盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速度的影响
盾构刀盘偏置中心刀对刀盘推力和扭矩的影响
(a) 无中心刀刀盘
(b) 偏置中心刀刀盘
(c) 鱼尾中心刀刀盘
图 1 直径 0.5 m 刀盘模型图 Fig.1 Cutterhead models with a diameter of 0.5 m
α
r R
2
2.1
刀盘推力和扭矩的数值计算方法
有限元模型 本文采用 ABAQUS 软件对掘进过程进行直接 数值模拟。按照刀盘试验模型建立相应的刀盘有 限元模型，以六面体 8 节点实体单元划分网格。刀 盘结构形式包括不带中心刀刀盘、带偏置中心刀刀 盘和带鱼尾中心刀的刀盘模型。刀盘直径为 0.5 m， 装有 4 根带有刮刀的辐条，刮刀刀尖高出刀盘面 板距离为 4 mm，弹性模量为 200 GPa，材料密度 － 7.8 g/cm3，本构模型为线弹性[11 12]。刀盘几何模型 图如图 1 所示，其中红色部分代表中心刀。其中， 偏置中心刀是本文研究的重点，已申请发明专利， 其示意图见图 2。偏置中心刀由两把成一定角度的 双刃切刀组成，所成角度 α 在 90°～180°之间，以 焊接形式安置于刀盘面板圆孔的偏心位置。两把切 刀连接点到刀盘中心圆孔圆心的距离 r 与刀盘中心
摘 要：盾构机是地下工程中的典型掘进装备，具有结构复杂、体积庞大、重型巨载等特点。刀盘载荷是装备的核心力学参 量，实现刀盘载荷的合理计算是装备正向设计的理论基础，也是不同地质情况隧道施工中载荷控制的重要科学依据。盾构刀 盘中心刀结构在掘进过程中承受很大比重的轴向载荷，为了进一步分析中心刀结构的改变对刀盘载荷的影响，采用数值仿真 方法与模型试验方法对盾构刀盘与土体的相互作用进行了研究， 得到了刀盘法向和切向切削载荷空间分布规律以及掘进过程 中刀盘总推力和扭矩随掘进时间的变化规律，重点分析了偏置中心刀结构对刀盘推力和扭矩的影响。对比几种不同的中心刀 结构，研究表明，偏置中心刀结构刀盘的总推力与总扭矩小于鱼尾中心刀结构刀盘的总推力与总扭矩。刀盘模型试验结果与 数值仿真结果趋势一致。 从载荷角度考虑， 偏置中心刀刀盘优于鱼尾中心刀刀盘。 该研究结果可为新型刀盘结构设计提供参考。 关 键 词：盾构刀盘；偏置中心刀；总推力；总扭矩；数值模拟；模型试验 中图分类号：TU731 文献标识码：A 文章编号：1000－7598 (2015) 06－1776－08
盾构机刀具磨损及刀盘设计
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2020/7/25
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3.6 刀圈挡圈磨损或脱落 挡圈是由两个半圆的钢环安装在滚刀轴的卡槽里焊接
成一个完整的圆环，其作用是防止刀圈从滚刀轴上脱落， 一旦刀圈挡圈脱落或焊接处磨损严重，就应该更换刀具。
4.7 滚刀漏油 由于密封件的损坏，就可能使密封油泄漏，从而导致
油封座和轮毂的损坏。
④将盾构机沿曲线的割线方向掘进，预偏量为3050mm，以减小管片因受侧向分力而引起的向圆弧 外侧的偏移量。
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⑤适当降低推进速度，在盾构机推进启动时，推 进速度要以较小的加速度递增（匀速递增）。
⑥推进时，要适当调整左右两组油缸的压力差， 使曲线内侧油缸压力略小于外侧油缸压力，但 纠偏幅度不要过大。
6.3 定期对刀具进行检查 在硬岩区地层中，如果出现推力过大推进速度小扭矩也
偏小，盾构机姿态纠正很难的现象时，就要考虑刀具是否磨 损严重，安排开舱检查刀具。
如果连续出现刀盘或螺旋输送机被卡住、驱动电机熄火 的现象时，应立即停机进行检查。
一般要在不超过二十环时对刀具进行一次检查，检查看是否有刀圈磨损超限、 刀圈断裂、刀圈变形、固定刀圈的螺帽是否松动或掉落、刀座是否有裂纹等，如 果一旦发现应立即采取补救措施。
仅在母材上实施 硬化堆焊
用于柔软淤泥层 （N=0~5左右）的施 工距离较短的场合
硬化堆焊
超 硬
超硬合金 刀刃型
仅在母材的刀刃 前，钎焊超硬合 金刀刃。
适用于沙层（N 〈25）、淤泥层 （N〈10）等比较
超硬刀刃
合
软的地层
金
刀 刃 粘 贴 型
超硬合金刀 刃+硬化堆焊
型
盾构机的刀盘和刀具
ｌ ● ＿ － Ｉ ● ＿ － ● － ● ＿ －
● ＿ ＿ ＿ ＿ ＿ ● －
力 值 趋 于减 小 。 低 速 情 况下沥 青 混凝 土 路 面呈 粘 弹 会 迅速 加剧 。 在 因此高速 、 大切 深铣 刨路面 对铣 刨机 的刚 性状 态 ， 刀具前角对切屑 的挤压 以及 后角对 已加工路 面 性 和功率 提 出了较高的要求 。 的摩 擦使得刀尖 附近 的应 力值增大 ； 随着切 削速度 的增
于平 稳。 另外还 可以看 出在切 削过程 中刀尖前端 的沥青 ｏ 呈现为 负值 ； … ｏ 和 ｏ 由低逮 陧慢 随着速 度 ｏ
参考 文献
１陈志 刚， １ ］ 周里群， 黄霞春 ． 基于 ＡＮＳ ＹＳ的金属切削过程有 混凝 土路面主要 受到刀尖对 其的挤压 ， 从而 ｏ 盯 … 和 ［ 限元仿真 ． 岩机 械气动工具 ， ０ ７ １ ４ ．４ 凿 ２ ０ ，（）， ６５ ．
重要性 ： 刀盘 的选择 是否合 适直接 影响盾构掘进 机
－ － － － － － ＿ － － ＿ ＿ ● － － ｌ ＿ ＿ ● － ＿ － ｌ － － ｌ － ｌ －
渣 土顺利通 过渣槽 ， 进入 土舱 ； 稳定功 能 ： 支撑 掌子面， 具有 稳定掌子 面的功 能 ； 搅拌功能 ： 对土舱 内的渣土进行搅拌 使渣 土具有一
综 上所 述 ， 对于 较小切 削深度 的路面铣 刨机 ， 削 切
大 ， 青混 凝土在 切削过 程 中脆性 越 来越 明显 ， 沥 产生 的 速 度最 好维持在 ２０ ０ ｍｍ／ ０ ｓ以下， 对于较 大的切 削深
切屑对前 刀面的挤压程 度 降低 ， 而使 得刀尖 附近 的应 度 ， 从 可以选 择较 大切削功率 的路面铣 刨机 以较大 的切削 力值 趋于减 小 ； 当速 度达 到一定 程度 的时候 ， 这个值 趋 速 度来完 成切削作用， 提高切削效率 。
盾构刀盘严重磨损原因探析及总结戴长康
