条件的复杂性，使刀具工作在强挤压、大扭矩、强冲击、高磨损的恶劣工况下，经常会出现裂纹甚至断裂等缺陷，使其成为掘进过程中最易损坏的零部件，严重影响了施工效率，致使其费用占到整个施工成本的30%左右。当前，我国的盾构刀具产品与技术相对而言比较落后，目前主要依赖进口，其国产化率极低。因此，近年来许多研究机构和企业纷纷开展盾构刀具的研究试制工作，但大多数处于仿制阶段，产品存在强度低、耐磨性差、使用寿命短等问题，总体而言技术水平较低。针对国产刀具存在的问题，课题组旨在通过较为合理的淬火加回火的调质工艺，研发一种集较好强硬性、耐磨性、耐热疲劳性和韧性于一体的
盾构刀具。在前面淬火工艺研究的基础上，本文主要研究其回火工艺。回火工序作为控制材料的组织和性能的最后一道热处理工序，其工艺参数的制定不合理与上述缺陷的产生有很大关系。ZHANG等研究了热作工具钢在回火过程中的微观组织转变，表明碳化物的形态和大小受到回火条件的影响。YI等研究了回火工序对未淬火贝氏体钢微观组织和力学性能的影响，并获得了该钢的最佳回火温度。ZHAO等研究了回火温度对含镍量为9%的钢的微观组织和力学性能的影响，分析了不同回火温度条件下组织及性能转变的原因。MOHSEN等研究了4.5Cr-2W-0.25V钢的回火行为，探究了不同回火条件下的回火组织，着重分析了回火过程中析出碳化物的类型。QIN等研究了回火温度对00Cr16Ni5Mo不锈钢性能的影响，并探索出其最佳强韧性组合的回火工艺。张占平等研究了55NiCrMoV7钢回火组织特征与回火温度和时间的关系，探索出55NiCrMoV7热作工具钢回火过程组织的演化规律。
李继红等研究了回火温度对40CrNiMo7钢组织与性能的影响，确定了在不同回火温度范围处理后的组织和性能。5Cr5MoSiV1钢是制造盾构刀具的一种重要材料，但有关该钢的热处理相关研究少见报道。
本文主要研究回火加热温度和保温时间等工艺参数对5Cr5MoSiV1钢显微组织和力学性能的影响，并确定该钢的较佳回火工艺参数。
1、试验材料及方法
1.1、试验材料
5Cr5MoSiV1钢属于过共析钢，它是在4Cr5MoSiV1钢的基础上，通过提高钢中的碳含量开发而来的，其化学成分如表1所示。试验用钢采用中频真空感应炉进行冶炼，再经电渣重熔浇铸成75kg的铸锭，将铸锭锻造成60mm的圆棒料。采用线切割的方法从锻后的棒料上切取12mm×12mm×65mm的试样若干，回火前先对切好的锻材依次进行900℃×2h的球化退火处理和1050℃×30min的淬火处理(油淬)，为回火做准备。试验钢经淬火处理后的组织如图1所示，主要为板条状马氏体，此外还有少量的针状马氏体、残留奥氏体和未溶碳化物存在。

表15Cr5MoSiV1钢的化学成分(质量分数，%)

                               
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图1试验钢淬火态组织

结论
1)5Cr5MoSiV1钢经1050℃淬火，在500～650℃回火保温1.5h时，随着回火温度的升高，组织由板条状回火马氏体+残留奥氏体转变成等轴状回火索氏体+粒状碳化物，其中碳化物的析出量随温度的升高而逐渐增加，且细小、均匀分布；试验钢存在明显的二次硬化效应，二次硬化峰值硬度(52.8HRC)出现在600℃左右回火时，试验钢的冲击韧性随回火温度的升高而不断增强；
2)5Cr5MoSiV1钢经1050℃淬火，600℃回火保温1～2.5h时，若保温时间过短，马氏体分解不完全，当时间延长至1.5h以上时，马氏体完全分解，试验钢获得保持马氏体位向的回火素氏体，且随着回火时间的延长，马氏体位向变得越来越不明显，粒状碳化物有聚集长大的趋势；试验钢的回火硬度随回火保温时间的延长而降低，经回归分析可得回火硬度H与回火保温时间t之间满足关系式H=58.93-4.16t，与回火温度相比，回火保温时间对试验钢的冲击韧性影响不明显；
3)为了使试验钢在回火后获得较佳的强韧性配合，较佳的回火工艺为600℃×2h。

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盾构机刀具及其选用实例
摘  要：本文通过分析总结盾构各种刀具及其切削原理，阐明了在几种主要地质条件下如何选用刀具，并分析几个典型盾构刀盘刀具的配置实例，提出合理化意见。
关键字：盾构  刀具  选用  实例
1 引言
盾构刀盘的刀具是盾构机或掘进机施工的关键部件，针对不同的地质条件及施工情况，出厂后的刀盘常常在实际施工中需要改进，合理选用最为合适的刀具，直接影响盾构机刀盘的使用效果。
2刀具种类和工作原理
目前，按照盾构刀具的用途和工作原理一般可以将刀具分为以下几类：
2.1先行刀（又称撕裂刀、超前刀）
沿着刀盘面板看，先行刀高出齿刀一定距离，因此这样可以先行切割土体，“先行”也是由于这个原因而得名。先行刀的有效宽度一般较齿刀窄，能够更容易的插入土体，因此采用先行刀，可提高齿刀切割效率和减少其磨耗，另外先行刀也能增加切割土体的流动性。
     2.2贝壳刀
      贝壳刀实质上也是超前刀，但因其外形类似贝壳而得名。盾构机穿越砂卵石地层尤其粒径较大时，因为此种土体松散，滚刀会在掘进挤压下产生较大变形，因此切削效果不好。这种情况下可以使用贝壳刀，专用于切削砂卵石地层。
         2.3齿刀（又称切刀或刮刀）
齿刀分为普通齿刀和边缘齿刀（又称刮刀），其工作原理是随着盾构机向前推进，齿刀随刀盘旋转，进而对开挖面土体产生两个方向的力，分别是沿隧道前进方向的剪切力和沿刀盘旋转切线方向的切削力，在刀盘的转动下，刀头和刀刃插入到地层内部，从而不断将掌子面前方土体切削下来。齿刀是种软土刀具，一般适用于松散地层，如粘土地层或粒径较小的砂卵石地层等。
     2.4 仿形刀（超挖刀）
超挖刀一般安装在盾构机刀盘的边缘部位，施工时可沿刀盘边缘径向伸出或缩回。超挖刀一般最大伸出量在70到150mm之间。盾构施工有时姿态会产生偏差、或者盾构在转弯或曲线推进时，通过使用超挖刀切削土体，可以开挖出所需空间顺利实现推进，使用超挖刀施工有超挖少、对周边土体干扰小的优点。
        2.5 中心刀（鱼尾刀、锥形刀、中心羊角刀等）   
     中心刀顾名思义是在刀盘中心部位的刀，在软土地层掘进时，中心部位安装尺寸较大的鱼尾刀（羊角刀或纯硬岩地层为滚刀）可以提高盾构整体掘进速率，改善其周边土体的切削和搅拌效果，一般情况下鱼尾刀中心高度超过其他刀具。

