盾构机刀具的使用磨损

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
理
图
33
29
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。
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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
14
海瑞克刮刀是用硬质合金钢做为刀头，高耐 磨合金钢作为刀体。
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其它进口盾构刀具在材料方面由两至 三种构成，即基体材料、硬质合金材 料、刀具刃口堆焊材料等复合制成。 下表为一种用于盾构机刀具刃口的铁 基堆焊材料的化学成分和性能。
堆焊 镶铸
一种铁基刀具刃口堆焊材料的化学成分和性能
硬度
化学成分
(砂质土)
(10<N<25)
标准贯入锤击数
卵石层(N>40)
砂砾卵石 (10<N<40)
冲击粘土 (0<N<10)
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5 刀具的作用及切削机理
(1) 切削刀
切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀一 般形状如左下图所示。一般情况下，β(前角)与α(后 角)值随切削地层特性不同变化，取值范围在5～20 度之间，粘土地层稍大，砂卵石地层稍小。
鱼尾刀示意图
23
根据经验，鱼尾刀的设计和布置可应用两个技巧：其一让盾构机分两 步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面(直径约1.5 m)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削
刀不在一个平面上，一般鱼尾刀超前600 mm左右，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
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。
（HRC
C
Cr Ni Si Mn Mo Fe
）
0.1-0.3 5-10 1-3
< 1
0.5-2
<0. 5
余量
50-55
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4 刀具的选择
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)。
洪积土
(如同犁地一般)：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，又大大提高盾构机整体掘进水平。
鱼尾刀切削土体示意图
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(5) 仿形刀
盾构机一般设计两把仿形刀(一把备用)，布置在辐条的两 端。施工时，可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从辐条 两端径向伸出和缩回仿形刀，达到仿形切削的目的。仿形刀 伸出最大值一般在80～130mm之间。盾构机在曲线段推进、 转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削土体创造所需空间，保证 盾构机在超挖少、对周边土体干扰小的条件下，实现曲线推 进和顺利转弯及纠偏。
刀具。切削刀又分为齿刀、刮刀和先行刀等。
按运动方式分类
按安装方式分类
6
按安装位置分类
1-8号中心齿刀
7
刀具按掘削目的、设置位置和用途的分类
种类名称 固定刀具 旋转刀具 超前刀具 导向钻头 外沿保护刀具 修边刀具 背面保护刀具 加泥嘴保护刀具 掘削障碍物刀具
用途 掘削掘削面 掘削掘削面 超前掘削 破碎地层 保护刀盘外沿 减小推进阻力 保护背面面板 保护加泥嘴 掘削障碍物
超 硬 钢
种 类
特性值
硬度 抗弯强度 (HRA) (MPa)
化学成份（%）
W
C0
C
用途
的 种
E1 >90
>1200
87～ 90
4～8 5～6
类 及 E2 >89
特 性 E3 >88
>1400 >1600
85～ 89
83～ 87
5～ 10
5～6
7～ 12
5～6
盾构刀具 13
海瑞克齿刀由刀体、端部硬质合金刀片和背部球 齿构成。
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7 某盾构施工的刀具配置
这里介绍广州地区某大型地下工程盾构法开挖过程中的刀 具配置。选用盾构机为德国海瑞克公司生产的土压平衡式 盾构机，刀盘为面板式，刀盘的开口面积占刀盘总面积的 28%左右。刀盘采用液压驱动，并配备了泡沫注入系统、 膨润土注入系统和压缩空气系统，具备良好的渣土改良功 能。
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化学成分
Mn
Si (≦)
S (≦)
P (≦)
脱氧方法
抗拉强度 δb/MPa
伸长率 δz(%)
硬度 (HB)
A
0.140.22
0.300.65
0.050
0.045
B
0.120.20
0.300.65
0.03 5
0.045
C 0.18 0.30-
0.040 0.040
D 0.17 0.65
0.035 TZ
①软土地层刀具配置
配置了3种软土刀具:切刀64把、弧形刮刀32把、齿刀14 把(齿刀与盘型滚刀可以互换安装，但刀盘周边的5把滚刀不 能更换为齿刀)。
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硬岩滚刀破岩主要分为以下几个步骤：
1) 挤压阶段：滚刀在高推力作用下，切入岩石表面(切入深
度1～10/15mm，取决于岩体强度)，同时岩面产生局部变形及 很高的接触应力。并在此应力作用下，刀刃与岩石接触部分的岩 体产生粉碎区，即应力核心区。此核心区深度越深、范围越大对 提高破岩效率越明显。
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刀具选择与布置：
盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。根据不同 地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合，实现刀具配置的灵 便性，提高刀盘的开挖效率。目前盾构机上常用的主要刀具有 切刀、刮刀、齿刀、双刃滚刀、单刃滚刀、扩孔刀等。
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刀具的示意图和实物照片
齿刀
海 瑞 克 盾 构 刀 盘 刮刀
滚刀
小 松 盾 构 刀 盘
6 刀具布置与配置
刀具布置有两种方式： 第一种为刀具整体连续排列方式，因其切削阻力较大，
盾构机密封舱内土体流动性差，现已很少使用，仅偶尔在切削 阻力小的淤泥质地层中采用；
第二种为刀具牙型交错连续排列方式，因其切削阻力小、
切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌而被广泛使用。 目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。
超前刀刀具形状及与切削刀协同切削土体的示意图见左下
图。
超 前 刀
20
21
(3) 盘圈贝型刀