盾构刀盘严重磨损原因探析及总结戴长康发布时间：2023-04-20T04:58:20.299Z 来源：《工程建设标准化》2023年4期作者：戴长康[导读] 本文针对佛山二号线南湖区间右线盾构机刀盘磨损进行原因分析，分析各种因素对刀盘损坏产生的影响程度，并对掘进参数进行系统分析，为类似工程施工提供参考依据。
广州轨道交通建设监理有限公司广东广州 528051摘要：本文针对佛山二号线南湖区间右线盾构机刀盘磨损进行原因分析，分析各种因素对刀盘损坏产生的影响程度，并对掘进参数进行系统分析，为类似工程施工提供参考依据。
关键词：泥水盾构；刀具；刀盘磨损1、工程简介及盾构机施工情况佛山地铁二号南庄站～湖涌站长2270.645m，管片总数为1515环。
右线于2017年6月23日在湖涌站始发，于2019年3月19日在南庄站完成盾构接收工作，历时1年8月26天。
盾构机掘进至1501环时抵达到达端混凝土素墙，刀盘扭矩较大，时常出现刀盘扭矩报警，盾构机无明显进尺。
2019年2月18日，项目部采用抽芯的方式对素混凝土墙进行预处理（主要利用钻孔抽芯设备将地连墙混凝土取出），取芯完成后，盾构机掘进速度明显提升，顺利进入端头加固体，进行接收前准备工作。
2、原因分析2.1 刀盘自身结构因素2.1.1刀盘结构形式及材质组成南~湖区间右线96#盾构机刀盘结构形式为辐条面板式，刀盘直径6980mm，开口率31%。
刀盘采用Q345B钢材整体焊接加工而成，同时在刀盘面板和周边焊接碳化铬超硬耐磨板和耐磨网。
刀盘支承形式为中间支承，刀盘背部设置4根主动搅拌棒，可对渣土进行搅拌，增强渣土的流动性。
本盾构机刀盘为新出场第一次使用刀盘，其面板及辐条为整体钢板焊接加工而成，无分段焊接、搭接等情况，刀盘所用钢材质量合格，各焊接焊缝质量检测合格，刀盘整体质量满足出场及使用要求。
2.1.2刀具破岩能力及在本区间的适应性（一）刀具破岩能力南湖区间右线96#盾构机刀盘主要破岩刀具为撕裂刀（先行刀），其破岩机理为撕裂刀先行切削、疏松土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的切削条件，大大降低了切削刀具的冲击荷载和切削力矩，提高刀具切削效率。
盾构机刀具磨损的分析
3.1 刀盘布局 盾构机刀盘分为三个区域：中心区、正面区和边缘区。
正面区刮刀 边缘刮刀
双刃齿刀
双刃滚刀
单刃齿刀 超挖刀
3.1.1 中心区 该区是刀盘布局的关键，既要考虑对砂土、粘土和较为 破碎岩层的开挖和出土的适应性，又要兼顾到整个区间围岩 的强度，因此该区采用齿刀和滚刀可以互换的方案，刀座设 计成既可以安装齿刀，又可以安装滚刀，而且设计成背装式 ，即可以在刀盘后面对刀具进行更换。 该区布置有6把双刃滚刀（或6把双刃齿刀），硬岩用滚 刀，软土用齿刀。6把双刃滚刀的刀间距为180mm.。 3.1.2 正面区 该区采用刮刀与双刃滚刀（或单刃齿刀）组合的布局 方式，共设64把刮刀和8把双刃滚刀（或单刃齿刀），刮刀 在刀盘的四个方向分两列布置，其宽度使得每把刀的切割轨 迹有所重叠，可使开挖土体清除干净。滚刀安装高度超刮刀 高度35mm，双刃滚刀和单刃齿刀可以互换，硬岩用滚刀， 软土用齿刀。
6.2 根据不同的地层选择不同的刀具 根据地质资料和对出土情况的判断来确定刀具的更换， 特别是两种地层的交界处。从<7>岩石强风化带向<8>岩 石中风化带<9>岩石微风化带地层转换,如不能及时将齿刀 更换为滚刀，就会很快加剧齿刀地磨损；从硬岩地层向软土 地层转换，如不及时将滚刀换回齿刀，也有可能出现滚刀偏 磨的现象。 6.3 定期对刀具进行检查 在硬岩区<8><9>地层中，如果出现推力过大推进速度 小扭矩也偏小，盾构机姿态纠正很难的现象时，就要考虑刀 具是否磨损严重，安排开舱检查刀具。 如果连续出现刀盘或螺旋输送机被卡住、驱动电机熄火 的现象时，应立即停机进边缘滚刀（正面滚刀） 8.1 边缘滚刀（正面滚刀）的维护和修复 根据更换的边缘滚刀（正面滚刀）的磨损情况和使用记 录，来确定滚刀的维护和修复方案。如果刀圈磨损量没有超 过25mm，可先检查滚刀密封油是否足够，如密封油不够就 应添加；用锯条将滚刀端盖和轴承缝之间的碎石泥土清理干 净并检查油封及油封座是否完好，如有损坏应换新或修复。 如刀圈磨损量超过25mm，就应割掉刀圈，重新换上新 刀圈；同时也要检查密封油、油封和油封座，并根据检查情 况进行维护。 8.2 中心区滚刀的维护和修复 中心区滚刀修复的方法和边缘滚刀基本相同，由于其 结构和边缘区滚刀结构不同，其工艺程序比较复杂。
(完整word版)盾构机刀盘、刀具磨损分析浅谈
盾构机刀盘、刀具磨损分析浅谈摘要：造成刀盘和刀具的磨损是多方面的，而且很多都是不能定量分析的,但是只要综合土层性质、掘进参数、正确使用泡沫剂、适时开仓检查刀具和汲取以往的经验教训，就可能将刀盘和刀具的磨损量降到最小,从而达到保护刀盘、刀具的目的.关键词:盾构机；刀盘；刀具；磨损随着地铁建设的发展，盾构工法在地铁建设中起到了越来越重要的作用。
它的优越性,实际上是得益于盾构机技术的发展，正所谓“工欲善其事，必先利其器”.盾构机之所以特别重要是因为它与其它施工机械不一样，它被形象地称为“度身定做"（taitor-made）的[1]。
所谓“度身定做”度的什么身呢？就是根据特定的施工环境这个“身"来制造与之相适应的特定的盾构机。
在盾构机选型中刀具的选择又是重中之重，要根据地质情况选择相匹配的盾构机,盾构机刀盘刀具布置是盾构机配置的最重要的部分。
在实际施工过程中，若区间较长，需要进行开仓检查刀具和换刀，确保盾构机能够顺利到达出洞。
笔者对深圳地铁2号线后海站~科苑站区间盾构隧道刀盘、刀具磨损情况进行了总结分析,可为类似工程盾构机刀具选型提供参考。
1工程概况深圳地铁2号线是深圳市优先发展的轨道交通线路，是连接城市中心区与蛇口、南头半岛的纽带，也是特区内东西向交通走廊内的第二条轨道客运干线，沿途将经过蛇口、后海开发区、南山商业文化中心和深圳湾填海区，串联了上述片区主要的居住区和商业文化密集区,满足了南山与福田、罗湖二级客运走廊的客运需求。
地铁2号线建成后在深圳世界之窗站与1号线换乘,将直接为300万以上的市民提供安全便捷的交通服务，能有效缓解南山区的交通压力。
深圳地铁二号线某标段土压盾构机从后海站向科苑站方向掘进。
本区间左、右线隧道平面最大曲线半径为1000m，最小曲线半径为400m，左、右线线间距13.2m～14。
