6米盾构刀盘
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。
盾构刀具大解析
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)
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。
C
5～6 5～6 5～6 5～6 5～6
用途
盾构刀具 盾构刀具 砂层刀具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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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。
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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。
海瑞克盾构机基本参数
海瑞克土压6.3m盾构基本参数名称技术参数备注管片设计外径6米内径5．4米管片宽度1．5米数量5+1盾体前体 6.25x6.25x2.9米86.5吨中体 6.24x6.24x2.58米80吨前盾数量1个中盾数量1个直径6．25米不计耐磨堆焊层长度(前体和中体) 4．68米螺栓连接并带密封盾构类型土压平衡盾构最小水平转弯半径300米最大工作压力3BAR土压传感器(数量) 5个气闸连接法兰1个螺旋输送机连接法兰1个盾尾 6.23x6.23x3.61米30吨盾尾数量1个型式绞接长度3．61米密封3排钢丝刷注浆口4个DN50,单管推进油缸液压数量30个10组双缸+10组单缸分组数量4组推力34 210KN 最大300BAR行程2米工作压力300BAR伸出速度80mm/min 所有油缸绞接油缸类型被动式数量14个行程150 mm刀盘 6.28x6.25x2.6米65吨数量1个形式装配有滚刀式直径6．28米旋转方向左/右刀具配置4把17寸中心双刃滚刀，32把17寸单刃滚刀，28把齿刀（250mm宽），8组边刮刀（1组两把）。
刀盘上泡沫喷嘴数量8个中心回转体1个刀盘驱动数量1个形式液压驱动液压马达数量9个额定转矩6000KNm最大脱困扭矩7150KNm转速0~4.5转/分功率945KW 3x315KW主轴承形式固定式人闸数量1个形式双仓直径1．6米工作压力3BAR 测试压力4．5BAR 额定人数（容纳）3+2 主仓/副仓管片安装器管片安装器及行走梁5．0x4.0x3.8米22吨数量1个形式中心回转式抓紧系统机械式自由度6个旋转角度+/—200度比例控制管片宽度1．2/1．5米纵向移动行程2米比例控制控制装置无线、有线控制螺旋输送机形式双螺旋转、有轴式1号螺旋输送机13.4x1.2x1.4米23吨长度13．4米直径800mm功率160KW最大扭矩198 KNm拖困扭矩225 KNm转速1~22转/分无级调速最大出土量（理论值）285方/时100%充满时卸渣门1个测试压力4．５Ｂ竖向的防水连接1个２号螺旋输送机8.1x1.2x1.4米19吨长度８．１米直径800mm功率1１0KW最大扭矩1８０KNm拖困扭矩2０６KNm转速1~22转/分无级调速最大出土量（理论值）285方/时１００％充满时卸渣门１个后配套设施设备桥前端9.72x3.3x3.5米10.8吨设备桥后端9.0x3.3x3.5米11吨1号拖车11.5x4.5x3.5米20吨2号拖车11.9x4.75x3.5米37吨3号拖车12.3x4.85x3.5米27吨4号拖车16x4.5x3.5米26吨台车数量４＋设备桥在轨道上行走，开式结构管片吊车１个带机械抓紧装置液压单元１个包括过滤器和油箱冷却系统１个新鲜水２５℃由现场提供注浆系统1个注浆泵2台SWCHING泵，流量10方/时压力测量装置4个砂浆罐1个容量6方，带搅拌器泡沫发生器4个水泵1个133 l/min泡沫泵1台300 l/min膨润土注入系统1个膨润土储存罐1个容量6方，带搅拌器膨润土注入泵1台30方/时压缩空气供应系统1台空压机，含空气过滤器1台55kw,7.5barar,10方/min高压空气储存罐1个1000升压力气体调节装置2个DN65，在盾体内主驱动装置润滑泵1个200kg桶盾尾油脂泵1个200kg桶HBARW油脂泵1个60kg桶盾尾污水泵1个隔膜泵，12方/时，气动操作室1个带空调主副配电柜1个变压器1台2000 KV A双水管架1个工业水（进、出水管），DN80 