盘圈贝型刀实质上是超前刀，盾构机穿越砂卵石地层， 特别是大粒径砂卵石地层时，若采用滚刀型刀具，因土体 属松散体，在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，大大降低 滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。采用盘圈 贝型刀，将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石， 可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石)的难题。
抗压强度(单向应力条件)或抗压强度与地层主应力组合 值(三向应力条件)时才能形成粉碎区，以保证裂缝产生 位置具有一定深度。
3) 抗拉强度：是裂缝形成的力学原因。
31
影响破岩效率的因素：
根据以往工程实践及试验数据，影响破岩效率的因素有：
1) 脆性/塑性:是对抗压强度、抗拉强度的综合评价，适用
于抗压强度较大(小)，而抗拉强度较小(大)岩石。有关文献资料 显示在同样条件下，脆性岩体在挤压阶段所需时间远远小于塑 性岩体(约八分之一)。
设置部位 面板正面 面板正面 面板正面 面板正面 面板正面外沿 面板外沿 面板背面 加泥嘴部位 面板正面外围
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滚刀的示意图和实物照片
a) 盘形 滚刀 示意 图
b) 盘形滚刀圈
c) 盘形滚刀
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切削刀的实物照片
a) 周边刮刀
b) 周边刮刀(背面)
c) 周边刀安装位置
d) 齿刀
方柄齿刀
f) 齿刀
g) 中心齿刀
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切削刀的实物照片
h) 先行刀
i) 先行刀
j) 先行刀
k) 牛角刀
l) 羊角刀
m）三棱刮刀
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3 刀具的材料
海瑞克周边刀的刀体是德国产钢号为St52-3的钢材， 其性能相当于国产的低碳钢Q235，Q235钢的化学成 分和力学性能见下表。由表可知，该材料的韧性较好 但硬度较低。
等 级C
Q235钢的化学成分和力学性能
2) 起裂阶段：沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉强度或抗剪
强度时，便产生张拉裂缝。该裂缝是滚刀能否破岩的先诀条件。 在应力核心区下层是应力过渡区，该区为应力衰减区，对岩体裂 缝的产生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂缝，由于其 方向与破岩方向一致，因此也不能显著地提高破岩效率，但能加 大下个循环中压入阶段应力范围。
石中，国外曾有在抗压强度超过200 MPa岩石中应用的
工程记录。
盘形滚刀圈
盘形滚刀
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安装在刀盘上的盘形滚刀在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。滚刀在刀盘的推力、扭矩作用下，在掌子面上切 出一系列的同心圆沟槽。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，形成压碎区和放射状 裂纹;进一步加压，当滚刀间距S满足一定条件时，相邻滚刀间 岩石内裂纹延伸并相互贯通，形成岩石碎片而崩落，盘形滚刀 完成一次破岩过程。
刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常 重要的内容。刀具布置方式及刀具形状是否 适合应用工程的地质条件,直接影响到盾构 机的切削效果、出土状况和掘进速度。
5
2 盾构刀具的分类
盾构机刀具可根据运动方式、布置位置和方式及形 状等进行分类。按切削原理划分，盾构机的刀具一
般分为切削刀和滚刀两种，其余形式的刀具为辅助
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(2) 超前刀(也称先行刀)
顾名思义，超前刀即为先行切削土体的刀具。超前刀在设计中主要 考虑与切削刀组合协同工作。刀具切削土体时，超前刀在切削刀切削 土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的切削 条件。据其作用与目的，超前刀断面一般比切削刀断面小。采用超前 刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提 高刀具切削效率，减少切削刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石 地层使用效果十分明显。
盘圈贝型刀实物照片
盘圈贝型刀示意图
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(4) 鱼尾刀
采用大刀盘全断面切削土体，布置在刀盘不同位 置的切削刀，从刀盘外周至中心，运动圆周逐渐减小， 中心点理论上可以视为零，相应土体流动状态也是越 来越差。而且中心支撑部位(直径约1.5 m)不能布置 切削刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可 考虑在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。
2) 耐磨性:本指标直接关系到盾构机掘进效率，是承包商
进行刀具寿命及备品估算、工期筹划的主要依据。根据国外资 料统计在耐磨性小的岩石中，更换刀具时间占总停工时间的3%， 而在高耐磨性岩石中有20%之多；以每掘进1米时间计算，耐磨 性小的岩石为0.02~0.05 hr/m，而高耐磨性岩石则可高达0.2hr/m。
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%。
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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。
切削刀一般形状示意图
三棱刮刀
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切削刀为盾构机开挖非岩质地层的基本刀具，其形状、 布局将对开挖效果有重要影响。切削刀切削土体的示意见 下图。对于软土地层或经滚刀破碎后的碴土将通过切刀和 刮刀进行开挖。碴土随切刀、刮刀正面进入碴槽，因此切 刀、刮刀既具有切削的功能又具有装载的功能。
切削刀切削土体示意图
盾构机掘削刀盘即作转动或摇动的盘 状掘削器，由掘削地层的刀具，稳定 掘削面的面板，出土槽口，转动或摇 动的驱动机构，轴承机构等构成。
某刀盘实物照片
3
刀
某
盘
刀
驱
盘
动
主
系
驱
统
动
示
意
图
刀
主 轴 承பைடு நூலகம்
盘 搅 拌 结
构
搅拌棒
4
关于盾构机的刀盘、驱动机构等将在后边介 绍，因此这里主要介绍盾构机掘削地层的刀 具。
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(6) 滚刀
根据广州及深圳地铁建设经验，随着城市轨道路网
的延伸及建设力度的加大，盾构区间不仅需穿越常见的
软弱地层，同时还需在部分硬岩地段中通过。因此在刀
具选择上既要考虑在软岩中开挖的需要，也要考虑在硬
岩中的要求。一般认为刮刀适用于土层及部分软岩，盘
形滚刀适用于硬岩，其中单刃滚刀能用在强度很高的岩