盾构刀盘刀具在在不同地层刀盘刀具应用资料.
盾构刀盘刀具使用与管理
盾构及掘进技术国家重点实验室
（一）刀具类型与结构形式
（4）周边刮刀
周边刮刀（也称铲刀）采用背装式设计安装于刀盘外
圈，可从土仓内进行更换，用于清除边缘部分开挖渣
土，防止渣土沉积，确保刀盘开挖直径以及防止刀盘 外缘间接磨损。
盾构及掘进技术国家重点实验室
（一）刀具类型与结构形式
（4）周边刮刀
周边刮刀的切削面上设有一排连续的碳钨合金齿和一
（3）先行刀
耐磨性结构设计：先行刀按刀盘双向转动设计，齿刀
和撕裂刀可安装在一个特殊设计的刀箱中，并允许根
据刀盘转动方向做适当微动。这种微动的结构设计主 要用来减少先行刀侧面的磨损。必要时，齿刀和撕裂 刀的刀座可设计成与滚刀可互换的结构。此外，先行 撕裂刀也可采用类似的双层耐磨设计，并可在刀具背 部设有双排碳钨合金柱齿。
（一）刀具类型与结构形式
单刃滚刀的安装结构
盾构及掘进技术国家重点实验室
（一）刀具类型与结构形式
双刃滚刀的安装结构
盾构及掘进技术国家重点实验室
（一）刀具类型与结构形式
（2）切刀
切刀（也称刮刀），用于切削未固结土壤和软岩地层
，并将切削渣土刮入土仓中，既可用于软土盾构刀盘
，如面板式刀盘和辐条式刀盘，也可用于卵砾石地层 及风化岩地层盾构刀盘。 切刀主要由矿山用硬质合金刀刃和刀体组成。其中， 刀刃焊接在刀体上。根据刀刃焊接方式不同可分为附 着式和嵌入式。
个双排碳钨合金柱齿，用于增强刀具耐磨性，以确保 即使在掘进几公里之后刀盘仍然有一个正确的开挖直 径。对周边刮刀而言，单排连续碳钨合金刀齿是足够 的，因为周边刮刀仅其端部切削地层，而切刀在整个 宽度范围切削地层。
盾构及掘进技术国家重点实验室
（一）刀具类型与结构形式
有关盾构刀具配置于刀盘设计的研究
有关盾构刀具配置于刀盘设计的研究摘要本文主要针对盾构的主要部件刀盘，进行了理论分析和机理的研究，根据不同的地质地表结构所选用的不同刀盘形式以及具体刀具的布置情况，通过实际施工过程中的试验实例进行说明刀具和刀盘设计的重要性，文章指出刀具不是是否合理是直接导致盾构设计成功的关键所在。
关键词盾构机；地质条件；刀具中图分类号p5 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）54-0153-02随着我国地铁隧道工程的快速发展，盾构挖掘隧道与铺设都得到了全面的发展。
盾构在掘进施工过程中对刀具的选择显得尤为重要，刀具选择的成功与否会直接影响到整个工程效益和施工期限。
根据笔者工作经验来看，隧道盾构施工过程中对刀具的选用一定要和当地的水文和地质条件紧密结合起来，针对一些特殊的地质地层，应该合理科学地对刀具做出选择。
所以说，如何才能做到最恰当的选择刀具和最合理地布置刀盘是技术人员必须考虑的问题。
1 刀具的工作原理分析盾构机的掘进切削装置都是由刀盘和刀具两个部分所组成。
盾构机最前方是切削刀盘，刀盘的功能就是切削土体以及对施工地层进行支撑，这样就能确保掘进面上的稳定性。
切削刀具主要功能就是进行切削掘进面上的土，通常情况下刀具都是安装在刀盘的正侧两面，刀具跟随刀盘的转动而转动，这样就实现了对土体的不断切削。
切削刀具最常见的有两种：第一种是刮刀（也有的是固定式齿刀）；第二种是盘形的滚刀。
滚刀是依据切削的运行轨迹和实际间距，具体安装在刀盘中，安装在刀盘上的滚刀要比刀盘面多出来几十公分。
掘进的时候，滚刀第一时间接触到地层，随着刀盘的不停旋转，就会对土体连续切削，由于刀盘受到正侧两个方向的切力压力，因此切力就会被动地进行旋转，从而就实现了对整个土体的挤压松动和切削。
1.1刮削刀具的工作机理由于受到刀盘的推力作用，当刮刀嵌如了岩层或岩渣中之后，刀盘就会带动整个刀具进行转动而不断地刮削前面的岩层，这样就能在在掌面出现一个个犁沟，其主要特点就是刀盘的转动过程中阻力比较大，如果是在一些软土地层或者是在滚刀已经破碎之后的渣土中进行刮刀开挖，渣土就会随着刮刀的正面不断进入到渣槽，所以刮刀不但具有切削的使用功能还同时具有装载的使用功能。