高压电缆托盘1个可存200m电缆（含国产200m电缆）二次通风系统风机1个15kw通风管储存装置2个1米风管，100米储量小型起吊装置1个导向系统1个SLS-T-APD管片排序系统1个用于导向系统数据采集系统1个中英文界面数据传输1套电话线+调制解调器，及地面计算机和界面显示的软件电力系统初级压力10 kv次级压力400 v变压器2000 kvA 硅油型，IP55控制电压24 v/230 v照明电压230 v阀工作压力24 v频率50 Hz系统绝缘保护IP 55PLC S7 (西门子)功率配置刀盘驱动系统945kw液压系统供给泵55kw盾构推进系统75kw管片安装器45kw辅助设备22kw油冷却系统8kw润滑系统 5.5kw螺旋输送机270kw皮带机30kw泡沫发生装置22kw膨润土注射系统30kw砂浆设备38kw二次通风15kw空压机55kw电源插座及工地用电100kw合计1716kw。
地铁盾构施工方案
地铁盾构施工方案地铁盾构施工方案一、工程背景目前，城市发展迅猛，交通压力不断增加，地铁交通作为快速、便捷的一种交通方式，受到越来越多的人们的青睐。
为了满足城市发展需要，我们拟在市内修建一条地铁线路，采用盾构施工技术，确保工程质量和进度。
二、工程概述该地铁线路起点位于市中心，终点位于市郊，全长10公里，设有5座地下车站。
施工地点地质条件复杂，存在地下河流、砂土层等。
施工深度为20米，路线主要地质为黏土和砂岩。
三、盾构机介绍为了保证工程进度和质量，我们选用直径6米的盾构机进行施工。
该盾构机采用密封式刀盘结构，可同时进行土壤切割和土壤搬运，具备很高的自动化和智能化程度，能够适应各种地质情况。
四、施工步骤1.勘察与设计：在施工前，我们将进行详细的勘察工作，确定地质情况和地下水位。
根据勘察结果，设计合理的盾构线路和施工方案。
2.隧道开挖：盾构施工是一种从地下向上推进的施工技术。
我们将在起点处进行盾构设备的安装，然后进行盾构机控制和操作培训。
在施工过程中，盾构机将切割土壤并搬运至车尾，然后通过运输系统将土壤运出施工现场。
3.地下车站施工：在盾构完成隧道开挖后，将进行地下车站的施工。
先进行车站的基础工程，然后进行车站的结构施工、设备安装等工作。
车站施工过程中，必须保证安全和排水系统的正常运行。
4.隧道封顶：地下车站施工完成后，进行隧道封顶工作。
封顶是地铁盾构工程的重要环节，关系到施工质量和工程进度。
我们将根据设计要求，进行合理的封顶方案，确保隧道的稳定和安全。
5.装修和设备安装：隧道封顶后，进行隧道的装修和设备安装工作。
主要包括照明系统、通风系统、防火系统等。
同时，根据设计要求，进行车站的装修和设施安装。
五、施工安全与环保措施在施工过程中，我们将严格遵守有关安全和环保的法律法规，采取以下措施：1.施工现场设置警示标志和安全警示标牌，明确安全区域，保证工人的安全。
2.对盾构机进行定期检查和维护，确保其正常运行和安全操作。
盾构机械刀盘及刀具设计与优化
盾构机械刀盘及刀具设计与优化随着城市地下空间的不断开发和利用，盾构机械在地铁、隧道等工程领域中得到了广泛应用。
盾构机械的刀盘及刀具是决定其施工质量和效率的重要因素之一。
本文将重点讨论盾构机械刀盘及刀具的设计与优化。
1. 刀盘设计1.1 刀盘结构设计刀盘是盾构机械的核心部件之一，其结构设计的合理性对盾构机械的工作效果有着重要的影响。
刀盘的结构设计应该考虑以下几个方面：1.1.1 刀盘刚度设计刀盘的刚度设计直接影响到刀具在施工过程中的稳定性和耐久性。
应该根据盾构机械的工作条件和土壤的物理特性，合理选择刀盘的材料和结构尺寸，确保刀盘具有足够的刚度。
1.1.2 刀盘模块化设计刀盘的模块化设计可以极大地提高刀具更换的效率，并且便于维护和保养。
刀盘的模块化设计应该考虑到刀具的安装和拆卸便捷性，同时也要保证刀具的工作性能。
1.1.3 刀盘防护设计刀盘的防护设计不仅能够保护刀具，在施工过程中还能够减少对环境的影响。
刀盘的防护设计应考虑到刀具的精度和平衡性，同时也要与盾构机械的其它部件协调配合。
1.2 刀盘传动系统设计刀盘传动系统是盾构机械的另一个重要部分，其设计的合理性对盾构机械的运行效果至关重要。
刀盘传动系统设计应该考虑以下几个方面：1.2.1 传动效率设计传动效率直接关系到盾构机械的工作效率。
刀盘传动系统的设计应该尽可能地提高传动效率，降低能量损耗。
1.2.2 齿轮设计齿轮是刀盘传动系统中常用的传动元件，其设计应考虑到负载分配、噪声控制等方面的需求。
合理选择齿轮的材料和结构尺寸，可以提高刀盘传动系统的可靠性和耐久性。
1.2.3 传动稳定性设计传动稳定性是刀盘传动系统设计时需要充分考虑的因素，合理选择传动比、减小晃动等措施，可以提高刀盘传动系统的稳定性。
2. 刀具设计与优化2.1 刀具材料选择刀具材料的选择直接影响到刀具的硬度、韧性和耐磨性等性能。
应根据盾构机械工作的土壤条件和设计要求，选择适合的刀具材料，以确保刀具有良好的工作性能和寿命。