2m，区间隧道最大线路纵坡为28‰，最小纵坡为2‰，竖曲线半径最大为5000m，最小为3000m，隧道拱顶埋深为10m～15m。
盾构机掘进参数设定
2、软弱地层掘进
盾构机在软弱地层掘进时，由于掌子面自稳性较差，需要在土仓 内堆积足够的渣土，使土仓压力与掌子面压力平衡，避免在掘进时由 于掌子面压力过大造成坍塌致使地表沉降，因此软弱地层掘进必须在 土压平衡模式下进行。
此种地层中掘进时应向刀盘多加泡沫和水，多搅拌，改善渣土的 流塑性，防止在刀盘形成泥饼，裹住刀具使之不能转动而造成偏磨， 再有就是掘进中随时注意刀盘扭矩和掘进速度的变化，当掘进速度明 显降低，而刀盘扭矩却增加时，很有可能是刀盘上形成了泥饼，应立 即采取措施处理，刀盘加泡沫加水旋转搅拌洗去泥饼，在地质条件允 许，可开仓用水冲洗刀盘，快速去除泥饼。 软弱地层掘进时，应控制好土仓压力和每环的出渣量，防止地表 下沉，掘进速度不可过快，以保证同步注浆量。掘进时下部油缸推力 要比上部的大30-50bar，防止由于自重引起的盾构低头。
调整好盾构机姿态（盾尾间隙），防止水带砂土从盾尾或铰
接密封处进入隧道。
5、硬岩破碎地层掘进
此地层岩石强度较大，但整体结构性差，岩层节理裂
隙发育，透水能力强，宜采用半敞开模式进行掘进。 掘进时刀盘扭矩变化大，有较大的振动和响声，对刀 具的损伤较大，可能出现刀圈的崩损和脱落。 掘进中要适当降低刀盘转速和掘进速度，防止刀具因
3、软硬不均地层掘进
软硬不均地层是指盾构机掘进断面的地质不均匀，掌子面的上中下 左右岩石强度变化大，既有软弱地层的不稳定性，又有硬岩地层的强 度，考虑到地表可能发生沉降的因素，此地质下盾构机掘进须采用土 压平衡模式。
掘进中刀盘的扭矩变化大，盾构机有较大的滚动、震动现象及间断 的响声，掘进方向较难控制，渣土中会有较大的石块出现。 在此地层中应采用低刀盘转速、低推进速度掘进，因为掌子面地质 不均匀，掘进时刀盘刀盘各部位会受力不均，容易使部分刀具受力过 大而不能转动，最终导致偏磨，还有当掘进速度过快时，刀具的贯入 度也增大，容易使刀盘扭矩突然上升超过设定值而卡死，甚至造成刀 圈崩裂脱落。 由于硬岩部分强度高，不易切削，为保护刀具需降低掘进速度，长 时间的掘进对软弱地层部分的稳定性很不利，因此需保持土仓较高的 土压。
盾构机掘进中刀具损坏及维修措施探讨
盾构机掘进中刀具损坏及维修措施探讨摘要：盾构机在掘进过程中通过硬岩地段时，刀具、刀盘极易损坏，这种情况下，换刀、修复刀盘的技术就显得尤为重要。
本文对盾构机在掘进过程中刀具、刀盘的损坏情况进行了分析，并提出了维修措施。
关键词：盾构机；刀具，损坏，维修盾构机在掘进的过程中，往往会遇到各种复杂的地形。
由于底层的变化性非常大，这就决定了盾构机在刀盘的配置及刀具的选择上非常关键，刀盘的配置及刀具的选择要根据地质条件来选择。
合理的刀盘配置及刀具选择对与保证刀具的使用寿命，工程的顺利进行具有重要意义。
1盾构刀具1.1刀具的破岩原理盾构刀具的破岩方式分为滚压破岩和切削破岩。
1.1.1滚压破岩滚压破岩是在底层中利用盘形滚刀滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用来破碎岩石。
滚压破岩一般适用于岩石、硬土层及含有砂粒和卵石地质的破碎。
其使用的主要刀具为滚刀。
1.1.2切削破岩切削破岩是通过切刀刀刃施力将岩体外层剪切剥离的方式来破碎岩石。
切削破岩一般适用于土、砂层和软岩地质的破碎。
其主要适用的刀具为切刀。
1.2刀具的选择盾构机的刀具要根据施工地区地质特点来选择适用的刀具进行碎岩作业。
2盾构掘进速度和刀具消耗对盾构施工的影响刀具的更换主要是根具两点来进行判断的。
一是刀具是否适合当前岩层的掘进作业，通常情况下，在盾构掘进的过程中，要结合前期工程地质勘察的结果来对地层进行初步分析。
再结合掘进中土层的剥离情况对当前的岩层进行判断，以选择使用的刀具，如果有必要，可以开仓进行检验，以保证分析结果的准确性。
二是刀具的磨损程度是否达到了设计磨损值以及刀具是否损坏。
首先结合盾构掘进时，不同地层对刀具的磨损量以及掘进的速度来进行判断刀具的磨损量，然后开仓验证，以此来作为更换刀具的依据。
刀具的具体损耗量的计算要通过刀具的运行距离与掘进的速度计算处刀具在进行每一环距离内体积的磨损量，然后在用隧道的中提掘进体积来除以这个值，就能得到一个刀具消耗数量的大概值（不考虑遇到特殊情况）。
优化盾构机刀盘刀具布局延长刀具使用寿命
优化盾构机刀盘刀具布局延长刀具使用寿命发布时间：2021-06-22T09:53:36.267Z 来源：《基层建设》2021年第6期作者：陈云[导读] 摘要：隧道掘进技术是先进的地下施工技术，广泛应用于城市地铁等领域施工中。
中铁十四局集团大盾构工程有限公司江苏南京 211899摘要：隧道掘进技术是先进的地下施工技术，广泛应用于城市地铁等领域施工中。
复合式盾构机广泛应用于软硬岩交替出现复合地层施工，掘进机刀盘刀具设计方案直接影响掘进性能。
复合式盾构机由于与硬岩掘进机有很多相同点，刀具系统设计研究已有一定基础，刀盘刀具布局方案研究是刀盘掘进系统研究的重点。
减小盾构机掘进刀具磨损，是保证盾构机长距离掘进的重要措施。
地下工程盾构掘进施工中经常出现刀具磨损严重等，为工程工期造价带来严重影响，研究如何减小盾构机掘进磨损，优化刀具刀盘布局，对刀具进行改进，使产品质量可靠完善，延长刀具使用寿命，对提高盾构机工作效率具有重要意义。
关键词：盾构机；刀盘刀具布局优化；延长使用寿命0、引言随着21世纪道路，城市建设快速发展，城市人口急剧膨胀，许多城市出现用地资源紧张、交通堵塞等制约社会经济的发展。
由于流动人口增加，城市道路有限性带来车速下降等系列问题。
城市地下空间开发成为世界性趋势，城市向立体化开发是市中心改造唯一途径。
地铁交通建设促使城市发展，随着北上广深等大城市城轨交通建设投资加大，盾构机大型设备国产化日益重要，国内对盾构机市场需求巨大。
我国各类盾构机潜在市场有200亿以上产值，我国盾构机掘进设备技术研制已经形成针对不同地质条件的掘进能力。
盾构机硬岩或者软硬不均地层掘进过程中，盾构刀具磨损会非常快，更换刀具非常频繁，使用进口刀具盾构机施工往往价格昂贵，进口刀具周期时间长，掘进土层变化难以预测。
本文根据徐州地铁2号线项目在中强风化灰岩岩层及多溶洞地层施工盾构机刀盘设计要点，研制适应不同工况的刀具，提高掘进效率，减少换刀次数降低施工风险。
