盾构掘进机破岩刀具

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盾构刀盘结构设计与分析

关键词：盾构；刀盘；结构设计；发展
中图分类号：U455.43
文献标识码：A
doi：10.13244/ki.jiwhr.20190158
1 研究背景
盾构是以土质为主地质条件下，隧洞（道）全断面开挖的地下施工机械装备，广泛用于水利水电隧洞、铁路公路隧道、城市地铁、市政等工程的施工。盾构刀盘属于钢结构焊接件，安装在盾构最前端，是掘削刀具安装的载体。在盾构施工中，盾构刀盘连同其上的刀具一起推进并旋转，刀盘将推力和转矩传递给每把刀具，使刀具对掌子面土体产生切削力并进行切削作业。刀盘刀具在地下施工过程中会遇到不同种类的地质，如黏土、砂土、淤泥、卵砾石等多种地质的混合土体，作业条件复杂恶劣，从而给盾构刀盘及刀具提出了严苛要求。由于盾构施工隧道地质地层的不同、隧道断面形状和不同生产厂商秉承设计理念的不同等，出现了各式各样的盾构刀盘结构。因此，分析盾构刀盘结构、刀具刀座、刀具布置和其它刀盘功能结构等的发展和面临的挑战，为盾构刀盘结构设计创新发展提供借鉴就显得非常必要。
2 刀盘结构分析
2.1 刀盘三大功能目前隧道施工使用的盾构刀盘主要包括三大功能：开挖功能、稳定功能和搅拌功能［1］。刀盘结构设计过程中，前两大功能是刀盘设计需重点考虑的首要因素，对刀盘结构设计也有非常大的影响，而搅拌功能则是刀盘旋转切削地层时的附加功能，对结构设计影响较小。盾构刀盘结构设计合理与否直接影响着盾构的开挖效果和掌子面稳定情况，三大功能也成为刀盘结构设计的出发点。刀盘结构形式与隧道地质状况密切相关，为了实现刀盘的三大功能，不同地层应采用不同的且与之相适应的刀盘结构设计形式。

土压平衡盾构机械结构及功能介绍

中心回转接头
刀盘泡沫注入口结构
刀盘的主要分类
按结构形式分，一般分为两类：辐条式刀盘和面板式刀盘。
按功能分，一般分为两类：软土刀盘和复合式刀盘。
开口率的定义
• 开口率是指开口面积占整个刀盘面积的百分比。一般在20%～65%不等，开口率对土压平衡盾构有着重要意义，开口是否合适直接影响到压力控制。
主驱动
液压驱动典型结构（以中铁2号为例）
主要组成：
1）液压马达/8台 2) 减速机/8台 3）小齿轮及其两端的调心滚子轴承/8套 4）主轴承/1个 5）驱动箱及其它环类零件/1套 6）主轴承外密封/3道 7）主轴承内密封/2道
驱动参数
1）驱动形式：液压驱动 2）速度：0～3.34rpm，连续可调 3）最大扭矩：5060KN·m 4）脱困扭矩：6030KN·m 5）最大速度下的扭矩：
• 3、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。
刀盘主要结构
1、主驱动连接法兰（连接主驱动） 2、扭腿（传递扭矩及轴向力） 3、外圈梁（加强结构强度） 4、刀梁（安装刀具） 5、搅拌棒（渣土改良） 6、渣土改良注入口（渣土改良、回转接头）
中国中铁
土压平衡盾构机
机械结构及功能介绍
中铁隧道装备制造有限公司
目录
一、土压平衡盾构机介绍（结合总装图）二、主驱动系统三、出渣系统四、管片拼装系统五、设备桥拖车六、人员仓
一、土压平衡盾构机介绍
• 土压平衡就是在盾构开挖时，利用土仓内的土压或加注辅助
材料产生的压力来平衡开挖面
的土压及地下水压力，以避免
先行刀
鱼尾刀
• 在软土地层掘进时，因刀盘中心部位不能布置切刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。鱼尾刀的设计和布置技术如下：其一让盾构分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其他切刀不在一个平面上，即鱼尾刀超前切刀布置，保证鱼尾刀最先切削土体；其二是将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动，这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性，又大大提高盾构整体掘进效果。