盾构机的刀盘
盾构机的刀盘北京固本科技有限公司胡建平盾构机的刀盘是一种用于隧道暗挖施工,具有金属外壳,壳内装有整机及辅助设备,在钢壳体掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业,而使隧道一次成形的机械。
盾构机按掘进方式分为人工、半机械和机械化形式。
目前机械化盾构发展较快,它由刀盘旋转切削地层,采用螺旋输送机或泥浆管运送渣土,在壳体内拼装预制管片,依靠液压千斤顶推进。
一、盾构机的刀盘1.刀盘布置及磨损分析1.1刀盘布置刀盘的结构既要考虑刀盘的开挖性能,又要考虑渣土的流动性及掌子面的稳定性。
刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况。
本工程中盾构主要穿越砂性土,砂性土摩擦阻力大,渗透性强,在盾构的推进挤压下水分很快排出,土体强度提高,故不仅盾构推进摩擦阻力大,而且开挖面土压力也较大,对刀盘的磨损会比较严重。
另外,盾构土仓内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体,因此需要设置渣土改良设备。
鉴于上述工程实际情况,本工程盾构机采用了如图1所示的辐板式刀盘。
盾构刀盘由钢结构件焊接而成,目前其主流形式有面板式、辐条式及介于二者之间的幅板式。
辐板式刀盘兼有面板式和辐条式刀盘特点,由较宽的辐条和小块幅板组成,刀具分别布置在宽辐条的两侧和内部。
辐板式刀盘不仅使得土压平衡更易于控制,土砂流动顺畅,不易堵塞刀盘开口,且刀盘扭矩阻力小,保证有较好的掘进性能,又能节省设备投资,而且较大的面板有利于布置较多的刀具,同时较小的开口率也有利于保护本工程中容易坍塌的砂性土围岩的稳定。
1. 2盾构机磨损情况盾构机到达重工街站后,立即对盾构机及刀盘进行清理、检查,发现盾构机刀盘外周磨损非常严重。
盾构刀盘本体外缘侧板磨损在纵向方向上呈现中间大、两头小近似V形,在整个侧环面上形成一圈磨损凹槽,凹槽中部磨损平均为22 mm,两侧磨损平均为15 mm,如图 2 a 所示。
刀盘本体外周边缘在纵向方向上磨损约为160 mm,从外周边缘到刀盘中心径向方向上磨损约为180 mm,以致在刀盘外周边缘形成一个近似三角形的磨损区,如图 2 b 所示。
简析盾构机刀盘与刀具的选型配置
简析盾构机刀盘与刀具的选型配置1工程概况湛江湾跨海盾构隧道工程是湛江市鉴江供水枢纽工程的一部分，工程位于湛江湾最窄处，不但水深流急，又是进出湛江港的咽喉，航道非常繁忙。
湛江湾盾构隧道穿越南三岛与东海岛之间海底，横穿湛江湾海峡，长2750m。
盾构隧道内径5.1m、外径6.0m。
2工程地质根据勘探资料，场区为深厚第四系地层，从上向下有：①、中全新统海风混积层，②、中全新统海相沉积层，③、中更新统北海组层，④、下更新统湛江组层。
各岩土层主要特征分述如下：①、中全新统海风混积层：黄色中细砂、细砂，局部含泥质，砂质均匀，以石英为主，主要分布在地势较高的陆地。
②、中全新统海相沉积层：主要呈灰色、深灰色，成分不均匀，主要为中细砂，次为中粗砂，含泥质，底部为粗砂，含少量砾，局部为泥粉质细砂、淤泥质细砂，含少量贝壳碎片、腐殖质，见少量薄层粘土夹层，砂以石英为主。
③、中更新统北海组层：主要呈土黄、棕黄、浅黄色，以中细砂为主，含泥质，局部夹粗砂，含少量砾和粘土，含铁质及发育铁质层为其特征，底部以波状起伏的铁质层与湛江组上部杂色粘土接触，铁质层呈暗红色，主要为贴胶结的粉细砂，致密坚硬。
④、下更新统湛江组层：主要为灰色、青灰色粘土、砂质粘土，含淤泥，见少量黑色碳化腐殖质木，土层不均匀，夹有砂层或与薄层砂互层。
砂为中粗砂夹细砂，含泥质、少量砾石，砂以石英为主。
3、刀盘与刀具的型式及布置本工程隧道穿越中全新统海相沉积层砂层和下更新统湛江组层砂质粘土层为主，存在中等～强透水砂层，围岩与海水直接连通，拱顶覆土厚度为20～40m，隧道水下埋深27～61m，最大外水压力约0.3MPa～0.6MPa，外水压力较大。
同时海中无条件设置途中工作井，不能分段掘进，因此本隧道掘进距离长达2750m，对盾构刀盘与刀具的可靠性及耐久性要求高。
同时小直径盾构在高水压条件下刀具更换存在较大的安全风险，换刀过程十分困难且提高了工程成本，耗资巨大，同时对工程进度造成严重影响。
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。
盾构机刀盘设计与优化
盾构机刀盘设计与优化盾构机刀盘是盾构机的重要组成部分，其性能直接影响到盾构机在地下工程中的施工效率和质量。
本文将从盾构机刀盘的设计和优化两个方面进行探讨。
一、盾构机刀盘设计1. 刀盘类型选择：盾构机刀盘根据工程需求和地质条件的不同，可以选择机械刀盘、压平刀盘和混合刀盘。