盾构机刀具布置技术及应用
盾构机刀具布置技术及应用盾构是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备，它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点，在城市隧道的开挖中得到越来越广泛的应用。
刀盘是盾构机的关键部件之一，是盾构主要工作部件。
盾构在地下开挖中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。
在开挖中刀盘受力复杂，工作环境恶劣，是需要重点检查和维修的部位。
刀盘结构关系到盾构的开挖效率、使用寿命及刀具费用。
盾构的刀盘结构形式与工程地质情况有着密切的关系，不同的地层应采用不同的刀盘结构形式，盾构刀盘设计是盾构关键技术，采用合适的刀盘类型是盾构顺利施工的关键因素。
1 土压平衡盾构刀盘的主要功能土压平衡盾构结构见图1，这种盾构把由刀盘挖下的土块和流进盾构的地下水封闭在密封的隔舱内，以此来平衡开挖面地层压力，防止土层崩塌。
废土通过盾构的螺旋输送机连续向后部排放，同时还可以通过调节螺旋输送机转速，来控制排土量以及控制密封隔舱中的泥土压力来达到与掌子面土体压力相平衡。
因此刀盘主要功能有：开挖功能：对掌子面的地层进行开挖，开挖后的渣土顺利通过渣槽，进入土舱；稳定功能：支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能；搅拌功能：对土舱内的渣土进行搅拌，使渣土具有一定的塑性，能通过螺旋输送机来调整控制土舱内的压力。
2 刀具工作原理对于不同地层的开挖，盾构的刀具采用不同型式：开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀；地层为较软岩石时，采用齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采用切刀（或刮刀）。
不同类型刀具的工作原理如下：滚刀工作原理如图2，安装在刀盘上的盘形滚刀在盾构千斤顶的作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。
盘形滚刀在刀盘的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圆。
当推力超过岩石的强度时，盘形滚刀刀尖下的岩石直接破碎，刀尖贯入岩石，掌子面上岩石被盘形滚刀挤压碎裂而形成多道同心圆沟槽。
刀盘
耐磨复合钢板
hardox500
焊接耐磨层
8、刀具
目前使用的刀具一般有两类：一是切削类刀具， 二是滚动类刀具 1）、切削类刀具 刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具， 刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的切削 刀具类有边刮刀、、切刀、齿刀、先行刀、仿形刀、 等。
切刀、边刮刀
撕裂刀
例如：北京直径线，使用NFM的泥水盾构，由于刀盘结构及刀具配置不 合理，造成刀盘刀具的过度磨损，在推进67米后停机。
3、个性化 盾构在施工过程中会遇到各种不同地层，从淤 泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。刀盘刀具不 可能是千篇一律的，必须根据工程地质情况进 行个性化设计。
4、多样化 随着城市建设的加快，土地资源越来越珍贵， 为了节省空间，越来越多的异形盾构出现，刀 盘也随之变得各式各样。
沈阳
成都
辐条式刀盘，开口率68%，中间 支撑，中空式连接法兰，设有泡 沫和膨润土注入口。耐磨设计采 用耐磨焊条堆焊耐磨层方式。 配有94把重型切刀，36把撕裂 刀，周边保径撕裂刀6+12把， 中心鱼尾刀1把，仿形刀2把。 刀具布置也是遵循内少外多的原 则，保证刀具磨损的均匀性并利 于保径、防止刀盘过度收敛。
刀盘简介
卓兴建
一、概述
1、作用 开挖功能：对掌子面的地层进行开挖，开挖后的渣 土顺利通过渣槽，进入土舱； 稳定功能：支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能；
搅拌功能：对土舱内的渣土进行搅拌，使渣土具有 一定的塑性，能通过螺旋输送机来调整控制土舱内 的压力。
2、重要性 刀盘是盾构机的关键部件之一，刀盘及刀 具的选择是否合适直接影响盾构掘进机的切削 效果和掘进速度，甚至关系到盾构施工的成败。
2）盘形滚刀工作原理 刀盘在纵向油缸施加的推力作用下，使其上的盘形滚刀压入岩石；刀盘在 旋转装置的驱动下带动滚刀绕刀盘中心轴公转，同时各滚刀还绕各自的刀轴 自转，使滚刀在岩面上连续滚压。刀盘施加给刀圈推力和滚动力（转矩）， 推力使刀圈压入岩体，滚动力使刀圈滚压岩体。通过滚刀对岩体的挤压和剪 切使岩体发生破碎，在岩面上切出一系列的同心圆（见图）
(完整版)第6讲-盾构机刀具磨损及刀盘设计分析
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• 3 双刃滚刀刀具的磨损及原因：
3.1 正常磨损 刀具的正常磨损是指刀圈的磨损量超过了规定值，磨损量
可用专用的量具进行测量。
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3.2 刀圈偏磨
如果滚刀在掘进工作面不转动，由于刀圈和掘进工作 面的相对运动就会形成刀圈的偏磨。由于中心区滚刀线速 度较小，承受载荷较大，中心区滚刀容易出现此现象。
②距离出洞10环时，应停止掘进，在桥架处进行二次 注浆堵水，待浆液初凝后再往前推进。
③刀盘距离出洞5环时，应减小推力，降低推进速度， 派专人在洞门前方监视洞门情况，并与监视人员保 持密切联系。刀盘穿越加固区，刀盘转速控制在 0.75-0.8r/min，推进速度控制在15mm/min以下， 出碴门的打开程度可根据实际情况而定，当发生喷 碴时可开启150-120mm，不发生喷碴时可开启300 350mm。
严重磨损的前提下安排生产进度，必要时应该进行限产。为了一时的 进度而忽视刀具的例行检查是得不偿失。 • 更换刀圈后的刀具要进行扭矩试验，根据不同的地质条件和岩石强 度进行扭矩调整。 • 在硬岩地层注意观察螺旋输送机出渣情况，如果出渣不是均匀的 碎片石，而是伴有大块的石头出现，就可能有滚刀刀圈掉落，要立即 停机检查。
