盾构刀具磨损分析
盾构刀具磨损调研
盾构切削刀具磨损现状调研分析及北京地铁砂卵石地层磨损现状§1、前言近些年来，在盾构施工中为了稳定开挖面与减少后续沉降，泥水加压式、土压式等施工方法用得越来越多。
砾层中的施工不断增加，且受到竖井数量的限制掘进距离也有所增长，所以盾构机的耐久性问题变得越来越突出。
成为耐久性问题的主要是切削刀具的损耗及面板、外圈侧面的磨损。
虽然，由于损耗严重不能继续使用时，只要将其修复成原来的状态就可以是使用，但由于使用密闭型盾构机施工时，大多需要对开挖面进行地基改善及部分加气压等补助工法，因此，修复工作无论在经济上还是工期上，都会造成浪费，而且在安全方面也是很危险的。
这样的损耗如果任其发展，就会发展为盾构机外圈部分及外圈密封层的损耗，可能会造成重大事故。
本文根据多个国外损耗事例分析了损耗的主要原因与措施的技术动向。
并对北京地铁砂卵石地层磨损现状进行了简单的介绍。
§2、切削刀具2.1切削理论2.1.1切削形式土被盾构刀具切削后的形状主要受切削基岩土质、切削条件等的影响。
切削土的形状分为以下4种。
①流水型切削②裂断型切削③剪切型切削④剥落型切削①流水型切削流水型切削指的是切削围岩为粘土或者包含着粘性土成分（粉砂、粘土）的时候，切削土沿着刀尖的前倾面被连续剪切成流水形状的情形。
②裂断型切削实在土的粘性小，含水量低的情况下产生的现象。
刀尖受到土的压力，土体受到压缩后在刀尖处产生裂缝，接着引起剪切，切削土就会分离。
此时，刀尖处产生波动，明显的时候甚至引起振动。
因为振动能减轻盾构框架与土的摩擦，大的切削抵抗或许能成为引起旋转的主要因素。
③剪切型切削切削角度大或者土体坚硬且脆弱的情况下产生的现象。
这种现象时裂断型切削预流水型切削的过渡状态。
随着刀尖的推进土会产生压缩变形，达到一定程度的时候，就会从刀尖处开始沿着某一面发生剪切。
④剥落型切削土体中混有砾石或砂砾层的时候，刀尖剥落砾粒使土与砾的粘结消失的现象。
这个现象就像用夹子把土中的砾粒抠出来一样。
阐述盾构机刀盘刀具磨损与处理措施
阐述盾构机刀盘刀具磨损与处理措施在国内的很多工程中都对盾构法进行了应用，在解决恶劣地质构造时发挥着重要的作用。
但是，刀盘刀具磨损情况还长期的制约着该方法的有效发展，因此，文章以北京砂卵石地质构造为例，对盾构机刀盘刀具磨损与处理措施进行了分析与阐述。
进而为有关单位及工作人员提供一定的借鉴作用。
一、刀盘的磨损情况分析1、磨损现象分析在盾构隧道贯通后，需要检查、清洗盾构刀盘，这时，我们就可以发现有无磨损现象发生，通常情况下，盾壳和刀盘的间隙位置是最容易被磨损的，以整体角度出发，刀具和刀盘会展现出边缘侧板磨损和外周磨损大的情况，圆周中部和中心磨损小的情况。
具体磨损案例如下：首先，刀盘外圈周边容易出现磨损；其次，先行刀在刀盘辐板上容易被损坏，容易磨损先行刀安装基座，一旦这个部位没有注意，损坏会非常的严重；再次，通常会较深磨损刀盘面板，并且会有明显的凹陷存在于部分位置。
2、分析磨损因素在盾构推力的影响下，刀具会将一定的压力带给开挖面土体，在刀盘的转动下，会有摩擦出现在刀盘前方土砂和刀盘及刀具之间，进而就会出现磨损情况。
刀具磨损同刀具材质、地质条件、刀具的贯入度、时间等有关，并且随着不断增加的刀具掘削里程，在刀盘周边布置的刀具因为有较大的线速度、切削线路长，所以容折断、磨损快等情况。
当外周边刀具和周边刀被磨损了之后，这样就会相应的磨损到边缘侧板和外周边。