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2.6 滚刀
      一般在纯硬岩地层掘进都采用滚刀破岩，其原理是依靠刀具沿刀具中心轴滚动，产生冲击压碎、剪切碾碎的作用，从而使岩石破碎。根据岩层的强度和整体性、掘进距离、含砂量等特点来确定滚刀的类型、数量、布置方式以及超前量。其应用范围除纯硬岩地层还包括：地质条件复杂多变的隧道，强度不算太高的岩石与粘土、砂土等一般土体交错频繁出现的地层施工等。
      2.7 辅助刀具
盾构机刀盘上除了以上主要刀具外还有许多辅助功能的用具，比如耐磨块、耐磨板、耐磨条，它们采用高强度、高耐磨性合金加工而成，不起切割作用，但经常安装在刀盘周围或砂石、土体流动易对刀盘进行磨损处。再比如刮碴板，其作用是将滚刀破碎的岩碴及时排出，防止滚刀对岩碴的二次破碎，保护滚刀。前刮碴板主要铲装刀盘前方的落碴，铲装量大，磨损较快，后刮碴板主要铲装下护盾推进中从隧道底部堆积起来的碴石，铲装量小，磨损较小。
          3 刀具的选用
盾构施工时要获得良好的切削效率、掘进速度等，需要充分结合实际的工程地质情况来选用合理的刀具种类和安装方案。根据目前中国的地质条件特点，地层大致可分为以下四种：
3.1砂层、砂卵石地层   在主要以砂、卵石为主的地层中，若遇到粒径较大的漂石或砾石，应选用滚刀进行破碎。另外在这种地层中还需选用中心刀、齿刀、重型撕裂先行刀、周边刮刀、仿形刀等刀具。代表地有北京、成都等。
3.2  软弱土地层   其地质主要以淤泥、粘土和粉质粘土为主，在软弱土地层一般只需选用切削型刀具，如：中心刀、齿刀、周边刮刀、先行刀和超挖刀。代表地有上海、南京、杭州等。
3.3  软硬不匀、风化岩地层  当在这种地层中且局部岩石的单向抗压强度较高时，除选用包括齿刀、先行刀等切削型刀具外，还需选择滚刀，这种地层下刀具构成较为复杂。代表地有深圳、广州等。
3.4  纯硬岩地层   如秦岭隧道，其断面是以混合花岗岩、片麻岩两种岩石为主，刀具全部选用滚刀。另外有时与滚刀相配合的还需安装刮碴板。
4 刀具选用实例
4.1南水北调中线ⅡB标穿黄工程
穿黄工程采用9米直径泥水平衡盾构机，厂家设计刀盘共布置齿刀90把，先行刀两种共22+6=28把，边缘刮刀16把，中心鱼尾刀1把，17"双刃滚刀2把，仿型刀1把。其中齿刀是安装数量最多的刀具，用于开挖大部分开挖断面；先行刀起到预先疏松土体的作用，在开挖面沿刀盘面板方向径向分层开挖，降低了齿刀的冲击荷载和切削力矩，加强先行刀用于破碎强度较低、粒径较小的卵、砾石；边缘刮刀用于切削刀盘周边的土体，保证开挖断面的直径大小；为了疏松中心部分土体和确定刀盘中心，采用中心刀开挖刀盘的中心断面；刀盘上还装有仿形刀，用于特殊情况下的曲线开挖或纠偏。滚刀用于破碎河道下推进时可能遇到的粒径较大的砾石。

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出厂时的刀盘
在实际施工中，穿黄地质条件有粘土、粉质粘土、中砂、粗砂层等，且砂层中零星分布砂砾石透镜体，以及卵石等，是3.1及3.2所述两种地质的综合，且加上黄河历史上多次改道，这就决定了该盾构施工地下地质条件极为复杂。
    穿黄施工挖掘出的代表性样品
盾构机刀具出厂的配置设计基本满足要求，但对地层中石英、卵石、钙质结核古土壤强度估计不足，实际施工中刀具磨损严重。此后，通过项目部和专家多次分析论证，对刀具刀盘实施了修复改造，加装了6把滚刀，在刀盘外援加装耐磨条，辅臂的外援及边刮刀增加合金耐磨块，并边刮刀加保护刀，加强关注地层变化及刀具磨损情况，最终使隧道顺利贯通。边刮刀及辅臂的外援增加合金耐磨块
4.2郑州市轨道交通1号线一期土建05标
郑州地铁采用直径6.25m的土压平衡盾构机，刀盘采用面板式，设计应付软岩地层，包括1把中心鱼尾刀，100把齿刀，70把背壳刀，16把边缘刮刀，1把超挖刀。在刀盘主臂及辅臂的两侧布满有齿刀。由于盾构机掘进需要正反旋转刀盘，因此在正反两个旋转方向均“对称”布置了齿刀，另外推进时在运动的每条轨迹上安装了至少2把齿刀，这样可以保证其在一把损坏的情况下还可以继续切割土体。刮刀安装在刀盘边缘，因在盾构推进中刀盘周边轨迹线相对较长，磨损后对盾构成洞尺寸影响较大，因此刀盘八根臂的端头在正反方向各布置了1把共16把刮刀。刀盘上设计了70把贝壳先行刀，将其布置在刀盘盘圈前端面，比刀盘面板出190mm，比齿刀高出50mm，用于切削地层中可能的砂卵石或硬质结核。另外刀盘边缘安装有1把超挖刀（如下图示），行程50mm，以应付350m小区率半径的顺利曲线推进、转弯及纠偏。刀盘的受力需均匀，否则结构容易损坏，因而从图中也能看出刀具布置具有“对称”的特点。采用螺栓固定刀具，这样在刀具损坏的情况下便于更换。刀盘周围有一圈耐磨保护块，耐磨材料及硬质合金镶在齿刀、刮刀的刀口和背面，可以增加刀具的耐磨性，刀座有硬质堆焊层保护。
郑州地铁的盾构机刀盘                      刀盘边缘的超挖刀
结合盾构区间地质状况，进一步深入分析刀具配置，会发现整个刀盘刀具较多，个别处刀具过密，这就导致了施工中形成强度较高的泥饼（如下图），严重影响了切割土体的工作效率。由于地层中砂卵石极少，黄农区间刀具几乎没有磨损，因此应当适当减少背壳刀在内的刀具数量，更合理布置刀具位置，并改进泡沫剂、加大泡沫剂的冲刷力度，改进后的措施保证盾构机顺利地通过了以后的进出洞段及区间掘进施工段。

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   4.3十六局广州地铁项目
广州地铁施工地质为3.3所述风化岩及软硬不均地层，在主要穿过较坚硬岩层中，有部分位于软土层及一般的软硬混合地层。
盾构机刀盘采用面板式，在刀盘上安装齿刀 64 把、滚刀 19 把（6把中心滚刀、8把正面滚刀，5把仿形滚刀）、周边刮刀 16 把。针对对于岩层特点，首先通过滚刀进行破岩，且滚刀的超前量大于齿刀的超前量，在滚刀磨损后仍能避免齿刀进行破岩，确保齿刀的使用寿命。在曲线半径小的隧道掘进时，为了保证盾构的调向和避免盾壳被卡死，需要有较大的开挖直径，因此刀盘上还配置了滚刀型的仿形刀。其他刀具配置原理类似，在刀盘主臂及辅臂的两侧布满有齿刀。齿刀正反方向布置以适应刀盘正反旋转，推进时在运动的每条轨迹线上安装了至少2把齿刀，同样保证其在一把损坏的情况下另一把还可以继续工作。因在盾构推进中刀盘周边轨迹线相对较长，磨损后对盾构成洞尺寸影响较大，因此同样也安装了16把刮刀（如下图）。通过合理化的选择，该盾构机首先顺利贯通了广州地铁五号线，并且通过这个阶段各设备零部件也磨合到位，在后来的广佛11标段，盾构机也以最佳状态成功完成了施工。
            5 结束语
总之，刀具的选用关系到盾构能否顺利掘进，必须根据地质状况认真研究分析。做好对刀具监控、分析、比较、摸索，配置与之适合的最优刀具组合，并加强对地质情况的关注，总结改进刀具的使用方法，才可以最大程度的延长刀具的使用寿命，减少换刀频率，降低施工风险和成本，使施工又快又好的进行。

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广州地铁复合地层盾构技术的探索和突破

1前言

1997年10月，广州地铁一号线采用的3台盾构机在广州复合地层中成功修建了8.9km地铁隧道，结束了当时能否在广州市区复合地层中使用盾构法修建地铁隧道的争论，使盾构法在广州的地位得以确立，并为1999年以后广州地铁二号线、三号线、四号线大幅度采用盾构技术修建地铁隧道奠定了基础。至今，在广州使用盾构法已修建地铁隧道约80km（见表1）。在此过程中大量技术难题的处理着实为在复合地层的盾构施工积累了宝贵的经验。