机械刀盘适用于较硬地层，压平刀盘适用于软土地层，混合刀盘则具备两种刀盘的特点。
2. 刀盘结构设计：刀盘的结构设计要考虑到刀盘的强度和刚度，以及刀片的布置和固定方式。
刀盘应具有良好的刚性和稳定性，刀片的布置要合理，以保证工作时的稳定和高效。
3. 刀片选择：刀片的选择要根据地层的性质和刀盘的工作条件来确定。
常见的刀片材料有硬质合金、高速钢等，刀片的形状和尺寸应根据地层状况和刀盘速度来选择。
4. 刀盘动力系统设计：刀盘的动力系统包括电机、减速器等，要保证刀盘具有足够的动力和可靠性。
电机的功率和转速应根据刀盘的工作条件来确定，减速器的传动比要满足刀盘的工作要求。
二、盾构机刀盘优化1. 刀片布置优化：通过对刀片的布置进行优化，可以减小切削力的影响，提高刀盘的稳定性和切削效率。
合理的刀片布置可以避免刀片之间的相互干扰和碰撞，延长刀片的使用寿命。
2. 刀片材料和形状优化：选择合适的刀片材料和形状可以提高刀片的硬度和耐磨性，延长刀片的使用寿命。
同时，优化刀片的形状和尺寸可以降低切削力的消耗，提高切削效率。
3. 刀盘动力系统优化：优化刀盘的动力系统可以提高刀盘的工作效率和可靠性。
通过选择合适的电机功率和转速，减小传动系统的能量损耗，提高动力输出效率。
4. 刀盘结构优化：优化刀盘的结构可以提高其刚性和稳定性，降低刀盘的振动和噪音。
通过采用新型的材料和加强结构的设计，使刀盘在工作过程中能够更好地适应地层变化和工作条件的变化。
综上所述，盾构机刀盘的设计与优化对于盾构机的工作效率和质量具有重要影响。
通过合理的刀盘设计和优化，可以提高刀盘的稳定性、切削效率和使用寿命，进而提高盾构机在地下工程中的施工效率和质量。
盾构工程中刀盘形式、刀具布局的特点及对区间地层的适应性6
盾构工程中刀盘形式、刀具布局的特点及对区间地层的适应性1.1.1.1刀具、刀盘整体布置型式本工程所采用的刀盘及刀具设计形式充分考虑了本标段的地质特点。
本标段地层属整体软地层，局部有地震液化层，主要穿越黏土、粉土、粉土粉砂，所以刀盘的刀具配备采用8把中心齿刀，27把先行刀，8把边刮刀，60把切刀。
遇到桩基础用滚刀替换先行刀，用中心滚刀替换中心齿刀，滚刀、先行刀的轨迹间隔不大于100mm，使装基础块容易被挤压破碎而落进土仓。
刮刀和切刀刀刃到刀盘面板的距离分别为145mm和140mm，（先行刀到刀盘面板的距离为180mm）此种刀具的布置优点如下：先行刀与刮刀和切刀刃高差的存在保证了在本段地层掘进时通过先行刀进行拨落而保护刮刀与切刀不受损害；先行刀在刀盘正面的十字形布置方式能拨松刀盘前面土体镶嵌的小颗粒砾石，从而有利于土体的开挖。
刀具与刀盘面板间高差的存在有利于碴土的流动和排出，防止刀盘泥饼的形成，并减少碴土对刀盘面板的磨损。
1.1.1.2刀盘结构特点刀盘为焊接结构，在刀盘上焊接了安装各种刀具的刀座。
刀盘和主驱动通过一个有4个幅臂钢结构与主驱动法兰盘相连，以传递足够的扭矩和推力。
刀盘可以双向旋转，刀盘开挖直径6480mm。
为了保证刀盘的整体结构强度和刚度，刀盘的周边和中心部件在制造时采用先栓接后焊接的方式连接。
根据对刀盘设计模型在硬岩模式下对每个滚刀加载25t的荷载的有限元分析结果显示，刀盘的强度和刚度均满足要求。
刀盘的开口形式：刀盘开口设计如图所示，其开口形式为对称的八个长条孔，开口尽量靠近刀盘的中心位置，以利于中心部位碴土的流动。
刀盘的开口率约为37%。
图 0-1 刀盘及刀具布置碴土改良注入口设计：刀盘面板上设有膨润土浆喷口。
其中在刀盘的中心设置有4个泡沫通道。
泡沫注入口也可以用来加注膨润土。
在刀盘面板上设有8个泡沫喷口。
这些喷口已经过了优化设计，如图 0-2所示。
单向阀泡沫管路清洗口图 0-2刀盘泡沫喷头示意图刀盘上的泡沫浆管路为三通结构，喷头处设有单向阀，刀盘背面设有清洗口。
盾构机软土刀盘改造复合刀盘
盾构机软土刀盘改造复合刀盘作者：马俊江孙相志来源：《中国科技纵横》2020年第11期摘要：介绍了一种在隧道施工中用于开挖隧道的掘进机刀盘改造，本文主要针对将6米盾构机刀盘由软土刀盘改造为复合刀盘的设计，分别从其结构改造设计、重新布置刀具设计，以及其改造的工艺过程。
关键词：盾构机;软土刀盘;复合刀盘;结构;刀具布置1刀盘改造概述盾构机是隧道施工机械设备，通过刀盘旋转切削隧道土体实现隧洞开挖，并通过主推进油缸的推进力实现隧道掘进。
所以盾构机刀盘在施工中的作用就显得尤为重要，因为各个地域的隧道地质不同，所以盾构机设备需要针对不同的地质要求针对性设计确定符合掘进对应地层的要求。
由于近些年环保意识和环保政策的发展促进，使得工程机械再制造產业有很大发展，盾构机行业也不例外，随着全国隧道行业大发展，现在盾构机的市场保有量很高，所以再制造也就随之兴起，这样既能环保又能很大程度上降低制造成本。