层时所形成的磨损。 异常磨损：由于滚刀刀圈掉落，在刀盘同一圆周上的
刮刀就直接承受掘进工作面的载荷，刮刀和掘进工作面的相 对摩擦，就导致刮刀严重偏磨。
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5.3 边缘区刮刀
正常磨损： 刮削土层、砂砾层和边缘滚刀挤压后的岩 层时所形成的磨损。
盾构刀盘原理及刀具布置
盾构刀盘原理及刀具布置刀盘是盾构的主要工作部件，不同地质地层应采用不同的刀盘结构形式及刀具布置，刀盘及刀具的好坏关系到盾构施工的成败，影响盾构掘进的速度和效益，本文结合本标段盾构刀盘形式及刀具布置，浅谈对盾构刀盘的认识。
1、引言盾构是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备，它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点，在城市隧道的开挖中得到越来越广泛的应用。
刀盘是盾构机的关键部件之一，是盾构主要工作部件。
盾构在地下开挖中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。
在开挖中刀盘受力复杂，工作环境恶劣，是需要重点检查和维修的部位。
刀盘结构关系到盾构的开挖效率、使用寿命及刀具费用。
盾构的刀盘结构形式与工程地质情况有着密切的关系，不同的地层应采用不同的刀盘结构形式，盾构刀盘设计是盾构关键技术，采用合适的刀盘类型是盾构顺利施工的关键因素。
2、盾构刀盘的主要功能开挖功能：对掌子面的地层进行开挖，开挖后的渣土顺利通过渣槽，进入土舱；稳定功能：支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能；搅拌功能：对土舱内的渣土进行搅拌，使渣土具有一定的塑性，能通过螺旋输送机来调整控制土舱内的压力。
3、刀具工作原理对于不同地层的开挖，盾构的刀具采用不同型式：开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀；地层为较软岩石时，采用齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采用切刀（或刮刀）。
不同类型刀具的工作原理如下：3.1滚刀工作原理安装在刀盘上的盘形滚刀在盾构千斤顶的作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。
盘形滚刀在刀盘的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圆。
当推力超过岩石的强度时，盘形滚刀刀尖下的岩石直接破碎，刀尖贯入岩石，掌子面上岩石被盘形滚刀挤压碎裂而形成多道同心圆沟槽。
随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，当刀具压力超过岩石的剪切和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片崩落，完成盘形滚刀的破岩过程，如图1。
盾构机刀盘刀具磨损分析与改进
盾构机刀盘刀具磨损分析与改进一、引言盾构机是一种用于地下隧道开挖的机械设备，其刀盘刀具是关键部件之一。
刀盘刀具的磨损情况直接影响到盾构机的开挖效率和寿命。
本文将对盾构机刀盘刀具磨损进行分析，并提出改进措施，以提高盾构机的工作效率和使用寿命。
二、盾构机刀盘刀具磨损分析1. 磨损形式刀盘刀具主要有刀头、滚刀、凿岩头等组成。
在盾构机开挖过程中，刀具与隧道地层不断磨擦，导致刀具磨损。
刀盘刀具主要磨损形式包括磨耗磨损、断裂磨损和自擦磨损。
磨耗磨损是最为常见的磨损形式，主要是因为刀头与地层的摩擦导致切削面材料磨损。
断裂磨损则是刀盘刀具在工作时由于受到剧烈冲击或超过其材料强度限制造成的断裂现象。
自擦磨损是指刀头上的刀具与切削面之间的磨损，主要是因为刀具材料之间的磨擦产生摩擦热而引起的。
2. 磨损原因刀盘刀具的磨损主要受以下几个方面的影响：（1）地层硬度：地层硬度越大，刀具与地层摩擦力越大，磨损程度也越大。
（2）地层结构：地层的裂隙、节理等结构对刀具磨损具有一定影响。
（3）刀具材料：刀具材料的硬度、韧性、耐磨性等性能对磨损情况有直接影响。
（4）刀具设计：刀具的形状、角度、排布等设计因素会直接影响磨损情况。
三、刀盘刀具磨损改进措施1. 材料优化刀盘刀具的材料选择至关重要。
根据地层的硬度以及磨损形式，选用具有良好硬度、韧性和耐磨性的材料，可以有效延长刀具的使用寿命。
目前，硬质合金、高速钢等材料被广泛应用于刀盘刀具制造。
2. 刀具设计改进通过改进刀具的形状、角度和排布等设计因素，可以降低刀具的磨损程度。
例如，合理的刀具刃角可以减少切削阻力和磨损；适当增加刀头与地层的接触面积，可以分散磨损力，延缓刀具的磨损速度。
3. 切削液的应用在盾构机开挖过程中，切削液的应用可以减少刀具与地层之间的摩擦阻力，从而降低刀具的磨损程度。
合适的切削液类型和浓度可以根据具体地层情况进行调整。
4. 定期检测和维护定期对刀盘刀具进行检测，及时发现和修复磨损、断裂等问题，可以保持刀具的良好工作状态，延长使用寿命。
盾构机刀具的使用磨损及开挖面分析
3)破碎阶段：当相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互
连通时，表面部分岩体便被裂缝分割，形成碎片并脱离开挖面。
30
影响裂缝能否形成的直接因素有： 1) 岩石硬度： 在刀具挤压阶段，必须保证刀具硬度
要高于岩石硬度，才能切入岩石表面，形成必要深度的 应力核心区。
2) 抗压强度：刀具切入岩石表面后，当应力大于岩石
1
目录
一、盾构刀具 二、盾构开挖面的变形与破坏分析
2
一、盾构刀具
1 综述
对于盾构机来说,掘削系统即是掘削 刀盘及其驱动系统。掘削系统对于盾 构机的施工效果有着决定性的影响, 而且选择的差异对盾构机造价也有着 很大的影响,刀盘选型可以影响到总 造价的4％～8％,尤其掘削设备的装 备扭矩是盾构机最基本的参数之一。
F,b，Z Z
375-400
21-26
180220