2广州地区复合地层的概念与特点

广州地区复合地层最重要的特点是工程范围内的岩性变化频繁，物理力学特性差异大，基岩风化界面起伏大，断层破碎带分布密集，含水量差异明显。具体表现为：同一里程隧道横断面表现为上下或左右软硬不均，在隧道纵剖面上表现为软硬相间，其中隧道断面地层的复合特性，对盾构施工的影响尤为明显。盾构隧道埋深一般在l0～30m，隧道断面及上覆的地层从地表至下依次为：

上部：第四纪软土层，主要由杂填土、流塑～软塑淤泥层和富含水砂层组成。

中部：第四纪残积层，该层是沉积岩、岩浆岩、变质岩等三大母岩地层风化后残积形成，可塑、硬塑～半固结状态粘土和砂质、砾质粘性土。

下部：大部分地区是由不同风化程度的白垩系砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩及少量泥灰岩组成；少部分是由不同风化程度花岗岩或花岗片麻岩及混合花岗岩组成。

2.1根据施工实践，对盾构机掘进有不利影响的典型工程地质和水文地质

2.1.1残积土的粘土以及泥岩类岩石经研磨后形成的粉粒状矿物质，在受压、受热、受湿环境条件下，会在刀盘表面或土仓内形成泥饼。

2.1.2上软下硬或上硬下软的不均匀地层难以全天候进行动态平衡控制，易导致顶部坍塌。

2.1.3软硬地层突变及花岗岩地区的球状风化体，会使刀盘变形和刀具崩裂（见图1）。

2.1.4富水断裂带和岩石破碎带等地层会导致螺旋输送机出土口涌水涌砂，造成施工困难；

2.1.5过江河或砂层、淤泥层，易失水和扰动引发大的沉降；

2.1.6土压平衡状态施工遇到石英含量的地层时，刀具磨损严重。

3盾构机对复合地层适应性的因素研究

就目前盾构技术的发展水平，企图制造出完全适应类似广州地区复合地层掘进的盾构机的想法是不现实的，所以，广州地铁多年的探索实践和总结，归纳出以下若干问题很值得在今后盾构机的设计和制造方面加以重视和研究，以提高盾构机对复合地层的适应性。

3.1设计寿命

盾构机设计寿命的提高对复合地层中盾构机的掘进施工影响较大，区别于单一均质地层，在复合地层中的最大不同点是，盾构机本身在设计上就必须考虑到对付千差万别地层变化。设计寿命作为一个反映盾构机综合性能的重要指标，其寿命的长短将直接关系到其应付各种地质条件的可行性和安全性。例如，在广州地铁使用引进的盾构机当中，部分按主轴承4000h、掘进3km使用寿命设计的盾构机所表现的对付不同性质地层的掘进能力明显不如那些按主轴承10000h、掘进10km使用寿命设计的盾构机。为了保证10km的使用寿命，盾构厂家主要在钢结构的强度和主轴承密封系统进行了明显的优化。

3.1.1主轴承等密封系统的优化：目前使用的维尔特盾构机主轴承密封和铰接密封是非常独特和高度可靠的，主轴承密封系统通过油脂连续流动保护密封性能，密封系统由5道专门为隧道开挖应用而设计的迷宫密封和唇型密封组成（见图2）。

3.1.2刀盘等钢结构强度的优化：通过增加刀盘厚度（450mm），刀盘总重量（由原来的32t到48t再到目前57t），刀盘的周边面板焊接有格栅状的和Hardox耐磨材料，充分保证刀盘在岩层掘进时的刚度和耐磨性能。盾构每把刀具能承受25t的压力，使刀盘刀具标准破岩强度可达到200MPa以上。

3.2主要技术参数

盾构机的推力和扭矩取多大合适，一直是研究的重点。对于同一个项目，不同的制造商或承包商给出的盾构机主要参数，如刀盘转速和相应的扭矩相差甚远，这表明：不同的制造商对同一地区的地质条件的理解和认识明显不同。事实上，依据于地质特征的盾构机参数计算模式的局限性是显然的，目前还无法用一个或几个数学模型来准确模拟开挖介质，即千变万化的广州地质特征。广州的盾构施工实践已经把类似地质条件、同直径（约6m）隧道对盾构机主要技术参数，如最大推力、额定扭矩等，提出了明确的要求。

3.2.1总推力：盾构机掘进所需推力的大小一方面受限于掘进速度的要求，另一方面受限于隧道管片的承受力，33000～35000kN的设计推力可以满足要求。

3.2.2刀盘扭矩：从额定扭矩为3500kNm、4360kNm、5800kNm等不同盾构机施工中的不同表现来看，4500kNm的折衷选择是合理又经济的；广州的盾构掘进表明，设计时就考虑最大扭矩（脱困扭矩），将更有利于应付难以预计的实际情况。

3.2.3刀盘转速：至于刀盘的转速，已经应用盾构机刀盘转速从0～1rpm、0～3rpm、0～6rpm不等，并由“有极调速”优化为“无极调速”。

3.3刀盘开口和刀具的配置

选择刀具配置，应充分研究刀具的均衡性原理各种刀具的破岩机理（见图3），除考虑各种刀具的轨迹覆盖整个刀盘面外，刀具的组合形式、刀具的高度及高度差等性能或指标也很重要。

3.3.1刀具的型式和超前量：刀具配备型式必须统筹兼顾全断面软弱地层、全断面硬岩层、同断面局部软弱、局部硬岩层，还要考虑随着不同开挖面性状，灵活地变化刀具组合，有利于防止泥饼的形成和破除。（例如，某区间盾构机滚刀高出盘面175mm，刮刀高出盘面140mm，二者高差35mm的设计，对一度困扰广州地铁盾构施工的难题——泥饼的形成，起到良好的抑制作用（见图4））。同时，进行相同位置不同刀具的互换性研究，以便掘进过程中便捷地拆装更换刀具。

为了提高推进速度，减小刀具的磨损或破坏，施工中强化对工作面地质条件的研究和预测，根据不同的地层，及时更换与地层相适应的刀具，已经成为复合地层盾构施工的重要手段。

3.3.2刀盘的开口率在加强刀盘结构强度和刚度的同时，地铁二、三、四号线刀盘的开口率较一号线提高了5％～15％。尤其是对中心部位开口率进行改进和提高，对防止结泥饼起了明显的作用。

3.4螺旋输送机的功能优化

3.4.1结构型式的改变：在广州曾经使用过两种结构型式的螺旋输送机。其一是中空的带式螺旋，这种螺旋结构便于出土，但在防止喷涌方面效果不好；其二是中心轴螺旋，这种螺旋结构在实际应用中对开挖面的稳定和防止出土口喷涌等方面更有效，更适合于掘进富水断层或穿越河涌。

3.4.2叶轮的外缘耐磨性能的提高：螺旋输送机表面的耐磨性能的提高十分重要。例如在某区间，以土塞段为分界线，土塞段前部的螺旋带外焊接40mm厚的HARDOX-500耐磨钢板，土塞段以后的螺旋带外焊接20mm厚的HARDOX-500耐磨钢板，对螺旋输送机起到了良好的保护作用。

3.4.3功能的加强：螺旋输送器直径从Ф750增加到中Φ900，扭矩由60-90kN·m，增加220kN·m，、以满足快速掘进的要求。

3.5渣土改良设备

在类似广州地层盾构施工过程中必须进行渣土改良，这一点已经逐渐成为施工各方普遍共识。渣土改良设备能向土仓和开挖面注入添加剂（如泡沫等），同等条件下，既可以降低刀盘、螺旋输送机的扭矩，降低盾构机的负荷，降低刀具的磨损，又可以防止产生泥饼，在渗透性大的地层还可以减少地下水的流失、控制土体平衡，有利于沉降控制。

在广州地铁曾使用的盾构机刀盘面板上的数量随着人们认识的加深而不断增加，即由最初的1～4个，增加到8个，同时，在盾构机设计时就充分考虑渣土改良设备与添加剂的使用等，已成为保证盾构机顺利掘进不可缺少的手段（见图5）。