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 。
地铁盾构机施工中的刀盘及刀具改造技术
地铁盾构机施工中的刀盘及刀具改造技术摘要：盾构法是地铁区间隧道施工常用的方法，地质水文适应能力强，对地面交通影响很小，对施工周边环境的振动和噪声等干扰较小，地面沉降控制比较好，对周边地下管线、地面建筑物和构筑物及周围环境的影响比较小，施工速度比较快，工程质量比较高。
关键词：地铁盾构机；施工；刀盘；刀具；改造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，甚至关系到盾构施工的成败。
一、刀具工作原理1.刮削类刀具的工作原理。
在刀盘推力的作用下，刮刀嵌如岩渣或岩层中，刀盘带动刀具转动时刮削岩层，在掌子面形成一环环犁沟，特点是效率高，刀盘转动阻力大。
在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过刮刀进行开挖，渣土随刮刀正面进入渣槽，因此刮刀既具有切削的功能也具有装载的功能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。
二、施工中的刀盘修复和改造1.施工过程中发生的刀具和刀盘严重磨损，北京地铁某标段从第2个区间开始隧道掘进施工，第2个区间完成后，盾构机再掘进施工第1个区间。
盾构机在第2个区间始发后，当掘进至在282环开始，推进速度放慢，推力和扭矩增大，泡沫注入量开始增大;掘进至287环时，推进速度明显减缓，刀盘扭矩增大，泡沫注入量大量增加，渣土温度较高，推进耗时约219分钟;至288环时，刀盘扭矩快速剧烈上升，推进停止。
经过分析，发生此现象的主要原因可能是之前在黏土和圆砾层掘进中，黏土在刀盘中部黏结，在挤压和相互间摩擦的作用下，膨润土、泡沫和地层中的砂石黏土在刀盘中部发生固结，刀盘开口率逐渐减小。
在第287和288两环的施工过程中，刀盘开口率迅速减小，造成排土不畅，扭矩和推力增大。
刀盘的作用和分类
复合式刀盘
四、几种典型地质条件下刀盘刀具的设计
1、软弱土地层
以上海、南京、天津、北京、西安等城市为代表，主要地质 为粉质粘土、淤泥质粘土、粉细沙、黄土等。
南京海瑞克
刀盘采用面板式结构，开口率 32%，主动搅拌棒4根，泡沫口8 个，耐磨设计采用焊接耐磨网格 及耐磨钢板hardox500。 刀盘装有1 把中心鱼尾刀，120把 切刀，16 把周边刮刀及1把仿形 刀。 切刀的布置内少外多，中间区域 每个轨迹上布有4把，周边区域为 8把，开挖直径布有16把刮刀。
鱼尾刀
仿形刀
仿形刀是为曲线掘进、转弯、纠偏设计 的，仿形刀安装在刀盘的边缘，通过一 个液压油缸来控制仿形刀的伸出量，从 而控制超挖范围
仿形刀
仿形刀
2）、滚动刀具(滚刀)
滚动刀具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（钢齿和球齿）、盘形 滚刀（钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀）。见图 根据安装位置滚刀可分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔 滚刀。 目前盾构掘进机滚刀主要是盘形滚刀，盘形滚刀又有单刃、双 刃和多刃。
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。
(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。
不同地质条件下盾构刀具的选用