同时，在开挖时，会有将复杂的力施压到盾构刀盘刀具上面，恶劣工作环境以及盾构刀具所穿越的不同地层与磨损程度有着非常密切的联系，粉质砂土、粘质土和淤泥质砂土等地层不会过大的磨损刀具，而砂卵石土和砂土地层会加剧盾构刀具磨损，甚至还会造成盾构刀具崩齿，砂卵石地层在北京地区是一种分布非常广泛的地形地质，因此，在施工的过程中非常容易遇见，甚至还会夹杂着大粒径卵石和石块，所以，会较为严重的磨损到道具和刀盘。
二、具体的解决对策分析通过上述的分析能够发现，在北京砂卵石地层中进行掘进的过程中，对盾构机的刀具会经常的带来损害，并且，一旦刀具损坏跟换维修起来就会非常的吃力，并且，所花费的费用和时间也较多，因此，采取有效的方式避免或者降低这种损耗是非常必要的，因此，我们可以从以下几个方面入手来降低对刀盘的损耗。
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。
盾构机刀具磨损与局部问题分析研究
盾构机刀具磨损与局部问题分析研究摘要：减小盾构掘进刀具磨损，是保证盾构机能够长距离掘进的重要措施。
在施工中经常出现的盾构刀具磨损严重、破损、脱落等，导致工程事故的发生，给整个工程的工期、造价带来严重影响，甚至威胁人的生命。
本文从分析盾构刀具磨损的相关因素和减小磨损、延长命两方面入手，对盾构刀具的磨损、布局进行了研究。
关键词：盾构机；刀具；隧道前言城市化越来越快，大量人口涌入城市，这就造成了城市越来越拥挤，不仅是住房变得拥挤，连交通也变的很拥挤，这样也带来了很多的麻烦，不仅影响人们的正常行走，还会影响经济的发展，影响工作的正常，像北京、上海这样的大城市经常出现堵车问题，为了解决交通拥挤的难题，人们开始打算从地下进行交通。
于是，地铁开始在大城市中建立了，地铁的建立和开通使得交通变得非常的方面，要建立地铁首要的任务是进行隧道的开挖，开挖隧道仅靠人力基本上是不可能完成的，这时我们就想到用机械设备进行隧道的开挖，于是，用来开挖隧道的盾构机就设计和制造出来了。
现在，国内有很多高校和科研单位都在进行这方面的研究，中铁工程装备集团在盾构机研发和生产方面取得了丰硕的成果。
为了更好的设计和制造我国自己的盾构机，就要了解盾构机刀具的磨损原因和机理，并且要提出解决的方法，这样才能设计和制造出质量和性能更好的盾构机。
1.刀具的磨损类型1.1.刀圈偏磨由于刀具本身具有很大的启动转矩，这时要是遇到比较软的地质层的时候，很容易造成只有刀盘在转，而刀具没有在转，这样就不能是刀具产生作用，同时也会造成刀圈因受力不均而造成的磨损。
要是没有主要到这一点，也可能造成刀具的磨损，还会将所有的力都集中到其他的刀具上，从而造成所有的刀具都发生破坏，还会造成与整个切削有关的机械部件的损坏。
除了以上的情况外，由于操作人员的操作不当，以及盾构机的一些使用参数的不当选取，也可能造成刀圈的损坏，这样就会容易发生比较严重的事故和造成财产的损失。
1.2.刀圈断裂和崩角当盾构机在切削比较容易切削的地质层时，刀盘的转矩也不是很高的，但是这时突然进入比较硬的地质层时，阻力突然变大，现有的转矩不能进行该切削，这就会对刀盘造成一定的冲击，就可能使刀圈发生损坏，这样就会容易发生比较严重的事故和造成财产的损失。
盾构刀具磨损分析
主要内容
• 研究背景 • 盾构刀具类型及切削机理 • 刀具磨损分析 • 刀具的布局及配置 • LabVIEW分析刀具布局及寿命 • 结论与展望
1、研究背景
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。