3.6人仓及加压环境下作业设备

可以作为加压环境下作业保护屏障的人仓对在广州的复合地层盾构机施工具有特殊意义。主要表现在通过软硬不均或球形风化孤石、开挖面常压下不能自立的地段，通过人仓加压环境的建立可成为排除掘进障碍、更换刀具降低安全风险等作业的不可缺少的条件。甚至在某些区间通过人仓的加压环境更换损坏的刀具已成为一项通常的作业，至今三号线共46次使用气压技术进行换刀。与其相配套的还有压力环境下专用的破岩设备、刀具拆卸和更换工具，以及有关医疗设施等（见图6）。

3.7刀盘轴向平移装置

刀盘轴向伸缩平移装置主要用途在于能避免开挖刀盘前方坚硬的岩石，并及时在硬岩地层中快捷地更换刀具。在三号线市番区间首次采用，刀盘200mm伸缩空间确实为硬岩中的刀具更换和顺利掘进带来了很大的方便。第一次使用，发挥了良好的作用，为类似地质条件下防止喷涌提供了根本性的解决方案。

3.8保压泵碴系统

土压平衡盾构机螺旋输送机保压泵碴系统，是补充增加的泥水加压出渣系统。该系统能在喷涌等难以保持土仓平衡的情况下，继续保持土仓压力并且保证碴土能顺利出至矿车，防止污染隧道，更有利于连续施工。该系统在四号线小新区间海瑞克盾构机中使用过。

3.9辅助施工设施

激光导向系统、同步注浆系统等辅助施工设施，对于复合地层中盾构机施工保证隧道轴线控制和盾构隧道的质量起到十分重要的作用。

3.10改善盾构作业施工环境

进一步提高整机的人性化设计，使得盾构机的使用和维护更加方便，如在不影响整体性能的条件下，将盾构机中体中的部分元件后移至台车上，方便作业人员的通行和维护。

4盾构施工技术的探索和突破

围绕盾构机始发、到达、穿越珠江、切桩、调头，通过暗挖段施工、硬岩地层掘进、带压进仓作业等课题，积极进行探索和开展科技攻关，解决了诸多属于复合地层掘进的技术难题，取得了一系列突破。兹将盾构机穿越各类地层的施工技术要点总结如下。

4.1穿越硬岩地层

4.1.1采用敞开掘进模式；加大刀盘转速，控制贯人度；经常性对刀具检查和更换；特别是边缘扩孔刀的及时更换（见图7）。

4.1.2严格控制姿态的变化，保证开挖面和刀盘面的平行，绝对禁止急纠方向。

4.1.3在掘进时合理使用发泡剂，控制浓度3～8％，降低温度和减少摩擦，以保护刀具，提高掘进效率。

4.1.4条件许可时可采用矿山法成洞后，再由盾构拼装管片的方法。大汉区间在220m硬岩段就是成功采用该方法通过，克服了盾构机掘进该硬岩地段速度慢、成本高的缺点。四号线小新和三号线市番盾构也先后采用该方法通过硬岩段。

4.2穿越上软下硬地层

上软下硬地层掘进过程中，最大危害是下面硬地层造成掘进速度慢，但在较慢的掘进速度下，上面的软土容易造成超挖，导致地面严重沉降。

4.2.1掘进过程中严格控制土压，土仓压力不得小于主动土压，严格控制出土量（建议每环至少检查并确认三次）；在停机期间，土仓压力足够保持开挖面稳定。

4.2.2掘进时向土仓内及时足量诸如膨润土等具有稳定开挖面的添加剂。

4.2.3根据实际调节推力，减小刀具在岩层交界面碰撞强度；降低刀盘转速，防止软硬界面处刀具的崩裂。

4.2.4采用压气作业，经常性进行刀具检查和更换。

4.2.5掘进过程尽可能连续，尽量避免停机。

4.3穿越孤石群

4.3.1采用地质钻探、物探等方法进一步探明孤石及上软下硬地层分布。

4.3.2在地面具备条件的地方进行预加固或采用从地面钻孔爆破、冲孔清除。

4.3.3采用压气作业和预先加固地基，经常性进行刀具检查和更换。

4.3.4优化掘进参数：包括推力、刀盘转速、土仓压力、泡沫剂加量等。

4.3.5采用特殊洞内加固措施进行刀具检查和孤石处理。

4.3.6采用洞内静态爆破、炸药爆破以及特殊工具（液压分裂机）来清除孤石（见图8）。

三号线市番、天华盾构隧道花岗岩及球状花岗岩地层的岗石强度均超过160MPa，是广州地铁盾构施工所遇到的最硬的岩石。通过综合使用以上方法，并采用盾构机前方静态微膨胀爆破、火力爆破、液压分裂机，及冲孔桩等技术成功破碎档在盾构机前方破碎孤石。

4.4穿越江河、过河涌或水塘、富水地层

广州地铁已经有20台次穿越珠江、河涌的经验，逐渐形成了盾构机过江、涌时要把握“护头保尾”原则（始终保持盾构机头土仓压力稳定和盾尾密封良好），并利用信息化施工手段，及时调整盾构机各种参数，充分考虑各种可能性做好应急预案等方面，为盾构机顺利穿越江河进行了有益和成功的尝试（见图9）。

            

4.4.1盾构设备性能是能否树立进行过江施工的关键。因此在过江前，必须对盾构机进行全面系统地检查与维修，保证盾构在性能完好。

4.4.2正确设定掘进参数。土仓压力设定考虑到海水涨落的影响，严格控制出土量。在停机期间，关闭螺旋输送机出土闸门，以保持土仓压力。

4.4.3特别注意地下水浮力问题。在富含地下水的硬岩地层中掘进时，管片所受到的浮力远与其自重，管片在浮力作用下产生上浮。为此，必须调整浆液配合比，缩短其凝结时间，迅速稳定管片；盾构掘进过程中全程（包括换车、拼装管片期间）注浆相当重要。

4.4.4随时加注盾尾油脂，保持盾尾密封始终具有良好的密封效果。

目前穿越珠江最宽的是南珠江水面宽度为505m，仅用50d通过，沥大区间右线盾构仅历时一个月即穿越312m宽的珠江三枝香水道，创泥水盾构过江的纪录。珠客区间右线盾构仅历时22d即穿越318m宽的北珠江，创土压平衡盾构过江河的纪录（是二号线过江的5.78倍）。

4.5穿越砂层

由于砂层具有渗水系数大、粉细砂层易液化、粘性砂层流动性好等特点，因此，盾构机通过该地层时，易发生地层的土力学特性变化，如桩基处于砂层中，砂层受扰动后，降低了桩与土体之间的摩擦力，消弱了桩基的承载力，造成建筑物沉降。因此怎样减小对砂层的扰动，是安全过砂层的首要问题。

4.5.1盾构机在砂层中通过时，将采取土压平衡模式掘进，增大盾构机的推进速度，降低刀盘转速，确保土仓压力以稳定开挖面，应严密监测和控制地表沉降。

4.5.2向盾构机土仓中加入膨润土或聚合物等添加剂，改善土仓中砂、土、水混合物的流动性，使其成为一种塑性流动体，满满地通过盾构机螺旋输送器和输送带流出，避免喷涌。

4.5.3调节螺旋输送机的转速或闸门开度控制出土量；采取逐斗控制出土量的方法控制。

三号线市番、大沥、沥大和珠客都成功通过砂层。

4.6盾构穿越断裂带

富水断层最突出的地质特点是岩石破碎且单个碎块硬度大（见图10）、强度高、地下水丰富，补给异常迅速。值得指出是，在这类地层中不仅盾构机螺旋输送机出口容易出现喷涌，而且该地层对盾构机刀具的磨损甚至破坏也是相当严重的，曾出现过多次在这种极端不良的地质情况下停机更换刀具的情况。一般情况下，从地面或盾构机内对前方地层进行适当的加固是必要的。