下面主要介绍一种6米软土刀盘改造为复合刀盘的过程和特点。
2刀盘分类介绍2.1软土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、天百津、西安、郑州等均一的软土地层，通常只使用刮刀和撕裂刀配合使用就可以了。
这类刀盘度结构相对简单，通常称为辐条式刀盘或软土刀盘。
2.2复合型刀盘在盾构施工工程中，大部分地层往往是有软岩也有硬岩，一段软一段硬，或上软下硬、密实胶结卵石土等软硬不匀的地层，这种地层在广州地铁、深圳地铁、成都地铁、北京地铁工程江底版隧道中普遍存在，这时刀盘配备的刀具不但要有滚刀，还要有刮刀和撕裂刀，即可安装滚刀，也可安装切削刀，这样的刀盘通常称为复合刀盘或混合刀盘。
如广州地铁盾构刀盘，刀具的合理选择和应用在这类刀盘上也显得尤为必要。
2.3全断面硬岩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。
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作者：马海涛来源：《硅谷》2011年第12期摘要：针对软土地质条件，确定辐条式刀盘结构以及刀具的形式，为盾构机刀盘及刀具设计提供参考。
关键词：盾构机；软土地层；刀盘结构；刀具中图分类号：U455.39文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0620016－01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。
1 刀盘结构形式1.1 刀盘形式刀盘主要用于切削土体，在盾构机的最前部，有进料槽的切削盘体多个。
盾构机刀盘形式主要有面板式、辐条式刀盘两种形式，如图1所示。
受面板开口度影响面板式刀盘，开挖面压力不容易控制，容易造成控制压力低于开挖面压力；开挖面土压从面板开口经过到土舱内，由舱内土压计得出数据后进行土压管理；开口形状和尺寸制约着土砂的流动性，开口部土砂易产生附着和凝结；刀盘扭矩阻力大，设备造价高；可配置滚刀破碎大砾，地质适应性较好，但刀盘面板磨损严重。
辐条式刀盘密封舱内土压与开挖面压力相等，平衡压力易于控制；开挖面土压是直接进入土舱内，由舱内土压计得出数据后进行土压管理；开口度大，土砂流动性好；刀盘扭矩阻力大，设备造价低；无法配置滚刀，适和软粘土层地质条件。
施工实践表明，在软粘土地层条件情况下，采用辐条式刀盘既能满足工程施工需要，又能保证有较好的掘进性能。
（a）面板式刀盘（b）辐条式刀盘图1面板式刀盘和辐条式刀盘1.2 刀盘的开口率刀盘开口率是刀盘面板开口部分所占面积与刀盘面板总面积的比值。
盾构机刀盘的开口大小主要需与盾构刀具布置设计及土仓内压力相适应。
特别在粘性土层条件下盾构掘进，刀盘的开口选择很重要，在满足刀盘结构强度、刀具布置以及岩层支护条件的情况下，应尽量增大刀盘开口率。
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
浅谈盾构刀具破除地连墙的配置方法
【作者简介】李书鹏(1981~)，男，河南淅川人，助理工程师，从事盾构机刀具的设计及研究。
浅谈盾构刀具破除地连墙的配置方法Discussion on the Configuration Method of Shield Cutting Toolto Break the Diaphragm Wall李书鹏(洛阳九久科技股份有限公司，河南洛阳471000)LI Shu-peng(Luoyang Jiujiu Technology Co.Ltd.,Luoyang 471000,China)【摘要】结合福州地铁4号线一期鳌峰路站—江边村站区间工程，论文阐述了一种适用于破除高强度混凝土地连墙的盾构刀具配置方法。
通过滚刀和撕裂刀的交错布置，加上合适的刀具高度差，使各层刀具相互保护，从而为后续区间的长距离掘进创造条件。
【Abstract 】Combined with the project of Aofeng Road station to Jiangbian Village Station of Fuzhou Metro Line 4phase I,This paper describesakind ofshield cutter configuration method which is suitable for breaking high strength concrete ground wall.Through the staggered arrangement of hob and ripper,coupled with the appropriate tool height difference,each layer of cutter protection,thus creating conditions for the subsequent interval oflongdistancetunneling.