每一个城市都有其特定地质条件，城市地下空间开发与地质及水文条件密不可分。
隧道施工会针对地质条件选择具有针对性的盾构机，以确保施工安全性与经济性。
刀盘刀具作为盾构机上的关键部件，其设计选型要求会更高、更严谨。
本文将结合已有的设计及国内施工经验，探讨在不同地质条件下刀具选用情况。
1 刀具的原理及分类目前盾构机刀盘按其适应地质一般分为软土刀盘、复合刀盘及硬岩刀盘。
刀盘的掘进施工最终都是靠刀具来完成，刀具按切削原理一般分为滚压刀具及切（刮）削刀具。
滚压刀具的工作原理主要是依靠刀具推力来冲击挤压岩层；再加上刀具旋转扭矩连续滚压破岩，这类刀具在掘进过程中会随刀盘一起公转，同时自身还绕刀轴进行自转。
滚压类刀具对岩石作用力大，常用于硬岩或大直径圆砾地层隧道掘进中，也可用于复合地层，主要分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀等。
切削刀具的工作原理主要是盾构机向前推进的同时刀具随刀盘旋转，刀刃不断嵌入土体并对开挖面土体产生轴向剪切力和径向切削力，分为切刀、中心鱼尾刀、撕裂刀、先行刀、保径刀和边刮刀等形式；此类刀具一般用于软土地层及软岩地层中，或用于硬岩及复合地层辅助切削中。
2 工程地质条件的主要形式及分类我国幅员辽阔，地下条件复杂多样，工程隧道施工前期科学合理地对项目地质条件进行分析必不可少。
根据目前已知地质研究及勘探情况，我国隧道施工地质条件主要分为以下几种。
第一，软土地层，主要由各种沙土、粘土、粉土、填土和淤泥等按照不同比例组合而成，此种地层在我国上海、浙江以及江苏等长三角地区分布较多。
第二，复合地层，主要由岩石、圆砾、碎石及其他各种软土中的两种或多种组合而成，此种地层在我国分布较广，比较典型地区有武汉、长沙和广州等地。
第三，硬岩地层，主要以较硬的岩石为主，由一种或多种岩石以不同强度及固体形状组合而成，此种地层主要出现在我国四川、重庆等山岭隧道中。
第四，其他特殊地质条件，如溶洞，膨胀土（吸水膨胀、失水收缩）、湿陷性土（黄土）、冻土（冻胀、融陷）和大孤石等特殊地理环境或区域下形成的、具有特殊性质的地质。
盾构关键部件介绍--刀盘
翻转刀盘，将板过渡板与大圆 环 点焊；
在大圆环上气割出组装单刃滚 刀
刀箱和边缘刮刀位置的缺口， 并 修磨需焊接位置； 焊接工艺参数：ER50-6，φ1.2， I=240～330A，U=2433V,
L=15～20L/MIN；
焊接时严格控制层间温度150 ～ 250 ℃。
翻转刀盘：刀箱与大圆环组装、 点焊；点焊后均匀加焊；此类焊缝为 Ⅱ级焊缝；然后将其余前主体部分板 按图位置点焊，焊接；焊接时要求保 持对称焊接，以减小焊接过程中引起 的变形；在以变形的地方要求加辅助 支撑。
刀盘主体结构焊接完成后需要经过去应力处理：铸造支腿需要经过 时效处理；焊接支腿结构形式刀盘需要经过退火处理。 在机加工之前需要进行喷砂、喷漆处理。 刀盘转加工
9、刀座焊接
焊接பைடு நூலகம்需调整刀
盘水平；刀座焊 接需要刀具工装， 刀具工装与刀盘 体组装后，要求 工装位置调至水 平、工装轴心与 刀盘轴心一致。
刀盘与切口环对齐，适用范围居中。
刀盘与前盾间隙为 30mm，刀盘厚度与土 舱长度有关。
4、刀盘支承方式
刀盘支承方式可分为中心支承式、中间支承式、周边支承式三种。 支承方式与盾构直径、土质对象、螺旋输送机、土体粘附状况等因 素有关。
刀盘不同支承方式的性能对比表
5、刀具
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。
4、支腿焊接
焊缝需求等级为Ⅰ级焊缝； 支腿焊接需要辅助支撑加固； 焊前预热，预热温度为150～200℃ 焊接工艺参数：ER50-6，φ1.2，I=240～330A，U=24～33V,L=15～ 20L/MIN；控制层间温度100～250℃；