4.6.1对断裂带进行详细的地质补充勘查。

4.6.2穿越断裂带前尽可能开仓更换、维修刀具，如果断裂带地层不能自稳时，可采用垂直袖阀管注浆等技术对地层进行预加固。

4.6.3采取土压平衡模式掘进，加大泡沫剂的用量以改良碴土，在断裂带施工中，碴土改良相比较硬岩段来说更为重要。

某区间在遇到断层时对前方断层土体进行加固之后，仍无法阻止异常丰富的地下水，后来只能利用盾构机仓壁上的预留孔，穿过刀盘的中间的空隙，向盾构机前方断层内插入引水管，引排水量一度达到2000m3／d，有效地降低了地下水压，保证了稳定切削面的稳定，实现了安全开仓，更换刀具，再次掘进。

三号线汉市、大汉和天华都成功通过榄塘、礼村和瘦狗岭断裂带地层。

4.7盾构穿越有害物质地层

在三号线汉市盾构遇到劣质煤层的地层，开仓后有强烈的刺激性气味的气体，通过仪器测量发现，甲烷气体浓度偏高，一氧化碳浓度严重超标，通过采取如下措施，安全度过了危害物质地层。

4.7.1加强培训和宣传，提高全体施工人员安全意识。

4.7.2购置大量防护用品以防万一，严禁井下动火作业，在井口设置安全检查，严禁将烟火带人洞内。

4.7.3对井下有害气体的浓度进行时时监测并记录。

4.7.4加强排风降低井下有害气体的浓度达到安全标准后再进行作业。

4.8盾构穿越重要房屋、构筑物和桩基础

为确保施工不影响地面建筑，顺利切除已废除的桩基，避免造成地面沉降超限，危及建筑物安全，特对隧道的掘进施工提出以下要求：

4.8.1采取土压平衡模式，土压、刀盘转速严格按指令执行；逐斗控制出土量。

4.8.2掘进过程应保证同步注浆以及时稳定地层，如盾尾注浆跟不上，必须降低掘进速度以确保每环注浆量。对启用的备用注浆管，要注意维护，确保4条注浆管路的通畅。

4.8.3盾构掘进过程中，要注意发泡剂及水的合理使用，一方面可以改善土的性质，加强对刀具的保护，提高掘进效率，另一方面可避免发泡剂管路搁置而堵塞。

4.8.4掘进及注浆施工过程中，安排专人对该段地面及建筑物进行24h（间隔不大于2h）观测，并将监测结果及时口头上报，同时整理成书面形式，并画出主要监测点的沉降变化曲线图。

4.8.5当地质情况比较复杂又不易确定时，应密切监视土压显示、观察螺旋机的出土情况和结合地面监测，判断开挖面有无涌水和坍塌现象发生，以便及时采取对策。

4.8.6刀具硬度仅对桩基中Φ8mm以下的钢筋具有切割能力。对于小的沉管灌注桩一般可以由盾构机直接破碎，慢速通过；对于大的钻孔灌注桩，则需要采用压气作业进入土仓进行人工清除。

在三号线天华盾构区间内，处理进入隧道范围内的华工科技楼69根直径500mm、强度等级80MPa预应力钢筋砼管桩时所采用的钻冲切割拔除法，属国内首创。三号线盾构隧道用483根新桩基托换了359根旧桩基，并拨除了69根侵入遂道内的桩基，创全线托换桩基数量之最。

5结束语

对复合地层盾构机适应性问题的探讨，以及进行复合地层盾构施工技术研究，至今仍是世界隧道建设中的重大课题。广州地铁经过10年来盾构施工的实践，为这一难题的解决做出了重要贡献，也必将为盾构技术发展史上留下一笔重彩。

Wangqinghua196

湘寒月/yl 发表于 2013-11-7 13:08
广州地铁复合地层盾构技术的探索和突破1前言1997年10月，广州地铁一号线采用的3台盾构机在广州复合地层中成 ...

秘密等级啊！

孤鸿踏雪

湘版这个解密了，不交给烧总换点银子花花？

孤鸿踏雪

湘版这个解密了，不交给烧总换点银子花花？

湘寒月/yl

孤鸿踏雪 发表于 2013-11-7 14:32
湘版这个解密了，不交给烧总换点银子花花？

最关键的就不会讲了，烧总找我也没用。。。。。。。。。。。。。。。

湘寒月/yl

Wangqinghua196 发表于 2013-11-7 13:56
秘密等级啊！

这是要汪总指导的，不算核心机密。。。。。。

孤鸿踏雪

湘寒月/yl 发表于 2013-11-7 16:53
最关键的就不会讲了，烧总找我也没用。。。。。。。。。。。。。。。

可以让烧总做经纪人，帮你换点银子

湘寒月/yl

孤鸿踏雪 发表于 2013-11-7 17:00
可以让烧总做经纪人，帮你换点银子

哪个可不敢，这不是闹着玩的。我是保密级别很高的。

Wangqinghua196

湘寒月/yl 发表于 2013-11-7 16:53
这是要汪总指导的，不算核心机密。。。。。。

我像老孤学习，也搞了个湘寒月的珍藏版呢！

shaod

我们可以试着破解吧？呵呵呵

楼主如果配上图片就清晰了，看得我都晕了。

shaod

这与挖煤截齿差不多吧？？？

湘寒月/yl

shaod 发表于 2013-11-7 21:38
这与挖煤截齿差不多吧？？？

两回事，两个不同的概念。。。。。。。。

shaod

湘寒月/yl 发表于 2013-11-7 22:13
两回事，两个不同的概念。。。。。。。。

整个图片看看吧，没有个概念的对这个东东

dhzhou888

shaod 发表于 2013-11-7 22:17
整个图片看看吧，没有个概念的对这个东东

这个最好看看视频，比较直观。

见仁见智

        先向 湘寒月朋友及其团队这两年将材料工程和热处理技术应用于高端机械上取得了重大成果表示衷心的祝贺！
     在日常的市场活动中，我们可以看到，对热处理质量的评估，各个知识层次的人士都能遇到。比如，有的人听说某重要零件是经过热处理的，就认为是好东西；有的人听说是委托某某大公司进行热处理的就放心了；有的人听说是在某某热处理工程师所在单位进行热处理的就认为很可靠；还加上什么ISO9001、CQI-9.....，给人一种可信可靠——煞有介事的精神支撑。
　　在我们热处理行家眼中，可不是这么一回事。我们的眼中，没有盲从成分，也就是对既定钢号，如果都用同一手册中的工艺数据进行热处理，不同的厂家获得的质量水平是有差别的，甚至相差甚远。特别是在那些重要零件上，更是有艰辛的劳动、过人的智慧——惟妙惟肖的底蕴函盖其中！
　　比如，高速钢刃具的热处理技术，不论你看多少书，手中握有多少资料，一个普通的热处理部门，要稳定的赶上专业工具制造厂的热处理质量水平，几乎是不可能的。何况，各专业制造厂生产出来的刃具也有好和更好之别。
　　湘寒月朋友的文章很精彩，据他自己说只是属于科普知识。也让我们看到，要干的好一些已经很难，更好，再加好，要走的路还很长

湘寒月/yl

见仁见智 发表于 2013-11-8 09:55
先向 湘寒月朋友及其团队这两年将材料工程和热处理技术应用于高端机械上取得了重大成果表示衷心的 ...

谢谢见仁见智 朋友点评，盾构是一个新兴产业，大多都是在效仿国外，都是在学习消化。不过在国内能做得好的还真的不多。。。。

wanggong

盾构?似乎原南昌齿轮厂也做这个,还有个专门的分公司.地址在原南齿位置或华东交通大学旁边.印象中坐在车上见过盾构公司厂门厂牌.周末有时间可以去看一下.