【关键词】盾构机；刀具配置；地连墙【Keywords 】shield machine;shield cutter configuration;diaphragm wall 【中图分类号】U455.3+1【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2022）08-0225-03【DOI 】10.13616/ki.gcjsysj.2022.08.0641工程概况福州地铁4号线一期鳌峰路站—江边村站区间长度为1625.619m ，下穿闽江（里程为YAK23+225~YAK23+721）与跃进河（里程为YAK23+950~YAK24+115），隧道与闽江地表水存在密切的水力联系，区间采用2台准6460mm 泥水平衡盾构机掘进。
盾构刀盘支撑形式
盾构刀盘的支撑形式
盾构刀盘的支撑形式主要有两种：
1. 悬挂式：刀盘通过张紧机构、吊杆等悬挂在主轴旋转，支撑力通过吊杆传递到刀盘底板和导向装置上。
该方式具有结构简单、安装方便等优点，同时也存在刀盘振动大、难以保证刀盘垂直度等缺点。
2. 中间支撑式：刀盘主轴承采用RotheErde或SKF/RKS产品，主轴承外径Φ2600mm，主轴承的外密封采用四道注脂密封，主密封的设计寿命为5000h，主轴承的设计寿命为10000h。
能有效地保证主轴承在盾构掘进中不会损坏。
以上信息仅供参考，建议咨询专业人士获取具体信息。
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(2) 超前刀(也称先行刀)
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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。
化学成分
（HRC
C
Cr Ni Si Mn Mo Fe
）
0.1-0.3 5-10 1-3
< 1
0.5-2
<0. 5
余量50-55Fra bibliotek15Shijiazhuang railway institute
4 刀具的选择
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❖ 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
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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切削刀一般形状示意图
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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。
1) 岩石硬度： 在刀具挤压阶段，必须保证刀具硬度要
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。
超 硬 钢
种 类
特性值
硬度 抗弯强度 (HRA) (MPa)
的 种
E1
>90
>1200
类 及 E2 >89 >1400
特
性 E3 >88 >1600
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盘圈贝型刀实物照片
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盘圈贝型刀示意图
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(4) 鱼尾刀
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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。
鱼尾刀示意图
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石家庄铁道学院 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
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搅拌棒
3
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❖ 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。
❖ 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。
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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：
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❖ 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。
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石家庄铁道学院 某刀盘实物照片
2
刀
某
盘
刀
驱
盘
动
主
系
驱
统
动
示
意
图
刀
主 轴 承
盘 搅 拌 结
构
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m）三棱刮刀
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3 刀具的材料
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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
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盾构刀具及开挖面分析
一、盾构刀具 二、盾构开挖面的变形与破坏分析
1
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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。
(5) 仿形刀
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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。
形滚刀适用于硬岩，其中单刃滚刀能用在强度很高的岩
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。
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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。
c) 盘形滚刀
8
切削刀的实物照片
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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
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f) 齿刀
g) 中心齿刀
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切削刀的实物照片
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h) 先行刀
i) 先行刀
j) 先行刀
k) 牛角刀
l) 羊角刀
2 盾构刀具的分类
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➢ 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
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
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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
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
(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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化学成份（%）
W
C0
C
用途
87～ 90
85～ 89
83～ 87
4～8 5～6
5～ 10
5～6
7～ 12