滚刀工作原理分析

滚刀工作原理分析盘形滚刀简称盘刀，就是隧道掘进机滚压破岩常用得一种刀具型式,典型得盘刀一般由刀圈、轮毂与轴组成。

ﻫ盘形滚刀在各类隧道掘进机上使用非常广泛，主要用于全断面岩石隧道掘进机、盾构及顶管设备。

过去盘形滚刀主要用于全断面岩石隧道掘进机刀盘破岩,随着隧道及地下工程得快速发展，所遇到地层复杂性逐渐增加,开始在盾构刀盘上使用盘刀(同时布置切刀与滚刀）,形成所谓得复合式盾构,以应对各种软硬不均或富水地层，如砂卵(砾)石地层、风化岩地层及越江、跨海隧道得高水压地层_1］。

实践证明,这种盾构对地层具有良好得适应性，大大拓展了盾构得适用范围。

国际上现在有研发全能隧道掘进机得趋势，1盘形滚刀得受力及破岩机复合式盾构应该就是全能隧道掘进机得一种雏型。

ﻫ理ﻫ每把盘形滚刀在切割岩石得过程中,刀刃与岩石之间都存在３个方向得相互作用力:(1)法向推压力FN,指向开挖面,由刀盘得推力提供;（２）切向滚动切割力FR，指向滚刀切向，由刀盘转矩提供;（3)滚刀边缘得侧向力ＦIJ,由滚刀对岩石得挤压力与刀盘旋转得离心力所产生，指向刀盘中心,其数值较小,与其它2个力不属于同一数量级,一般不考虑。

３个方向得作用力见图1。

切向滚动切割力主要取决于推力、切深及滚刀直径。

盘刀直径一定,切深越大，所需滚动切割力越大;切深确定时，滚动切割力随盘刀直径得增大而减小。

ﻫ刀盘工作时，滚刀先与开挖面接触,在推力作用下紧压在岩面上，随着刀盘得旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。

盘形滚刀在刀盘得推力与转矩共同作用下，在掌子面上切出一系列同心圆沟槽。

刀盘旋转并压人岩石得过程中，盘形滚刀对岩石将产生挤压、剪切、拉裂等综合作用，首先在刀刃下会产生小块破碎体,破碎体在刀刃下被碾压成粉碎体,继而被压密形成密实核,随后密实核将滚刀压力传递给周围岩石,并产生径向裂纹，其中有一条或多条裂纹向刀刃两侧向延伸，到达自由面或与相邻裂纹交汇,形成岩石碎片,整个过程如图2所示。

TBM简介

TBM 是英语Tunnel Boring Machine（隧洞掘进机）的简称，是目前国际上最先进的隧洞施工机械，它依靠机械的强大推力和剪切力破碎岩石（注：推力由高压液压油缸提供，使刀具能够贯入岩体，因此油缸的推力、道具的贯入度就是TBM的掘进速度的一个重要参数。

剪切力就是由安装在刀盘上的刀具——滚刀、切刀、刮刀等切割岩体实现的，刀盘由驱动轴承带动旋转提供扭矩和转速），使隧洞掘进、出碴、衬砌、灌浆、采用激光导向等工序平行作业，实现一次成洞。

TBM法对围岩扰动小，开挖面平整圆顺，超欠挖少，可以有效降低地质灾害发生风险，实现连续快速作业。

它具有速度快、质量优、费用低、施工安全等优点，广泛应用于水利、水电、城建、交通等行业。

（注）：Tunnel Boring Machine应该是所有“隧道掘进机”的统称（简写TBM），真正意义上的TBM主要分为两个大类，一个是岩石隧道掘进机（国内一般称为TBM，有单护盾和双护盾的，用于岩石隧道施工，初期支护多采用锚杆喷射混凝土支护，大部分还有二次衬砌，最终成型隧道，不过也有采用类似盾构管片形式一次成型的），另一个就是所谓的盾构机了（国内还是称为盾构机，分为土压平衡盾构机EPB-Tunnel Machine和泥水盾构机。