Wangqinghua196

湘寒月是个事业型的人，我们赶不上啊！

湘寒月/yl

盾构机的构造工作原理盾构机的构造工作原理.ppt(16.16M)

湘寒月/yl

dhzhou888 发表于 2013-11-8 08:12
这个最好看看视频，比较直观。

盾构工艺简介盾构工艺简介.ppt(3.98M)

shaod

湘寒月/yl 发表于 2013-11-9 19:03
盾构工艺简介盾构工艺简介.ppt(3.98M)

谢谢您的分享！
前面所说的那个构件就是负责向前掘进的工具么？

湘寒月/yl

shaod 发表于 2013-11-10 07:11
谢谢您的分享！
前面所说的那个构件就是负责向前掘进的工具么？

是的，我们做盾构刀具，就是盾构机上的牙齿。。。。。。

shaod

湘寒月/yl 发表于 2013-11-10 07:50
是的，我们做盾构刀具，就是盾构机上的牙齿。。。。。。

这个牙齿就像是截齿吧？

mayi

湘寒月提供的《盾构掘进》视频文件。
%E7%9B%BE%E6%9E%84%E6%8E%98%E8%BF%9B.mpg(224.37M)
如果以上链节不顺利，还可以从以从下链节下载。
http://yunpan.cn/Q9Xa7xqG7c82R

wanggong

这个盾构分公司私营了!
盾构在地铁建设中有用到.

湘寒月/yl

wanggong 发表于 2013-11-11 12:12
这个盾构分公司私营了!
盾构在地铁建设中有用到.

王工，你可以百度株硬盾构。。。

wanggong

湘寒月/yl 发表于 2013-11-11 12:55
王工，你可以百度株硬盾构。。。

好的,不过只能下班之后啦!
上班办公电脑进不去嘀,仅此止步!包括上面很多帖子,我上班都是进不去啊.

湘寒月/yl

对，我在这家公司管生产及质量，还有所有的热处理技术、质量等等

湘寒月/yl

无水砂卵石地层盾构刀具磨损状态和规律

摘　要：本文介绍了北京地铁十号线二期17标火器营站～终点站区间及长春桥站～火器营站区间无水砂卵石地层盾构施工采取的措施。展示了无水砂卵石地层对盾构刀具的磨损情况，并讨论了刀具磨损的规律及刀具磨损与施工参数的关系。施工前对刀盘进行合理改进，施工中严格控制掘进参数，有效控制地表沉降、维持开挖面稳定，减小刀具磨损。最终使盾构顺利完成无水砂卵石地层施工，并对今后盾构在此类地层中施工提供借鉴。
关键词：盾构　无水砂卵石地层　切口添加材料　施工参数　刀具磨损状态　刀具磨损规律

      北京地铁10号线二期17标段，长春桥站（远大路站）～火器营站区间和火器营站～终点区间，隧道穿越的主要地层为粒径在 20～60 mm 之间的卵石层，最大粒径不小于 380 mm，且粒径大于 20 mm 的卵石占总质量的 50%～70%，土体自稳能力一般。
      盾构在此地层中掘进，刀具磨损严重，开舱换刀频繁，经常导致工程事故的发生，加大了施工风险和工程费用，成为制约盾构工法广泛使用的一个重要因素。如何控制地表沉降、维持开挖面的稳定，减小刀具磨损，对盾构在此类地层中施工有非常重要的作用。根据火～终区间盾构刀具的磨损情况，严格控制切口添加材料的注入量及施工参数，并对刀盘进行合理改进，有效减小了长～火区间盾构刀具的磨损。
      针对此类地层，本标段采用两台日立土压平衡盾构机，盾构机外径 6 150 mm，刀盘最大开挖直径6 180 mm，刀盘为辐条式并采用中部支撑方式。

1　工程地质情况
1.1　长春桥站～火器营站区间
      长春桥站～火器营站区间隧道长约 617.548 m，隧道顶板覆土厚度 7.20～10.00 m，隧道结构顶板标高为41.490 ～ 43.916 m。本区间位于北京城区西北部，北京平原区永定河冲洪积扇内，沿线地形基本平坦。按地层沉积年代、成因类型，将本工程场地土层分为人工堆积层，第四纪新近沉积层，第四纪全新世冲洪积层和第四纪晚更新世冲洪积层四个大层。区间结构位于卵石⑤层中。
1.2　火器营站～终点区间
      火器营站～终点区间盾构隧道总长约 938 m，下穿京密引水渠长度约为 70 m。本区间地面标高为 48.52（京密引水渠底）～51.50 m。本区间位于北京城区西部，北京平原区永定河冲洪积扇内，沿线地形基本平坦，地面略有起伏。除表层人工填土外，岩土以第四纪沉积物为主。按地层沉积年代、成因类型，将本工程场地土层划分为人工堆积层、新近沉积地、第四纪全新世冲洪积层和第四纪晚更新世冲洪积层四个大层。区间结构位于卵石⑤层中。

2　火器营站～终点区间盾构掘进
2.1　施工参数
      火～终区间各阶段盾构主要掘进参数的平均值如表 1 所示 ：


2.2　刀盘及刀具磨损状况
      盾构始发前，盾构机刀盘为原装刀盘未经过任何改进。如图 2 所示 ：

      由于盾构机在掘进阶段出现了膨润土管路堵塞的情况，使膨润土注入量不足，虽然经过疏通后膨润土注入量得以提升，但是不能保证所有注入口都能正常工作，且刀盘布局存在一定的不合理情况，造成刀盘及刀具磨损严重。
      刀盘盘体直径应为 6 100 mm， 出洞时为6 070 m m， 磨损 30m m（ 图 3）；刀盘厚 度 应为350 m m，出洞时为 235 m m，磨损 115 m m（图 4）边刮刀原始高度为 230 mm，出洞时为 210 mm，磨损20 m m（图 5）；齿刀原始高度为 230 m m，出洞时为210 ～ 215 m m，磨损 15 ～ 20 m m（图 6）；内周先行刀原始高度为 150 mm，出洞时为 125～130 mm，磨损20 ～ 25 m m（图 7）；外周先行刀原始高度为 150 m m，出洞时为 110 mm，磨损 40 mm（图 8）。



      根据以上图片显示盾构刀盘盘体及刀具磨损严重，部分刀具完全磨损，对正常推进产生严重影响，存在区间中途换刀的风险。针对刀具磨损情况，采取改进刀具布局与严格确保切口添加材料（膨润土）正常注入两种方式，减少刀具磨损，回避换刀风险。

3　长春桥站～火器营站区间盾构掘进
3.1　改进刀具布局
      根据刀盘及刀具的磨损情况对刀具布局进行改进，在磨损严重的刀盘钢环及外周先行刀等部位进行强化处理。具体处理措施如下：
      （1）增加 6 把外周先行刀。原刀盘外周先行刀磨损严重，有的甚至完全磨掉。因此将外周先行刀由原来的6 把，增加为 12 把，由每两根辐条中间 1 把变为 2 把。通过增加同一轨迹上刀具数量的办法，减小对刀具的磨损（图 9）。
      （2）增加保径刀12 把。针对刀盘钢环磨损严重现象，增加保径刀 12 把，保径刀母材嵌入刀盘钢环内，合金块比刀盘钢环高 20 mm，长 350 mm，12 把保径刀均与分布于刀盘钢环上，能有效减少砂卵石对刀盘钢环的磨损（图10）。

      （3）增加 6 把背后保护刀并在前盾开口。刀盘背后磨损 115 mm，磨损严重，需要重点保护。通过分析刀盘背面的磨损应为土仓内的土体造成，且刀盘与盾壳的距离仅为 20 mm，卵石卡在其中无法排出使刀盘磨损严重。因此在前盾土仓位置开 4 个豁口，使卡在刀盘与盾壳之间的卵石能够排出，并增加背后保护刀 6 把，均匀分布在刀盘钢环上，保护刀嵌于钢环内，合金部分高出刀盘 15 mm（图11、12）。
      （4）外周端面增加耐磨网格。针对刀盘钢环磨损严重，在刀盘外周端面以网格形式堆焊耐磨层，耐磨焊材使用日本神钢 HF-800K 耐磨焊丝，堆焊高度 5 mm（图 13）。
      （5）增加保护快。为对刀盘钢环进行加强，增加保护块（300 mm）36 块，保护块（155 mm）24 块。保护快高 20 m m，下半部分为母材厚 10 m m 材质为 Q235，上半部分为碳 - 铬合金耐磨堆焊，厚10 m m（图 14）。