浅谈盾构机刀具的种类及其配置方式
浅谈盾构机刀具的种类及其配置方式作者：李健敏来源：《中国新技术新产品》2015年第17期摘要：在盾构法隧道穿越过程中，盾构机的刀具是盾构开挖的主要工具，且刀具的好坏决定了整个掘进过程。
所以选择正确的刀具，并在刀盘上对其进行合理布置是至关重要的。
本文着重介绍了刀具的种类及其配置方式。
关键词：盾构机；刀具；刀具配置中图分类号：U455 文献标识码：A一、刀具种类刀具是盾构机重要的部件，其直接影响着盾构施工进度。
所以必须根据工程地段岩石的不同强度和地质特点以及刀具在不同岩石中表现出的破岩机理来对刀具进行设计和选择。
为了适应从软土到硬岩不同地层的开挖，目前设计出多种刀具与之适应。
盾构机刀具类型分为两大类：滚刀和切削刀。
而切削刀的种类繁多，包括：切刀、齿刀、边刮刀、先行刀、仿形刀、鱼尾刀。
其中，滚刀和齿刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型，两种刀具可以互换。
1 滚刀。
滚刀用于掘进纯岩地层；伴有大粒径的砾石（粒径大于400mm）并且含量达到一定比例的松散地层；岩石（强度不是太高）与一般土体（松土或砂土）交错频繁出现的复杂地层。
采用滚刀破岩时，其破岩原理是：刀盘旋转带动刀具扫过开挖面，此时滚刀挤压周边的岩石，使其表面形成裂纹继而与开挖面脱落，使得岩石成功破碎。
滚刀按刀具形状的不同分为：盘形滚刀和齿形滚刀；而根据安装位置不同分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀；按照刀圈的数量分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀。
在风化的砂岩和泥岩等软岩地层时，一般采用双刃滚刀；在较硬岩中采用单刃滚刀。
2 切刀。
切刀是盾构机切削开挖面上体的主刀具。
切刀用于开挖非岩质或软土地层；粒径小于400mm的砂、卵石、粘土等松散体地层。
切刀在切削和剥离土体时，其切削原理是：盾构机向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力，使得切刀的刀刃和刀头插入到地层内部，从而不断将土体切削下来。
盾构机刀盘参数
盾构机刀盘参数一、刀盘类型盾构机刀盘是盾构机的核心部件之一，根据不同的工程需求和地质条件，刀盘可以分为多种类型。
常见的刀盘类型有开式刀盘、封闭式刀盘和混合式刀盘。
1. 开式刀盘开式刀盘适用于地质条件较好的工程，刀盘中心开放，便于土层进入刀盘，减小土层阻力。
开式刀盘通常由刀头、刀臂和刀盘壳体组成，刀头采用硬质合金制成，具有良好的耐磨性和抗冲击性。
2. 封闭式刀盘封闭式刀盘适用于地质条件较差的工程，刀盘中心封闭，避免土层进入刀盘，减小刀盘磨损和故障率。
封闭式刀盘通常由刀头、刀臂、刀盘壳体和密封装置组成，密封装置能有效防止泥水进入刀盘，延长刀盘使用寿命。
3. 混合式刀盘混合式刀盘结合了开式刀盘和封闭式刀盘的优点，在不同的地质条件下灵活应用。
混合式刀盘通常具有可调节的开合机构，可以根据实际情况选择开放或封闭的状态，以适应不同地层的掘进需求。
二、刀盘直径刀盘直径是刀盘的重要参数，直径的选择与盾构机的工程要求密切相关。
刀盘直径的大小直接影响盾构机的推力和刀盘的承载能力。
1. 小直径刀盘小直径刀盘适用于直径较小的隧道掘进工程，如市政管网、地铁站台等。
小直径刀盘具有结构紧凑、操作灵活的特点，适合在有限空间内进行作业。
2. 中直径刀盘中直径刀盘适用于中等规模的隧道工程，如城市地铁、铁路隧道等。
中直径刀盘具有推力和承载能力较大的特点，能够应对一定规模的地质变化和水压力。
3. 大直径刀盘大直径刀盘适用于大型隧道工程，如跨海隧道、山岭隧道等。
大直径刀盘具有强大的推力和承载能力，能够应对复杂的地质条件和高水压力，但也对盾构机的功率和控制要求提出了更高的要求。