用于单一或者复合式的土层、砂层、岩层地质条件的隧道施工，没有初期支护，采用管片的形式进行拼装形成衬砌，一次成型隧道）。

另外还有一种顶管法，与盾构机相似，但是原理不同，应用范围也不一样，了解不多，是否属于TBM不敢确定，就不作解释了。

在国内，不要把“TBM”是划分后岩石隧道掘进机的称呼还是隧道掘进机的总称上混淆了。

在国外TBM可能就是我们称之为的岩石隧道掘进机，也可能是盾构机；在国内TBM就是岩石隧道掘进机。

TBM 适用于中硬岩层的开挖，最适宜于开挖岩石单轴抗压强度介于50～150MPa 的岩层。

当岩石的抗压强度超过150MPa时，将导致掘进机刀具磨损加剧，掘进速度降低，施工成本提高。

TBM详细介绍

全断面岩石掘进机TBM
秦岭隧道TBM
TBM 步入出发洞
Komatsu Hard Rock TBM
Disc Cutter (Back Loading Type)
Cutter Ring Cutter Hub Retainer Cutter head Bulkhead Cutter casing Bolt
图 10 刀圈破岩
破岩轨迹
图 12
石碴
TBM类型
• TBM 由主机和后配套系统组成，一般又分为敞开式 TBM 和护盾式 TBM 两大类型，护盾式 TBM 又有双护盾 TBM 和单护盾 TBM 之分；敞开式 TBM 目前主要有两种结构形式，即前后共有两组“ X” 支撑的凯氏 TBM（含有内凯机架Inner Kelly和外凯机架Outer Kelly），另一种为单支撑主梁式 TBM。软弱围岩所占比例较大的隧道一般选用护盾式 TBM，而岩石稳定性好软弱围岩较少的隧道一般选用敞开式 TBM，此外，还要根据工程设计及工程造价进行综合分析确定。
TBM的工作原理
• 主机前部是装有若干滚刀的刀盘，由刀盘驱动系统驱动刀盘旋转，并由 TBM 推进系统给刀盘提供推进力，在推进力的作用下滚刀切入掌子面岩石，不同部位的滚刀在掌子面上留下不同半径的同心圆切槽轨迹，在滚刀的挤压下，相邻切槽的岩石在剪切力作用下从岩体上剥落下来形成石碴，石碴则随着刀盘的旋转由刀盘上的铲碴斗自动拾起，经刀盘内的溜碴槽输送到装在主机上的皮带机上，再运到后配套系统处经隧道出碴运输系统运出洞外。
TBM施工主要关键技术
（2）TBM施工组织管理技术 TBM施工时，掘进、出碴、支护、进料运输等工序平行连续作业，系统性强，要求各环节紧密配合，以TBM掘进作业为中心，其他配套设施和系统要尽可能满足TBM掘进的需要，与钻爆法施工在组织管理上具有完全不同的技术特点，这给TBM施工组织管理技术提出了挑战。 TBM 掘进平均机时利用率是衡量 TBM 施工组织管理技术水平的主要指标，目前国际水平在40%左右。