3.2 保证切口添加材料（膨润土）正常注入
      在推进过程中膨润土管路堵塞严重曾一度无法正常注入，造成土体改良能力下降，同等推力下盾构贯入度由 26 mm/ram 降低至 13 mm/ram，且刀盘扭矩始终维持在 3 500 ～4 000 kN m，使刀盘及刀具磨损严重。图 15 所示为中心回转体内膨润土管路的堵塞情况。

      在推进过程中，中心回转体及刀盘内膨润土管路堵塞后，其疏通工作极为复杂、困难，且不能保证疏通后膨润土的注入量能达到堵塞前的效果，所以应尽量避免石子等杂物进入膨润土注入系统，故采取以下措施降低膨润土系统进入杂物的可能。
      （1）膨润土使用独立的搅拌与运输设备并安装滤网。增加一台卧式搅拌机专门搅拌膨润土，不再与砂浆共用搅拌罐，同时膨润土在运输过程中也使用专有的运输车，通过这些手段避免砂浆内混有的水泥块、小石子等物进入膨润土。
      （2）膨润土车及膨润土罐内安装滤网。在膨润土车上加盖，避免膨润土车在盾构机内停放时，皮带上的渣土掉入车内，并在盾构机膨润土罐内增加滤网，同事在 4 号搅拌电机后加装过滤隔断，以挡住已进入罐内的石子等杂物，使其不会进入加泥管路，并定期安排人员清理膨润土罐。通过这些手段减少进入膨润土管路内的杂物，使膨润土注入量始终满足推进需求，对土体进行有效改良，从而降低刀盘扭矩。
3.3 施工参数
      经过一定的改进措施后长～火区间各阶段盾构主要掘进参数的平均值如表 2 所示 ：

3.4　刀盘及刀具磨损状况
      经过一系列改进措施后，刀盘及刀具磨损明显减小。以下数据为出洞时刀盘及刀具的尺寸。
      刀盘盘体直径应为 6 100 mm， 出 洞 时 为6 100 m m，磨损 0 m m ；刀盘厚度应为 350m m，出洞时为 340 mm，磨损 10 mm（图 17）；边刮刀原始高度为 230 mm，出洞时为 220 mm，磨损 10 mm（图18）；齿刀原始高度为 230 mm，出洞时为 225～235 mm，磨 损 5～15 mm（ 图 19）；内周先 行刀原始高度 为150 m m，出洞时为 125 ～140 m m，磨损 10 ～ 25 m m（图 20）；外周先行刀原始高度为 150 mm，出洞时为120 mm，磨损 30 mm（图 21）。



4　结 论
      经过本工程段的施工情况证明了，无水砂卵石地层对盾构刀盘及刀具的磨损严重，尤其是对刀盘钢环及外周刀具的磨损很大，当切口添加材料的注入不理想时会对刀盘造成更严重的磨损。但是通过改进刀具布局和保证切口添加材料（膨润土）正常注入的措施，可以有效减小此地层对刀盘及刀具的磨损，有效降低中途换刀的风险。通过本工程的顺利完成，探索了此类地层中土压平衡盾构机刀盘及刀具的磨损规律，对以后类似地层盾构施工提供了可借鉴的工程实例。

湘寒月/yl

湘寒月/yl 发表于 2013-11-7 13:05
2.6 滚刀
      一般在纯硬岩地层掘进都采用滚刀破岩，其原理是依靠刀具沿刀具中心轴滚动，产生冲击压碎、 ...

盾构机组装.ppt(7.85M)

湘寒月/yl

研究了盾构刀具用5Cr5MoSiV1 钢淬火时，加热温度、保温时间和冷却方式对其力学性能的影响。结果表明院5Cr5MoSiV1 钢在1000～1150℃加热保温30min 后，其淬火硬度和冲击韧度均随加热温度的上升表现出先增后减的趋势曰在1050℃下保温20～60min 时，随保温时间的延长，淬火硬度不断降低，淬火硬度与淬火保温时间满足一定的线性关系式，而冲击功先增大后减小。在淬火加热温度和保温时间相同的情况下，油淬试样的硬度和冲击功要比空淬后的试样分别高0.7～1.2HRC和2～3J。

近年来，我国的地铁工程正在高速发展，盾构机构在隧道的施工工程中得到了越来越广泛的应用，而盾构刀具作为盾构机构终端工作面的配件，其性能的优劣直接影响工程的质量和进度，而且相对于其他零配件，由于山体岩石的高硬度、高强度与地质条件的复杂性及强挤压、大扭矩、强冲击、高磨损的恶劣工况，盾构刀具成为掘进过程中最易损坏的零部件，因此，开发出集高强度、高硬度、高耐磨性、耐热疲劳性能好和优良的韧性等优点于一身的刀具是加快工程进度、降低盾构施工成本的决定性因素。

针对国产盾构刀具产品存在的强度低、耐磨性差、使用寿命短等缺陷，优化淬火工艺成为解决问题的关键。本文通过研究淬火处理工艺中不同的热处理工艺参数对一种盾构刀具用5Cr5MoSiV1 钢的力学性能的影响规律，从中找出一种适合于5Cr5MoSiV1钢的最佳淬火热处理工艺，为延长国产滚刀刀圈的使用寿命而降低工程施工成本提供理论依据。

1、实验材料与方法

实验用钢为5Cr5MoSiV1 钢锭,其化学成分如表1 所示。热处理前，对实验用钢进行锻造，锻造加热温度1140～1180℃，始锻温度1100～1150℃，终锻温度逸850℃，锻造比逸4。锻后将其放入已升至一定温度的SX-10-13 型箱式电阻炉中，使其随炉冷却。再用线切割方法分别从锻后的钢料上截取金相、硬度、冲击试样若干，金相与硬度试样的尺寸为10mm伊10mm伊5mm曰冲击试样为10mm伊10mm伊55mm 的标准夏比V型缺口试样。试样首先随炉加热至900℃保温4h，炉冷至500℃出炉空冷，然后分别在1000、1050、1100 和1150℃保温30min 后油淬，确定出最佳淬火温度曰然后在最佳淬火温度条件下分别对试样保温20、30、40 和60min 后油淬，从而确定出最佳淬火保温时间。硬度测试院各种热处理状态下的试样在金相预磨机上抛磨后，在TIMETH301 洛氏硬度计上测量硬度值，载荷为1471N，加载时间10 s，每个试样测4个点，去除第一个点，取余下3点的平均值作为该试样的最终硬度值。热处理后的试样经机械抛光、腐蚀后，在光学显微镜下进行金相显微组织观察并分析曰冲击试验在GBN-300 型冲击试验机上进行。

表1 5Cr5MoSiV1 钢的化学成分(质量分数，%)

5Cr5MoSiV1 钢的化学成分

2、结果与讨论

钢铁材料所采用的淬火工艺参数不同，获得的微观组织也不尽相同，钢在淬火后得到的组织一般为马氏体或贝氏体，也可能是二者所组成的混合物。如图1 所示，实验钢的淬火组织主要由板条马氏体、贝氏体、残余奥氏体和未溶解碳化物所组成。相关研究表明，钢的化学成分对马氏体的形貌影响很大，随着含碳量的增加，碳钢中片状马氏体逐渐增多，板条马氏体逐渐减少。除Co、Al 等少数元素外，溶入奥氏体基体中的其他合金元素都会使钢的Ms点降低，有利于片状马氏体的形成。在一定温度范围内淬火时，得到的板条马氏体的数量会随着加热温度的升高而增多。若在比Ms点稍高的温度下对钢进行塑性变形，组织中得到板条马氏体的数量也会越多。这都将最终影响到钢铁件的力学性能。因此，为了使钢铁件满足特定的力学性能要求，人们对各种钢铁材料的淬火工艺进行了大量的优化研究，为工业生产积累了经验。在隧道掘进过程中，滚刀刀圈的耐磨性在很大程度上决定了滚刀使用寿命的长短，在地质条件和掘进参数不变的情况下，刀圈的耐磨性主要受其材质和制造工艺的影响较大，而在材质已知的情况下，我们可以用硬度来大致估计刀圈的耐磨性。除了硬度外，刀圈的冲击韧度也是一个十分重要的性能参数。因此，以下主要分析了淬火加热温度、保温时间和冷却方式对5Cr5MoSiV1 钢的淬火硬度和冲击韧度这两项力学性能的影响。