注：等级A、B、C、D，从左至右，质量依次提高；脱氧方法F表示沸腾钢，Z表示镇静钢，b表示半镇静钢，
TZ表示特殊镇静钢；Q235-A，Q235-B沸腾钢含锰量上限为0.60%。
12
海瑞克周边刀的刃口主要承受高应力 的磨粒磨损，周边刀迎土面钎焊有球齿， 球齿材料为硬质合金，主要用于承受砂 砾、卵石的磨粒磨损与冲击。
32
(7) 齿刀
在岩石较软的情况下掘进时，由于盘形滚刀与岩
石掌子面之间不能产生一定的附着力，将导致滚刀
不能滚动而产生弦磨，滚刀不能滚动将失去有效的
破岩功能。因此，在较软的岩层中应将部分盘形滚
刀更换成齿刀，利用齿刀进行破岩。由于齿刀上装
有2个切削刃，因此刀盘正反转时齿刀都能进行破
岩。
齿
刀
破
岩
机
盾构隧道刀具磨损特性分析与优化设计
盾构隧道刀具磨损特性分析与优化设计盾构隧道是一种用于地下工程建设的重要工具，其刀具磨损情况直接影响着工程进展和施工质量。
本文将针对盾构刀具的磨损特性进行分析，并提出相应的优化设计方案。
1. 盾构刀具的磨损特性分析1.1 磨损类型盾构刀具的磨损一般包括切削面磨损、刀具体积损耗以及刃口磨损等。
切削面磨损主要是由于刀具与岩土的磨擦引起，刀具体积损耗是指刀具体积的减少，刃口磨损则是刀具切削边缘的磨损现象。
1.2 磨损影响因素盾构刀具的磨损受到多种因素的影响，其中包括岩土的物理性质、刀具材料及硬度、施工参数(如推进速度、刀盘转速等)等。
这些因素的综合作用使得磨损的程度和速率不同。
1.3 磨损评估指标评估盾构刀具磨损的指标通常包括磨损率、切削力以及切削质量等。
磨损率反映了刀具的损耗情况，切削力则代表了切削的负荷情况，切削质量则衡量了切削时刀具的工作性能。
2. 盾构刀具磨损优化设计2.1 材料选择为减轻刀具磨损，可以通过选择更优质的材料来提高刀具的抗磨损性能。
例如，可采用高硬度的合金钢、陶瓷材料或碳化硅等材料来增加刀具的硬度和耐磨性。
2.2 刀具结构设计刀具的结构设计也是磨损优化的关键。
合理的结构设计可以提高刀具的刚度和稳定性，减少磨损的发生。
例如，在刀具的切削边缘增加复合涂层、设计刀具的几何形状等方式，可以减少刀具与岩土之间的磨擦，延缓磨损的发生。
2.3 施工参数优化合理的施工参数设置有助于减轻刀具磨损。
通过研究不同施工参数对磨损的影响，可以找出合适的推进速度、刀盘转速等参数，以减少刀具的磨损。
此外，刀具的清洁和润滑也是减轻磨损的重要措施。
3. 优化设计案例分析以某盾构隧道工程为例，应用上述优化设计方案，进行了刀具磨损分析和改进设计。
结果显示，在优化材料选择和采用复合涂层的同时，合理调整了推进速度和刀盘转速，成功降低了刀具的磨损率和切削力，提高了切削质量。
4. 结论盾构隧道刀具的磨损特性对工程建设具有重要影响，因此需要进行详细的分析和优化设计。
盾构机刀具设计及其对隧道施工效率的影响研究
盾构机刀具设计及其对隧道施工效率的影响研究1. 引言隧道是现代城市和交通基础设施的关键组成部分。
隧道施工效率直接影响着项目进度和质量。
而盾构机作为一种先进的隧道掘进工具，其刀具设计质量和效率对整个隧道施工过程至关重要。
本文旨在研究盾构机刀具设计以及其对隧道施工效率的影响，并提出一些优化方案。
2. 盾构机刀具设计原理盾构机刀具主要包括刀盘和刀片两部分。
刀盘起到支撑和转动刀片的作用，其设计应考虑到刀片的布置、刀盘的牢固性、刀盘直径的大小等因素。
刀片是直接与地层接触的部分，其设计应考虑到适应不同地层的硬度和不同隧道施工阶段的需求，同时还应具备良好的自清理能力和耐磨性。
3. 盾构机刀具设计对隧道施工效率的影响3.1 切割效率盾构机刀具的切割效率主要受到刀片的数量、形状和材料等因素的影响。
同时刀盘的转速和刀片的布置方式也会对切割效率产生影响。
合理的刀具设计可以提高切割效率，减少施工时间。
3.2 地层适应性不同地层的硬度和颗粒大小会对盾构机刀片产生不同程度的磨损和损坏。
合理的刀具设计应考虑到不同地层的特点，选择合适的刀片材料和形状，从而提高刀具的耐磨性和适应性，减少维修和更换刀具的频率，提高施工效率。
3.3 自清理能力盾构机刀具在施工过程中容易受到地层土石和水的侵蚀，导致刀具堵塞，影响切割效率。
优秀的刀具设计应具备良好的自清理能力，有效避免刀具被堵塞，提高施工效率。
4. 优化方案4.1 刀具材料优化选择具有较高硬度和耐磨性的材料可以延长刀具的使用寿命，减少更换刀具的次数。
同时，应结合具体地层情况选择合适的刀片形状，以适应不同硬度和颗粒大小的地层。
4.2 刀片布置优化合理的刀片布置可以提高切割效率和地层适应性。
通过优化刀片的数量、间距和角度等参数，可以提高盾构机的切割效率，减少切割阻力，从而提高整体施工效率。
4.3 刀盘设计优化刀盘的设计要考虑到刀片的牢固性和刀盘直径。
牢固的刀盘能够有效支撑刀片的转动，并减少振动和失真。
盾构机刀盘刀具优化设计和布局对其使用寿命的影响
第2卷第9期2020年9月智能建筑与工程机械Intelligent Building and Construction MachineryVol.2No.9September2020工程机械与智控具优化时口布局对其囲寿命的影响何鑫，杜水明(株洲中车天力锻业有限公司，湖南株洲412001)摘要：盾构机是一种隧道掘进施工的专用设备，其主要通过刀盘上的刀具破碎岩石和切削泥土来实现掘进，盾构机刀具极易出现零件的磨损和失效，在盾构掘进施工中经常出现由于刀盘上刀具设计布局不合理、地层适应性不强等因素造成刀具磨损速度快、异常损坏多等问题，从而导致了盾构施工效率降低、成本上升等问题。
经研究发现在刀盘刀具设计布局时通过对不同施工地层中刀具受力状况进行系统分析，并根据施工地层的地质条件、岩层类型、岩层的力学性能等情况针对性地设计刀具结构、选择刀具类型和优化刀具布局，能够延长刀具使用寿命和提高盾构机工作效率。
关键词：刀具；地层适应性；针对性优化；延长寿命中图分类号：U455文献标识码:A文章编号:2096-6903(2020)09-0049-02在广州、深圳等地区的地铁隧道施工时，这些地区的复合地层软硬不均，同一隧道线路不同位置地层差异很大，盾构机掘进时要不断穿过硬岩、软岩、上软下硬等地层，盾构机刀具的受力复杂、损耗很大，因此在复合地层区域施工时依据地层差异针对性地设计刀具结构、选择刀具类型和优化刀具布局更显重要性，对延长刀具寿命和降低施工成本效果更加明显，本文将从以下几方面对复合地层中盾构机刀盘刀具设计和布局对寿命的影响进行简要分析叫1盾构机刀盘刀具种类盾构机刀盘依据结构形式分为面板式与辐条式，根据应用地层分为硬岩刀盘、软岩刀盘和复合刀盘三种,硬岩刀盘和复合刀盘一般采用的是面板式结构，软岩刀盘一般采用的是辐条式结构。