盾构刀盘刀具

一般在软土地层和砂性地层中采用切削破岩方式进行盾构施工，在岩石地层、硬塑土层和砂砾地层中采用以滚压破岩为主、切削破岩为辅的方式进行掘进施工。滚压破岩的主要机具为盘形滚刀，切削破岩的主要机具为切刀。
盘形滚刀破岩轴迹
轴向力P使滚刀压入岩石，滚动力矩M使滚刀滚压岩石，两者的共同作用使岩石得到连续的破碎。推力是主要的参数，它决定了扭矩（滚动力矩）及其他参数，滚压破碎功率中扭矩是最主要的参数，占破碎功率的绝大部分
盾构机的掘进性能很大程度上取决于刀盘的结构形式、刀具类型及布局方式等
目前国际上只有德国、美国、日本、法国、加拿大等少数几个国家的企业具有能力生产，且造价高昂。 2002年8月，中铁隧道集团在河南建立了隧道掘进机产业化基地，成立了以盾构/TBM研究开发中心、盾构/TBM 组装调试中心、盾构/TBM制造维修中心为主要发展方向的隧道机械制造公司。2004年7月，上海隧道工程股份有限公司也在上海外高桥建立了盾构产业化基地，成立了上海盾构设计试验研究中心和上海外高桥隧道机械有限公司。
伊万斯公式计算垂直推力比实际破岩垂直推力要小剪切破碎理论科罗拉多矿业学院预测公式基于线性切割目前刀盘设计中常用垂直力滚动力科罗拉多矿业学院预测公式基于压痕试验东北工学院岩石破碎研究室预测公式上海交通大学640教研室预测公式华北水电学院北京研究生部公式pf
盾构刀盘刀具
盾构掘进机 (Shield machine，Shield tunneling machine)
日本秋三藤三郎（侧向力公式学院预测公式（基于线性切割）目前刀盘设计中常用
垂直力
滚动力
科罗拉多矿业学院预测公式（基于压痕试验）
东北工学院岩石破碎研究室预测公式
上海交通大学640教研室预测公式

滚刀工作原理分析

滚刀工作原理分析盘形滚刀简称盘刀，是隧道掘进机滚压破岩常用的一种刀具型式，典型的盘刀一般由刀圈、轮毂和轴组成。

盘形滚刀在各类隧道掘进机上使用非常广泛，主要用于全断面岩石隧道掘进机、盾构及顶管设备。

过去盘形滚刀主要用于全断面岩石隧道掘进机刀盘破岩，随着隧道及地下工程的快速发展，所遇到地层复杂性逐渐增加，开始在盾构刀盘上使用盘刀(同时布置切刀和滚刀)，形成所谓的复合式盾构，以应对各种软硬不均或富水地层，如砂卵(砾)石地层、风化岩地层及越江、跨海隧道的高水压地层_1]。

实践证明，这种盾构对地层具有良好的适应性，大大拓展了盾构的适用范围。

国际上现在有研发全能隧道掘进机的趋势，复合式盾构应该是全能隧道掘进机的一种雏型。

1 盘形滚刀的受力及破岩机理每把盘形滚刀在切割岩石的过程中，刀刃与岩石之间都存在3个方向的相互作用力：(1)法向推压力FN，指向开挖面，由刀盘的推力提供；(2)切向滚动切割力FR，指向滚刀切向，由刀盘转矩提供；(3)滚刀边缘的侧向力FIJ，由滚刀对岩石的挤压力和刀盘旋转的离心力所产生，指向刀盘中心，其数值较小，与其它2个力不属于同一数量级，一般不考虑。

3个方向的作用力见图1。

切向滚动切割力主要取决于推力、切深及滚刀直径。

盘刀直径一定，切深越大，所需滚动切割力越大；切深确定时，滚动切割力随盘刀直径的增大而减小。

刀盘工作时，滚刀先与开挖面接触，在推力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和转矩共同作用下，在掌子面上切出一系列同心圆沟槽。

刀盘旋转并压人岩石的过程中，盘形滚刀对岩石将产生挤压、剪切、拉裂等综合作用，首先在刀刃下会产生小块破碎体，破碎体在刀刃下被碾压成粉碎体，继而被压密形成密实核，随后密实核将滚刀压力传递给周围岩石，并产生径向裂纹，其中有一条或多条裂纹向刀刃两侧向延伸，到达自由面或与相邻裂纹交汇，形成岩石碎片，整个过程如图2所示。

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）

TBM滚刀与岩石相互作用研究方法综述

HUANG Xing 1 ZHANG Mengqi1 WANG Qian2
（1.Tribological Design Laboratory of Shield/TBM Equipment, Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031； 2.Department of Mechanical Engineering, Northwestern University，Evanston IL 60208）
已有众多学者对滚刀破岩问题开展了研究，并获得了诸多具有价值的研究成果。选择进行滚刀-岩石相互作用的研究方法是探讨滚刀-岩石作用机理的一个重要环节。本文主要对研究滚刀-岩石相互作用机理所使用的手段与方法展开综述，主要内容包括：实验研究的手段与方法；数值模拟的手段与方法。在对国内外相关研究成果进行系统性回顾的基础上，展望滚刀-岩石相互作用研究的发展趋势。