三、刀盘转速刀盘转速是刀盘的另一个重要参数，合理的转速选择可以提高盾构机的掘进效率和刀盘的使用寿命。
1. 低速刀盘低速刀盘适用于较硬的岩石地层，转速较低能够提供更大的切削力，效果更好。
低速刀盘适合用于大直径刀盘，能够更好地控制刀盘的承载能力和切削效果。
2. 中速刀盘中速刀盘适用于一般的地质条件，转速适中，能够平衡刀盘的切削效果和刀盘的磨损。
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）
刀盘刀具应用分析概要
（1） 在盾构掘进方向，可以建立刀盘推力与各滚刀法向推力的平衡关系：
n
m
Fni
Fn'j F
i 1
j 1
Fni
F′nj Fnj
Ftj
刀盘推力F
刀盘、滚刀受力分析示意图
式中：Fni为第i把面刀的推力，F‘nj为第j把边刀沿隧道轴线方向的作 用力，F为刀盘推力，n为面刀数量，m为边刀数量。
在刀盘的设计理论中，一般假设每把滚刀（包括面刀和边刀）沿隧道轴线 方向上的作用力都相等，即平均分担刀盘的推力，则面刀法向推力为
细沙，粉细沙，中粗沙，粗砂， 砾沙，卵砾
洪积层的沙质粘土，残积土， 泥岩等。
②风化岩层
主要指各类基岩地层，其特性侏罗系 较安定，岩性以中微风化为主抗压强度大 ，发育裂隙小，微透水单轴抗压强度较大 ，如：微风化花岗岩。 目前国内在盾构隧 道碰到最硬的达到236MPa（二氧化硅含量 均要达到70-80左右）。微风化砂岩也要达 到90MPa左右。但岩石自稳性极好。
2）、大刀盘面板与地层的摩擦阻力扭矩： T2
T2
2 3
c 1
D 3
软土地层条件下盾构机刀盘及刀具选型
软土地层条件下盾构机刀盘及刀具选型摘要：刀盘刀具是复合式盾构机的关键部件，国内外主要采用相似模型试验、数值仿真和现场测试等手段，研究特定刀具的破岩能力、岩土性质及温度等因素对刀具的影响、随机载荷作用下刀具的疲劳寿命及掘进效率的影响、刀盘系统整体强度、刚度及稳定性等问题。
而针对实际工程实例的复合式盾构机刀盘刀。
关键词：软土地层；盾构机；刀盘及刀具；选型引言盾构施工技术已越来越广泛地应用于城市地铁隧道施工中。
我国幅员广阔，地质条件多样，针对各类不同的地质条件，能否设计满足盾构工程施工需要的盾构刀盘及刀具是工程能否成功的关键因素。
本文针对软土地层地质条件下盾构刀盘及刀具设计展开研究。
一、软土地层条件下盾构机刀盘选型1、刀盘开口率刀盘开口率是指刀盘留空面积占整个刀盘面积的百分比。
这部分留空面积，是切削渣土的运动通道。
渣土脱离土体后，在重力及刀具刮削作用下，沿刀盘开口流动到土仓。
搅拌后，从土仓底部螺旋输送机排出。
开口率的大小对应的是渣土排放的效率。
若取值过小，破碎（切削）的渣土不能及时进入土仓，滞留在刀盘前方，跟随刀盘做摩擦运动，随着温度升高，会固结在刀具、辐条等部位形成泥饼。
因此，在结构强度允许的情况下，开口率尽可能地取较大的值较好。
开口率的取值对应刀盘的常态转速。
开口率的计算公式：K=1/（r+1）其中：K——开口率（%）r——刀盘转速（rpm）刀盘转速是一个从0到Rmax的范围值。
通常是连续可调的。
但刀盘的开口率是固定的，一经设计、制造成型就不可更改。
因此，确定刀盘开口率需要预先评估针对隧道地质条件下刀盘的经常工作状态，根据刀盘的常态转速来确定刀盘的开口率。
岩土硬度高、结理发育差的地层，刀盘转速应较大。
相应的，对刀盘开口率要求就小。
这与高硬度岩土开挖效率低，出渣量小的施工形态是对应的。
反之，岩土硬度低、结理发育丰富地层（如全、强风化地层），刀盘转速应较小。
对刀盘开口率要求就大。
2、刃间距刀盘旋转时，每一个滚刀运动轨迹都是一个以刀盘回转中心为圆心的轨迹圆。
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.