硬岩刀盘和复合刀盘虽然都是采用的面板式结构，但是由于它们应用的地层环境不同，两种刀盘的开口率、刀具配置等方面存在很大差异。
地铁盾构施工刀具管理及维修技术
地铁盾构施工刀具管理及维修技术近年来盾构施工普遍用于地铁建设，盾构施工适用于各类复杂地层，刀盘的配置及刀具的选用非常关键，刀具成本一般占总成本的15%～20%。
因此，建立合理的刀具管理制度和提高刀具利用率是盾构施工中一大技术点，刀具维修与刀具管理技术成为了降低项目成本主要手段。
标签：盾构施工；刀具维修；刀具管理1、刀盘特点根据地质条件划分，一般把刀盘分为软土刀盘、硬岩刀盘和复合刀盘。
软岩刀盘适用于未固结成岩的软土地层和某些全风化或强风化的软岩地层，一般破岩能力在单轴抗压强度30MPa以下。
上海地区、天津等软地层，使用刮刀类刀具，刀盘结构相对简单，通常称为软土刀盘。
硬岩刀盘适用于已经成形的硬岩地层，一般破岩能力在单轴抗压强度30MPa以上。
现正在施工的成都地铁、山西引黄等工程，通常使用配有刮板的滚刀。
复合型刀盘适用于软硬不均、上软下硬、密实胶结卵石土等软硬不匀的地层。
刀盘上刀具配置滚刀和刮刀，滚刀主要作用是破岩，刮刀作用是清理掌子面泥土或碎石，这样的刀盘通常称为复合刀盘。
广州、深圳、南宁等地地质复杂多变，主要使用复合型刀盘的盾构机。
2、刀具的维修技术2.1刀具类型2.1.1刀具的分类。
目前使用的刀具一般分为刮刀和滚刀两大类。
刮刀是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具。
刮刀的种类繁多，常用的刮刀有边缘刮刀、齿刀、先行刀、贝壳刀、鱼尾刀等。
滚刀是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀具。
根据刀刃的形状，滚刀可分为：齿形滚刀、盘形滚刀。
2.1.2滚刀的结构组成。
滚刀结构主要由刀圈、刀体（套）、刀轴、轴承、金属浮动密封环、刀盖（座）及联接螺栓等件组成。
滚刀的内部结构是保证滚刀工作时正常的关键，通常是由轴承、密封、润滑油脂组成。
2.1.3滚刀刀圈的材料。
根据刀圈的工作条件，刀圈材料应满足较高的屈服强度，避免刀刃端在高应力下压溃变形；较高的硬度，增加耐磨性，减少刀圈磨损；良好的冲击韧性，提高材料裂纹扩展功，防止刀圈断裂；良好的抗回火性能，提高材料的热稳定性，保证刀圈在热装和滚压岩体过程中不降低硬度；良好的热加工和冷加工的工艺性能，材料成本低，制造方便，提高产品合格率，是占领市场的有效途径。
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盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速度的影响摘要:土压平衡式盾构机的刀盘具有切削、支撑、搅拌、土体改良等功能，因此在控制掘进效率、保持开挖面的稳定等方面起着决定性的作用。
盾构选型时必须结合地层的特殊性和通用性来确定刀盘型式、刀具的布置形式以及他们之间的组合方式。
刀盘结构的改造是为充分发挥不同地层条件下辐条式刀盘和面板式刀盘的独特优势，实现两者间的转换。
将面板式刀盘的六块面板的装配形式改为栓接加焊接的形式。
刀具布置形式优化是根据刀具的作用和运动轨迹对刀具的位置、形状进行合理的优化布置，增强刀具的切削能力、降低土体对刀具磨损进而达到保护刀盘本体，为盾构长距离掘进提供保障。
关键词:辐条式刀盘;面板式刀盘;刀盘结构设计;刀具布置形式前言伴随着我国城市化进程的加快，城市建设快速发展，城市规模不断加大，城市交通呈急剧增长的态势，21世纪将是中国城市轨道交通的新纪元，经济发展将会伴随更大的都市化，地铁交通的建设将促使城市的发展，甚至成为一个急迫的任务。
盾构机在隧道施工中，通过刀盘刀具对前方土体进行切削，刀具与土体的适应程度至关重要。
盾构是集液、电、气于一体的大型机械化专用施工设备，目前应用最广泛的是闭胸式盾构，主要分为泥水式和土压平衡式。
土压平衡式盾构机在复杂多变的地质条件下，其刀盘的结构型式、刀盘的支撑形式、刀具的选型、刀具的布置将直接影响到设备掘进的效果。
刀盘刀具于前方土体不适应，将使盾构掘进非常缓慢甚至寸步难行，直接影响到盾构机的工作效率、工程进展及工程的经济效益。
由于刀具是易损件，消耗量大，如果只是依靠进口刀具不仅供货期长，而且成本高，所以使用国产刀具势在必行。
在掌握盾构刀具切削机理和深刻认识刀具磨损相关因素的基础上，针对不同的施工地质进行刀盘刀具的选择、刀具的布置等盾构掘进设备最关键、最核心的问题，进而实现盾构机的国产化就显得尤为必要。
1 刀盘的布置针对不同的地层情况以及设备等情况，盾构的刀盘形式有很多，其主要功能为以下儿点：（1）切削功能:刀盘旋转时，通过布置在刀盘上各种形式的刀具切削土体，并将切削下来的土体刮到土仓。
（2）支撑功能:依靠辐条及辐条之问的面板起到支撑掌了面土体的作用。
（3）搅拌功能:通过刀盘的旋转及搅拌棒的配合作用，使土体与膨润土、泡沫等充分混合，以改善土体的和易性、可塑性，增强土体的流动性，便于出渣，提高掘进工作效率。
（4）控制出渣粒径:通过刀盘结构形式及刀盘开口率控制进入土仓内土体的粒径。
为了实现上述功能，刀盘形式上主要分为辐条式和面板式两类，还有一种是两者组合的复合式刀盘，在该类型中中泥水土压平衡式盾构机的刀盘是真正的面板式，而我们通常意义上的面板式刀盘指的是复合式刀盘，在本文中统称为面板式刀盘。
儿种结构形式的刀盘见下图。
图1.1辐条式刀盘图1.2刀盘式刀盘图1.3复合式刀盘关于刀盘纵断面形状大致有以下几种：1、垂直平面形；2、突芯平面形；3、穹顶形；4、倾斜形；5、收缩形。
如图1.4所示：图1.4 刀盘纵断面形式三种不同的刀盘适用于不同的地质环境和工程概况，如下表1.1所示：表1.1 辐条式刀盘与面板式刀盘主要性能对比表通过表中的对比我们可以看出面板式刀盘更适合于软土环境的地质环境中，可以有效的抵御掌子面的坍塌。
而辐条式刀盘适合于硬质地层中的隧道中。
结合两种类型刀盘实际使用情况，根据的刀盘的功能我们在设计和改造刀盘时主要考虑以下三个问题:（1）开口率开口率是盾构刀盘上一个较重要的参数，直接影响到土体进入土仓的流动性。