研究滚刀与岩石相互作用机理的实验方法与数值模拟方法，分析了各类方法的优劣势，并就相关技术的未来
发展进行了展望。
关键词：隧道掘进机；盘形滚刀；岩石破碎；相互作用
中图分类号：U455.31
文献标识码：A
文章编号：1003-5168（2021）14-0114-07
Recent Research on the Interaction between TBM Cutter and Rock
摘要：盘形滚刀是用在全断面隧道掘进机（TBM）上的重要破岩工具。现阶段，利用全断面隧道掘进机进行
硬岩隧道施工时，刀具损耗巨大，致使工期加长、施工效率低下。研究盘形滚刀与岩石的相互作用机理对于
指导盘形滚刀选型、盘形滚刀形貌设计以及施工参数的选取都具有重要的理论意义与实践价值。作为开展

盾构机刀具选型及维护

• 3.2 根据地层选择刀盘刀具 • 地层不同,刀盘的结构及其刀具的组合布置、刀具性能的要求也不同。根据地层一般把刀盘分为三类：刮刀刀盘、滚刀刀盘和复合刀盘
• 刮刀刀盘切削型刀具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20Mpa以下。对于如上海地区、天津、西安、郑州等均一的软土地层，通常只使用刮刀类刀具就可以了。这类刀盘结构相对简单，通常称为辐条式刀盘或软土刀盘。 • 滚刀类刀盘盘形滚刀适用于硬岩地层，对于均一的全断面硬岩地层通常只用滚刀（配以刮板），铁路、公路隧道、引水工程隧道常常是这类地层。作成的刀盘通常称为硬岩刀盘或TBM刀盘，目前主要是17〞盘型滚刀。如秦岭铁路隧道施工的TBM刀盘。
• 在西宁线桃花铺隧道施工中，采用威尔特TB880E 隧道掘进机，国产刀圈与维尔特刀圈对比如表。
• 一组国产刀具应用图片
• 国产面临的问题： • 1）实现标准化或通用化，达成批量化生产降低生产成本、提高质量稳定性； • 2）刀具生产企业整体实力的提升； • 3）对国产刀具的正确认识
4、刀具的失效形式
• 3.6 国产盾构刀具的应用我国盾构机刀具的研制，通过铁道部科技攻关和国家863项目以及一系列的地方产学研项目的完成，掌握了盾构机刀具制造和应用的核心技术，走在了世界前列。表现在： 1)应用范围广：广泛应用于城市地铁隧道、江底隧道、引水隧道和铁路隧道； 2)刀圈的耐磨性接近世界先进水平的威尔特圈； 3)刀具的密封性能优良，能实现长距离掘进； 4）适应性更强，刀具的多样化，解决了我国重大工程中刀具问题，如北京直径线、广深港狮子洋隧道、广州地铁、成都地铁等。 5）经济性更好（同样质量前提下）
• 4.1刮刀（齿刀）的失效： 1）正常磨损 2) 刮刀刀刃崩裂：在硬岩掘进中，滚刀磨损太大，刮刀直接切割未经滚刀破碎的硬岩；在硬岩中掘进时，转速太快，突遇硬岩，冲击造成刀刃崩裂；在硬岩掘进中，进刀太深等原因造成刀刃崩裂。 3) 刮刀刀体断裂：刀体本身的强度和韧性不够；进刀太深。 4) 刮刀掉齿：合金刀齿的焊接工艺不过关；刮刀突遇硬岩。