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
盾构刀具简介
盾构刀具简介吕志峰，刘玉海，刘学红山东天工岩土工程设备有限公司，山东聊城252000)摘 要：盾构刀具是盾构机切削岩土的工 具。
本文介绍了盾构机用刀具的分类，扼要叙述了盾构机 的切削 刀具和滚压刀具的功能、形状、用材及制造工 艺，对盾构机用刀具的使用者与管理者有借鉴作用。
关键词：盾构刀具；切削刀分类；滚刀结构；刀具焊接 中图 分类号：TD421.2+5 文献标志码：BIn troductio nto Shield Machi neCutterLU Zhi-feng, LIU Yu-hai, LIU Xue-hong(Shandong Techgongeotechnica Engineering Equipment Co., Ltd, Liaocheng 252000 Shandong ProvincChina)Abstract: The shield machine cutter is a type of tool employed by a shield machine to cut n&cSoil. The paper describes the category of shieldmachinecutters and focuses on the function, shape, material, and manufacturing process of cutters and rolling cutters used on the shieldachine. It can function as a referencfor the usersand keepers of shield machinecutters.Key words: shield machine cutterthe category of shield machine cutters; the structure of rollingutters;the cutter welding经历了从依赖进口到平分国内市场 ，到部分产品 出口的过程。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
盾构刀盘刀具管理与不同地层 刀盘刀具应用
李凤远
盾构及掘进技术国家重点实验室
2014年06月 郑州
1
盾构及掘进技术国家重点实验室
纲要
一、盾构刀盘刀具概述 二、盾构刀盘刀具管理 二、盾构刀盘刀具及地质适应性 三、盾构刀盘刀具管理 四、盾构滚刀选型与损坏分析 五、刀盘动态掘进实验试验分析 六、盾构带压进仓技术
17 盾构及掘进技术国家重点实验室
5、盾构刀具的受力机理 2）软岩刀具破岩原理 软岩的切削主要是刀具直接对土层进行剪切破坏
来进行切削的。
软土刀具切削机理示意图
18 盾构及掘进技术国家重点实验室
二、盾构刀盘刀具及地质适应性
盾构及掘进技术国家重点实验室
（一）软土刀盘刀具地质适应性
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。
但磨损较快。
15 盾构及掘进技术国家重点实验室
4、硬岩滚刀刀圈分类
盾构机滚刀具按刀圈外径规格一般分为12英寸， 15.5英寸，17英寸，19英寸等系列，目前国内地铁盾 构机所用刀具主要为17英寸，以下是四种系列刀具的 特征参数。
刀具尺寸
12英寸 15.5英寸 17英寸
19英寸
（刀圈外径） （305mm）（394 mm）（432 mm） （483 mm）
盾构及掘进技术国家重点实验室
中国中铁6、16号与西安的黄土及砂层地质
CREC No.16 盾构直径
6280mm
驱动类型
Frequency Converter
驱动功率
660Kw
总推力 最高日进度
37000KN 13.5m
CREC No. 6 盾构直径
6280mm
驱动类型
Hydraulic
驱动功率 总推力 最高日进度
软岩刀盘：轮辐型刀盘可减低刀具实际负载力矩， 有利于渣土的流动，并可将土仓内土压有效传递到 作业面。 复合型刀盘：
针对复合地层，刀具互，基本为面板式刀盘。
5 盾构及掘进技术国家重点实验室
制造商海瑞克盾构机面板式刀盘
6 盾构及掘进技术国家重点实验室
制造商NFM公司盾构机面板式刀盘
7 盾构及掘进技术国家重点实验室
2 盾构及掘进技术国家重点实验室
一、盾构刀盘刀具概述
3 盾构及掘进技术国家重点实验室
1、一般盾构刀盘分类
按照掘进机纵向形状一般分类： 目前使用的掘进机的刀盘形状,根据掘进机纵剖 面的形状,可分为垂直平面型,锥型和弓型三类： 垂直平面型刀盘掘进中是呈平面对掌子面进行作 业开挖的,作业平面可使掌子面稳定。
锥型刀盘即刀盘形状类似麻花钻,刀盘中心有一 突出的钻头,此种形状可保持开挖方向性,提高开挖 效率。
弓型刀盘用于硬岩掘进机,适合砾石层和微风化岩 层的开挖。
4 盾构及掘进技术国家重点实验室
1、一般盾构刀盘分类
掘进机的刀盘根据前部面板形状分面板型和轮辐 型两种。
硬岩刀盘：面板型刀盘可防止过多德坍塌，有利 于掌子面的稳定；
630Kw 37000KN
15m
盾构及掘进技术国家重点实验室
沈阳无水砂卵石地层：
• 地层以粒径0～20MM,20～40mm中粗砂、砂砾、 圆砾石为主；
• 地下水水位在掘进断面以下1m左右.