辐条式刀盘因缺少面板以及辐条的圆柱形结构设计，开口率较大，切削下来的土很容易进入到土仓内;面板式刀盘因增加了面板以及辐条的箱式结构设计，加之刀具配置较多，开口率较小，切削下来的土体很难及时进入到土仓内，加速了刀具的磨损。
所以开口率的大小一方面影响到出渣粒径，另一方面直接关系到刀盘的磨损速度。
（2）支撑作用辐条式刀盘和面板式刀盘起支撑作用的主体不同。
辐条式刀盘土仓内外的压差很小，从土仓内的土压计上易确定土压值，为掘进过程中的控制提供了真实有效的依据，但其支撑作用主要是靠土仓壁完成的;面板式刀盘承受着来白掌了面上的土压力，起到很好的支撑作用。
但土仓内的土压力不仅与掌了面的土压力有关，还与土仓内土体的密实度有关，掌了面和土仓内土压存在一定差值，且这个差值受到刀盘旋转位置、推进速度等多方面的影响，不确定性较强，这样我们还将土仓内的土压值视为掌了面的土压值来指导掘进势必导致一定得误差。
（3）切削作用影响刀盘切削功能的主要是刀具的形式及其布置形式。
在软土和砂卵石地层中，完成切削功能的主要刀具切削刀。
目前无论是辐条式还是复合式均采用齿刀切削土体，只是齿刀的尺寸、形式、布置位置、装配方式上有差别;刮刀的形式差别较小，且多为装配的方式。
2 刀具的布置和形式刀盘上配置有不同类型刀具，使盾构机能适应软土到硬岩各种地层的掘进。
滚压类刀具：单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀等。
切削类刀具：切刀、刮刀、齿刀、保径刀、超挖刀、中心鱼尾刀、贝壳刀等。
对于不同地层的开挖，盾构的刀具通常采用不同型式：开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀；地层为较软岩石时，采用齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采用切刀(或刮刀)，如图2.1所示：图2.1 不同刀盘刀具的形式2.1滚刀刀具的特点以滚刀为例，在硬岩掘进时，采用滚刀破岩，滚刀破岩的特点是依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。
根据形状不同，可分为盘形滚刀，球齿滚刀，楔齿滚刀等。
盘形滚刀是刀圈为盘形的滚刀，根据刀刃多少又分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀。
目前普遍使用的是单刃滚刀，盘形滚刀主要由图2.2 滚刀结构图刀圈、刀体、刀轴、轴承、密封等组成。
如图2.2所示。
刀圈断面形状有楔刃形和平刃形，刀刃角一般有60°、75°、90 °、120 °或平刃等，掘进硬岩时一般用较大刀刃角，掘进较软岩石时用较小刀刃角。
对于特别软的岩层，刀刃角小容易嵌入岩层，增大刀刃角甚至做成平刃可以改善掘进效果。
因平刃盘形滚刀与岩石表面接触面积磨损前后变化小，近年来平刃刀具使用逐渐增多。
图2.3 滚刀侧面图2.2滚刀的布置方式：a、单螺旋布置b、双螺旋布置图2.4 滚刀在刀盘上布置形式2.3滚刀破岩机理当滚刀受载，刀刃切入围岩时，岩石表面首先产生局部变形并出现微观裂纹，此过程为岩石的初期破碎，当载荷继续增加，滚刀切入岩石深度也相应的加深，在滚刀刃端的岩石粉碎破碎，并且又重新被碾压，围观裂纹在刀刃图2.5 滚刀破岩示意图两侧较快发展，一些裂纹开始延伸到岩石表面，最后形成几道主要裂纹并迅速发展，便形成体积较大的岩石碎块，继而崩落。
滚刀的间距设置会影响不同岩体的破碎情况，应该根据岩石强度调节。
2.4滚刀受力分析对于在砂卵石地层掘进时，由滚动受力示意图可以看出，阻止滚刀转动的力矩主要由三部分组成，土仓内渣土的摩擦阻力力矩，刀箱内渣土的阻力力矩和滚刀的启动力矩(大小为30～50N·m)。
如图2.6所示：通常盾构刀盘外圈刀具的磨损量δ由下式计算 ：式中，δ——磨损量(mm)；K ——磨耗系数(mm/km)； 图2.6 刀具受力图 D ——盾构刀盘外径(m)； N ——刀盘的转动速度(r/min)； L ——掘进距离(m)； V ——掘进速度(cm/min)。
3 刀盘和刀具的配置设计3.1不同开口率条件下刀盘扭矩值以北京地铁四号线14标及4标刀盘参数、掘进参数及工程地质条件为基础，对不同开口率条件下刀具切削扭矩进行计算分析。
表3.1 刀盘刀具基本参数表3.2开口率35%条件下刀盘扭矩分项计算V L N D K /101∙∙∙∙=πδ表3.3开口率50%条件下刀盘扭矩分项计算表3.4 开口率75%条件下刀盘扭矩分项计算图3.1刀盘扭矩分项各占比例从以上计算可以看出，各种开口率条件下刀具切削扭矩占刀盘总扭矩小于5%，即刀具配置对刀盘扭矩的影响非常小，减低刀盘扭矩应该从刀盘开口率、刀盘宽度、渣土摩擦系数等因素入手，刀具的设计、配置及优化对刀盘扭矩无影响。
3.2刀具配置对刀具磨损的影响砂卵石地层盾构刀盘主要有三类刀具配置方式：(1)正面刮刀+周边刮刀组合，在北京地铁五号线17标及沈阳地铁一号线9标等工程中被采用；(2)正面刮刀+周边刮刀+滚刀组合，广泛应用于成都地铁，北京地铁四号线20标等工程也有应用；(3)正面刮刀+盘圈贝型刀+先行刀或正面刮刀+盘圈贝型刀+先行刀+中心鱼尾刀组合在北京地铁广泛应用。
在成都地铁中，通过对刀盘刀具新设计取得的效果如下表3.5：表3.5 刀具改造前后区别在坐标轴中对比可得改造前后的变化如下图3.2所示：图3.2刀具配置改造前后刀具磨损系数对比和刀具配置前后一次掘进距离对比从以上统计分析可以看出，不同的刀具配置对刀具磨损及一次掘进距离影响非常大。
4总结4.1减少刀具磨损的措施(1)改善刀盘与刀体的耐磨性(2)施工工艺措施：①选择合适的添加剂改良材料；②适当调整掘进速度及转速等；③合理的交替使用刀盘正、反转；④自立性好的地段采用适当的减压施工措施；⑤采用长、短刀(主、副刀)具并用法切削土体；⑥选择恰当的盾构刀具几何参数，恰当的刀具布置方式4.2改善掘进速度的措施刀盘的结构及刀具的配置直接关系到掘进的效果和效率，因此针对不同的地层情况进行有针对性的设计和调整，通过合理的优化，将有效延长刀盘、刀具的使用寿命，可以降低施工的成本，且为盾构长距离施工的提供了可靠的保障。
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