盾构刀盘刀具

泥水盾构（Slurry shield），土压平衡（EPB）盾构机（Earth-pressure balanced shield）
盾构机的掘进性能很大程度上取决于刀盘的结构形式、刀具类型及布局方式等
目前国际上只有德国、美国、日本、法国、加拿大等少数几个国家的企业具有能力生产，且造价高昂。
东北工学院岩石破碎研究室预测公式
上海交通大学640教研室预测公式
华北水电学院北京研究生部公式
P：侵入岩石深度 Pf：实际切深
滚刀布置规律岩石对盘形滚刀作用力计算
倾覆力矩为0
研究内容：刀盘刀具受力分析、刀盘刀具的分布规律（Solidworks，Ansys， Deform-3D ）
“十一五”产业化方向
在全国范围内形成2～3个隧道掘进机产业化基地，每个基地具备年产20台隧道掘进机的能力。
土平衡盾构产业化、系列化泥水盾构和复合盾构的研制 TBM关键技术研究
世界上最大的泥水盾构之一，开挖直径14.96m
泥水盾构结构
德国海瑞克EPB
刀盘刀具研究内容包括以下几个方面：
滚压破岩的主要机具为盘形滚刀，切削破岩的主要机具为切刀。
盘形滚刀破岩轴迹
轴向力P使滚刀压入岩石，滚动力矩M使滚刀滚压岩石，两者的共同作用使岩石得到连续的破碎。推力是主要的参数，它决定了扭矩（滚动力矩）及其他参数，滚压破碎功率中扭矩是最主要的参数，占破碎功率的绝大部分
剪切和破碎岩石：刀圈与岩石接触界面上的摩擦力（碾碎）；刀圈作圆周运动的向心力（对刀圈内侧岩石产生剪切作用）；人为造成滚刀的滑动。
2002年8月，中铁隧道集团在河南建立了隧道掘进机产业化基地，成立了以盾构/TBM研究开发中心、盾构 /TBM组装调试中心、盾构/TBM制造维修中心为主要发展方向的隧道机械制造公司。2004年7月，上海隧道工程股份有限公司也在上海外高桥建立了盾构产业化基地，成立了上海盾构设计试验研究中心和上海外高桥隧道机械有限公司。

盾构机的刀具配置介绍.

异常磨损量 60
50
40
30
20 10
异常磨损量
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
刀具磨损分析——滚刀（二）
刀具磨损情况图 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
24
滚刀破岩机理（三）滚刀滚压岩石随着推力的不同，岩石的破碎一般分为三个阶段：研磨、疲劳破碎和有效体积破碎。研磨：当滚刀受到的推力很小时，刀圈对岩体的挤压力远小于岩体的极限强度，岩体破碎是摩擦力的作用下引起的表面磨损，破碎的颗粒小，刀圈磨损严重，对岩体的破碎速度慢。疲劳破碎：当滚刀受到的推力增大，但刀圈对岩体的挤压力仍小于岩体的极限强度，通过刀圈对岩体的多次碾压，岩体产生疲劳裂纹，进而发生破碎。有效体积破碎：当滚刀受到的推力足够大，刀圈对岩体的挤压大于岩体的极限强度时，刀尖贯入岩石，岩体产生跳跃式的直接破碎，破碎块增大，破碎速度增大，并随轴压的增加而线性增加，岩面被盘形滚刀挤压破碎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，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，改工况下破岩速度高，刀圈磨损小，岩石破碎过程所消耗的比功小。
中心鱼尾把先行刀54把保径刀20把横向保径刀1620151216盾构机刀盘的结构形式掘进刀具切削破岩刀具滚压破岩刀具刮刀常见刀具形式双刃常见刀具工作原理和使用条件刀具类型适应条件工作原理刀盘向前的压力及旋转的惯性力破坏岩石刮刀软土地层通过刀刃切割土体并具有装载作用使岩体固结性能变差破坏岩体的结构2015121619复合式盾构机的开挖系统一20151216双刃刮刀撕裂刀实物图双刃刮刀和撕裂刀安装示意图双刃刮刀实物图20151216复合式盾构机的开挖系统二边缘刮刀示意图各种滚刀以及刀箱里的安装示意图复合式盾构机的开挖系统刀具安装位置目前我们在地铁盾构施工中遇到的代表性地层主要有