13 盾构及掘进技术国家重点实验室
3、刀具类型
仿形刀 用于局部扩大隧道断面
单刃滚刀 用于硬岩掘进 刀刃距刀盘面175mm，可换装齿刀。
14 盾构及掘进技术国家重点实验室
4、硬岩滚刀刀圈分类
刀具的种类
平头型刀具
楔型刀具A
楔型刀具B
形状
特征
从新品到报废刀刃 适用于龟裂少的硬岩 适用于石灰岩、泥岩 都保持一定的宽度。及混有卵石的岩层。 等磨损较少的堆积岩 能用于多种岩石。 使用初期切入性很好，等。
制造商维尔特TBM面板式刀盘
8 盾构及掘进技术国家重点实验室
辐条式刀盘（日本小松、IHI）
9 盾构及掘进技术国家重点实验室
2、刀盘支撑的形式
隧道掘进机刀盘支撑的形式一般有中心轴式，中 间支撑方式，周边支撑方式等几种。
1）中心轴式一般使用于小直径的盾构机； 2）中间支撑方式一般实用于大中型直径的掘进 机，此种方式一般采用双数横梁进行支撑，广州地 铁二、三号线的德产“先锋号”盾构机就使用了这 种支撑方式，此方式缺点是在软岩条件下，容易在 横梁中间形成泥饼，影响刀具机械性能和掘进速度； 3）周边支撑方式，刀盘由框架支撑，机内中间 空间大，有利于大块岩石和障碍物的处理，此种国 内所使用的掘进机基本少见。
135~180
180~210
应用范围 (断面直径）
2~3m
3~5m
5m以上 8m以上
16 盾构及掘进技术国家重点实验室
5、盾构刀具的受力机理 1）滚刀滚压原理 由于刀盘推力和驱动扭矩的存在，刀圈轴向受力
挤压岩层，刀盘推力使刀具隧道轴向承受推力，只 要达到岩石的强度极限，便可挤压破岩；同时刀具 的驱动回转力矩使刀具滚动径向受力，从而克服来 自掌子面的摩擦力矩。
双刃滚刀
双刃中心刀
用于硬岩掘进
用于硬岩掘进，在软土中
刀刃距刀盘面175mm，可换装齿
可以换装齿刀。
刀。
中心齿刀 用于软土掘进，替换滚刀， 更换后可以增加刀盘中心部分的 开口率。
12 盾构及掘进技术国家重点实验室
3、刀具类型
正齿刀 用于软土掘进。
切刀 软土刀具。 同时可用做硬岩掘进中的刮渣。
弧形刮刀 软岩刀具。 同时在硬岩掘进下可用作刮 渣。
10 盾构及掘进技术国家重点实验室
• 刀盘支承方式有3种： 1）中心支承式（适用于中小型直径盾构） 2）中间支承式（适用于中大型直径盾构） 3）周边支承式（适用于小型直径盾构）
①中心支承方式 ②中间支承方式 ③周边支承方式
盾构及掘进技术国家重点实验室
3、刀具类型
刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层 的开挖，主要刀具按刀具结构分常见类型有：单刃 滚刀，双刃滚刀、中心滚刀、齿刀、切刀、弧形刮 刀和仿形刀。
刀具也主要以软土切削型刀具为主，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。
20 盾构及掘进技术国家重点实验室
西安老黄土、砂第砾二石部地分层：复合盾构施工技术
特点：老黄土密实，水含量少；砂砾石粒径 小（0.1～30mm），水含量少，粘性颗粒少。