实验钢淬火后微观组织

图1 实验钢淬火后微观组织

2.1、淬火加热温度及冷却方式对力学性能的影响

把经过不同淬火加热温度和冷却方式处理的硬度试样进行洛氏硬度测试，对冲击试样进行600℃伊2 h的统一回火处理，再进行冲击韧度测试，结果图2 和图3 所示。从图2 可看出，在1000～1150℃淬火，不管是采用油冷还是空冷，实验钢的淬火硬度均随淬火加热温度的升高而表现出先增加后减小的变化趋势。这是因为在1000℃加热时，由于温度不够高，只有少量的C 及合金元素能够溶入奥氏体基体中，因此淬火结束后所得的马氏体中所含的C 及合金元素也有限，导致硬度不高。随淬火温度的不断上升，C 及合金元素的迁移能力逐渐增强，因而越来越多的元素被固溶进奥氏体中，使得奥氏体化水平逐渐加强，转变后得到的马氏体组织的硬度就不断升高，在1050℃时，淬火硬度达到峰值。当加热温度达到1050℃以上时，淬火硬度随加热温度的升高而逐渐降低。这是因为残余奥氏体的体积分数随淬火温度的升高而逐渐上升，这一方面增强了材料的韧性，但另一方面也使钢的硬度不断下降。在1050℃以上的温度区间淬火时，相对于金属碳化物对组织的硬化效应来讲，残余奥氏体对组织的软化效应更强，因此两方面共同作用的效应是使硬度呈现逐渐降低的趋势。从图2 还可得知，在淬火加热温度和保温时间相同的情况下，油淬试样的硬度要比空淬后的试样普遍高0.7～1.2HRC，这是因为空淬试样有少量的粒状贝氏体生成，造成组织硬度的下降。

淬火温度及冷却方式对淬火硬度的影响

图2 淬火温度及冷却方式对淬火硬度的影响

淬火温度及冷却方式对冲击韧度的影响

图3 淬火温度及冷却方式对冲击韧度的影响

从图3可以看出，与淬火硬度的变化趋势类似，冲击韧度也呈现出随淬火温度的升高而先增强后减弱的变化趋势，在1050℃时冲击功达到最大值(空冷时为18 J，油冷时为20 J)。这是因为在1000～1050℃淬火时，随加热温度的逐渐升高，板条马氏体的体积分数不断增加，与此同时，弥散在板条马氏体周边的具有阻碍裂纹扩展效应的残余奥氏体量也在逐渐增多，促使冲击韧度逐渐增强曰冲击功在1050℃达到峰值后，若进一步升高加热温度，冲击功将不断降低。这是因为院尽管残余奥氏体仍在不断增加，可是在该阶段马氏体的板条粗化现象明显，这将导致冲击韧度的降低，且在该温度区间，板条粗化导致的减韧效应要明显强于残余奥氏体的增韧效应，所以导致冲击韧度不断降低。从图3 还可看出，油冷时实验钢的冲击功要比空冷时普遍提高2～3 J，这是因为油冷淬火后得到的残余奥氏体比空冷时的稳定，同时合金元素不容易进行迁移，因此回火后得到的组织相界比较洁净，组织中的碳化物细小且分布均匀，相界的结合力较大，因此实验钢的冲击韧度较好。

2.2、淬火保温时间对力学性能的影响

由图4可看出，材料的淬火硬度随淬火保温时间的延长而逐渐降低。这是因为随保温时间的延长，Cr、Mo、V 等元素熔入奥氏体基体中的量逐渐增多，使奥氏体变得越来越稳定，因此淬火结束后组织中未转变的奥氏体较多，使组织变软[13]。将实验钢在20～60 min 内的淬火硬度值进行一元线性回归分析，可得实验钢在1050℃淬火(油冷)时淬火硬度与淬火保温时间之间的关系式为院

H=62.11-0.12 t

式中院H 为淬火硬度曰t为淬火保温时间。经检验，上述所得回归方程显著，精确度较高。

随淬火保温时间的延长，冲击韧度呈现出先升高后降低的变化趋势，在保温40min 时出现冲击功的最大值(21J)。这是因为随保温时间的延长，得到的板条马氏体不断增多，而针状马氏体的量持续减少，因为板条马氏体中含有高密度的位错，这种亚结构具有优异的塑性和韧性，因此可有效地增强实验钢的冲击韧度曰此外，随保温时间的延长，奥氏体变得越来越稳定，淬火结束后组织中残余奥氏体越来越多，它是一种增韧相，可有效地减缓裂纹的扩展，还可以作为马氏体之间的缓冲相，吸收一部分马氏体相变时碰撞产生的能量，故能进一步增强实验钢的冲击韧度。如果保温时间超过40min，冲击韧度将不断降低，这是因为马氏体板条束和晶粒变得越来越粗大。

保温时间对力学性能的影响

图4 保温时间对力学性能的影响

综上所述，从力学性能方面考虑，为了使实验钢获得最佳的强韧性配合，较为合理的淬火工艺是1050℃保温30min 后油淬。

3、结论

(1) 5Cr5MoSiV1 钢在1000～1150℃加热保温30min 时，实验钢的淬火硬度和冲击韧度均随加热温度的上升表现出先增后减的变化趋势，在1050℃时达到峰值。

(2) 实验钢在1050℃下保温20～60min 时，随保温时间的延长，淬火硬度不断降低，淬火硬度与淬火保温时间满足线性关系，冲击功先增加后减小，在40min 时达到最大值。

(3) 在淬火加热温度和保温时间相同的情况下，油淬试样的硬度和冲击功要比空淬后的试样分别高0.7～1.2HRC 和2～3J。

(4) 从奥氏体晶粒的大小、试样的力学性能等方面的因素综合考虑，确定5Cr5MoSiV1 钢的一种最佳淬火工艺为在1050℃保温30min 后油淬。

所以因为

这个材料是否可以做贝氏体等温淬火？

孤鸿踏雪

所以因为 发表于 2016-3-10 10:20
这个材料是否可以做贝氏体等温淬火？

         我想，这个，一定可以。

孤鸿踏雪

所以因为 发表于 2016-3-10 10:20
这个材料是否可以做贝氏体等温淬火？

         我想，这个，一定可以。

所以因为

孤鸿踏雪 发表于 2016-3-10 10:40
我想，这个，一定可以。

不知道对比效果会怎样？好象没有人做过这个试验。

孤鸿踏雪

所以因为 发表于 2016-3-10 11:03
不知道对比效果会怎样？好象没有人做过这个试验。

         是的，虽然等温淬火是一种强韧化热处理，但在实际应用中并不普遍。

所以因为

孤鸿踏雪 发表于 2016-3-10 16:18
是的，虽然等温淬火是一种强韧化热处理，但在实际应用中并不普遍。 ...

我又想问原因了

孤鸿踏雪

所以因为 发表于 2016-3-10 16:34
我又想问原因了

              这可能与那些SB设计者有关，片面追求高硬度是目前“二货”设计者的一大趋势

所以因为

孤鸿踏雪 发表于 2016-3-10 16:37
这可能与那些SB设计者有关，片面追求高硬度是目前“二货”设计者的一大趋势 ...

我在百度看了一些这方面的论文，基本上没人涉及到贝氏体等温淬火（试验）。

shaod

可以贝氏体淬火，也可以综合设计为功能梯度方案，以满足特殊需要。

Noyarc

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Noyarc

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