盾构机与全断面掘进机(TBM)的区别

•
用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。 • 盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。 • 盾构机施工主要由稳定开挖面、挖掘及排土、衬砌包括壁后灌浆三大要素组成。其中开挖面的稳定方法是其工作原理的主要方面，也是区别于硬岩掘进机或比硬岩掘进机复杂的主要方面。大多数硬岩岩体稳定性较好，不存在开挖面稳定问题。 • 盾构机根据其适用的土质及工作方式的不同主要分为压缩空气式、泥水式，土压平衡式盾构机等不同类型。泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。土压平衡式盾构机是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。
土压平衡式盾构机是把土料必板与开挖面之间形成泥土室刀盘旋转开挖使泥土料增加再由螺旋输料器旋转将土料运出泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量旋转速度进行调节
盾构机与全断面掘进机 (TBM)的区别
• • 盾构机是盾构法施工中的主要施工机械。盾构施工法是在地面下暗挖隧洞的一种施工方法，它使用盾构机在地下掘进，在防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时，在机内安全地进行隧洞的开挖和衬砌作业。其施工过程需先在隧洞某段的一端开挖竖井或基坑，将盾构机吊入安装，盾构机从竖井或基坑的墙壁开孔处开始掘进并沿设计洞线推进直至到达洞线中的另一竖井或隧洞的端点。

盾构机滚刀磨损原因分析及改进方法

盾构机滚刀磨损原因分析及改进方法作者：雷霆来源：《世界家苑·学术》2018年第07期摘要：介绍了盾构机滚刀的工作原理，详细的介绍了滚刀的磨损和破坏形式并进行了原因分析。

在此基础上结合实际盾构施工过程提出了一系列施工注意措施以及滚刀的改进方法。

最后，展望了盾构机滚刀磨损研究的发展方向和前景。

关键词：盾构机滚刀；正常磨损；轴承破坏；热处理滚刀的切削原理主要是依靠刀具挤压破岩，一般用于岩石隧道掘进。

工作时，滚刀在推进力的作用下，排列在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，岩面被碾出一系列同心圆，利用滚刀的楔块作用，当超过岩石受力极限时，两个同心圆之间的岩石中间裂缝贯通，岩片被剥落，从而达到破岩挖掘的作用。

然而由于山体岩石的高强度、高硬度与地质条件的复杂性等原因，使掘进机刀具成为掘进过程中最易损坏的零部件。

因此，自主开发集高强度、高硬度、高耐磨性与耐热疲劳性能好和优良的韧性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。

用于盾构隧道掘进的刀具按照形状、作用方式的不同，可分为滚刀和切削刀具两种不同的类型。

在硬岩地层中采用滚刀，软土地层常用切削刀具，本文主要介绍滚刀磨损的原因以及改进方法。

一、滚刀磨损形式及原因分析①正常磨损。

滚刀进行破岩时，破岩效率与其刀口宽度有关。

随着滚刀刀圈磨损量的增加，刀口宽度增加，达到一定范围时会影响掘进速度，由于受到刀圈加工工艺的限制，而且新装刀圈与齿刀之间的高差为35mm，所以确定正滚刀与中心刀最大磨损量为30mm；而边缘滚刀则因隧道直径以及所处位置的要求，其磨损极限一般为15mm。

正常磨损是刀具失效的主要形式，另正常磨损又称为均匀磨损，其磨损形状为在刀口宽度范围内磨损较均匀。

②滚刀刀圈断裂。

在掘进过程中由于岩石情况发生变化或刀盘其他部件（如齿刀等）脱落卡在刀刀与岩壁之间，会导致刀圈局部过载而使刀圈应力集中、发生断裂，同时刀圈与刀体配合过盈量未达到要求也会造成刀圈断裂。

盾构掘进机破岩刀具课件

4Cr5MoSiV1 0.32- 0.2- 0.80.42 0.5 1.2
4.75- 1.1- 0.8-
5.5
1.75 1.2
Robbins 0.39 0.53 0.65 0.018 0.009 0.84 0.24 刀圈实测
1.62 0.25
Wirth 刀圈实测
0.50 0.76
0.32 0.032 0.019 5.15
这种密封由两个啮合的金属密封环和两个富有弹性的复合橡胶密封圈组
成。具有浮动能力，可补偿装配端间隙或防止偏斜。金属密封环是密封装置中的主要零件，其结构及质量的好坏起决定性作用。金属密封环采用高硬度的耐磨高铬钼的铸铁材料，硬度HRC60-65，工作表面粗糙度Ra≤0.1um，表面平面度≤0.0015mm。
目前的滚刀刀圈有两大类：整体耐磨钢材料和镶有硬质合金球齿的刀具材料。
整体耐磨钢刀圈材料主要以合金工具钢为主，也有合金结构钢，硬度在HRC52-59, 它的特点是可以承受较大的冲击，并具有较高的耐磨性能，刀具制造费用较低，适用地层范围广，从软岩、中硬岩到硬岩都可选用。
盾构掘进机破岩刀具课件
常用刀圈材料成分
盾构掘进机破岩刀具课件
国外刀圈性能表2
类别
X50CrMoV51 (Wirth刀圈实测)
4340 Robbins刀圈实测
σb(M pa)
δ5%
2050 5.5
Ψ% aK(J/Cm2)
10
14
40
HRC 54－57 52－53
通过对国外刀圈解剖分析和我们的研究，各刀圈制造公司对
标准材料都会作适当调整，并采用特殊的冶炼工艺、锻造工艺和热处理工艺,保证刀圈的综合性能。
C
Si Mn

盾构机掘进中刀具损坏问题及其维护

设备管理与维修2021翼3（下）0引言21世纪后，城市化进程加快，交通拥堵等问题严重影响城市生活品质，地下空间资源开发成为城市可持续发展的重要方向。

目前日本、法国等国家在地下工程实践方面取得显著成果，随着各项基础设施建设、城轨交通等工程对盾构机大量需求，盾构机在隧道施工中得到迅速发展。

盾构法施工对隧道周围土体扰动小、不需拆除已有建筑物，盾构法施工成为地下空间开发的主要施工方法。

刀具配置直接影响施工效率及刀盘寿命，刀具磨损是盾构施工的难题，刀具磨损后安全高效进行更换尤为重要。

目前对刀具磨损情况掌握不足，成为制约掘进速度的重要因素。

研究表明，刀具日常维护保养及更换时间占施工成本的1/3。

刀具配置是否合理，直接影响盾构机刀盘使用寿命。

刀具磨损后经济地更换是重要的课题。

研究盾构机掘进刀具维护对盾构施工具有重要借鉴意义。

1盾构机简介盾构机是将机械等多学科技术集于一体的大型综合施工设备，用于地铁修建等大型地下工程建造。

盾构掘进机优点体现在施工安全、有利于环保、适用于多种土质等。

盾构机进行隧道施工具有施工速度快、开挖隧道可控制地面沉降，在地下开挖不影响地面交通等优点[1]。

隧道掘进机地质针对性强，用于硬岩地层隧道掘进机为TBM （Tunnel Boring Machine ，隧道掘进机）。

盾构机类型主要分为机械式、手掘式等。

手掘式盾构机需对开挖面加固，适用于软硬间杂的开挖面；半机械式盾构机安装掘土机械，在加固辅助方面与手掘式相同，适用地质包括固结粉及黏土等；挤压式盾构机掘进时，土体从胸板上开口处挤压入盾构机内，适用于冲积形成粉质砂土层；机械式盾构机前部装旋转刀盘，适用于开挖面可自立稳定洪积地层；土压式盾构机把土料作为稳定挖掘面介质，分为加水、加泥土压与复合土压盾构机，可使掘削土砂流动性增强。

泥土压式在土质应用方面最广泛，适用于粉土等固结度较低的软基。

高水压地基中需采取其他措施保证土压平衡。

盾构机主要组成包括刀盘刀具、推进系统，排土机构、电气系统等。