• （1）刮刀 刮刀用来切削各种砂土、粘土等较松散的 地层及全风化岩层等其它未固结的土体， 刮刀上装有碳化钨刀刃，目的是为了更好 的防止掘进过程中产生的磨损。边缘刮刀 则用来校准盾构的开挖直径。
• （2）超前刀（或先行刀） 顾名思义，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。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。
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3.4.1 换刀条件： 1）达到磨损极限： 2）刀圈断裂、平刀圈、刀体漏油、 刀 圈剥落、挡圈断裂或脱落、刀轴或 刀体损伤 3）相邻刀具的磨损量之差大于15mm时
3.4.2 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
Tt T0T1•Wt •
n vT2•
v n
W0
T2 T1
式中：T t 为总扭矩，W t 为总推力，ν 为掘进速 度，n 为刀盘转速，W 0为阻力，T 0 、T1、T 2为待求
盾构软土刀具磨损计算
盾构软土刀具磨损计算一，区间地质状况某区间设计区间总长度2669.681m。
盾构区间双线总长度5338m。
洞身范围内土层主要为<2-4-2>淤泥质土层、<2-5-2>粗中砂层、<3-8>卵石层等。
二，盾构刀具磨损计算分析随着盾构法施工在地铁建设中的广泛应用，刀具磨损已经成为一个影响工程质量和进度的关键问题。
刀具的磨损在盾构掘进过程中不可避免，合理的布局设计需要考虑因磨损引起的使用寿命一致。
参照经验公式，盾构机刀盘外圈刀具的磨损公式如下：vKDLNπδ=其中δ———磨损量，mmK ———磨耗系数mm/KmD ———盾构刀盘外径，mL ———盾构掘进距离，mN ———刀盘的转动速度，r/minv ———盾构掘进速度，mm/min刀盘转速N=0.3-3.05r/min ；计算选用1.5r/min盾构掘进速度v=80cm/min ，1，磨损系数K 的确定为刀具的磨损系数可以参照经验公式333.0n KK n =其中n K ———1条轨迹配置n 把刀具的磨损系数K ———1条轨迹配置1把刀具的磨损系数磨耗系数K 单位：Km mm /103-为了安全考虑选用在砂砾中能安全掘进的E5材质的磨损系数，45×310-mm/Km在粘土中能安全掘进的E5材质的磨损系数，15×310-mm/Km 刀盘局部视图由刀盘局部视图可知，42#刀具位置在同一刀具轨迹上配置了两把刀具，40#刀具位置在同一轨迹上布置了1把刀具。
土压平衡式盾构粘土砂砂砾刀头材质（硬质合金）4-1515-2525-45E-52-2.757.5-12.512.5-22.5E-31.37-5.17 5.17-8.68.6-15.5E-2三，刀具的磨损计算1、在<3-8>卵石层地层中的磨损计算a ，42#刀具的在工作1Km 后的磨损8025.11226.34514.3333.0⨯⨯⨯⨯⨯⨯==v KDLN πδ=13.7mm b ，40#刀具的在工作1Km 后的磨损805.112228.34514.3⨯⨯⨯⨯⨯==v KDLN πδ=17.1mm 2、在<2-4-2>淤泥质土层中的磨损计算a ，42#刀具的在工作1Km 后的磨损8025.11226.31514.3333.0⨯⨯⨯⨯⨯⨯==v KDLN πδ=4.57mm b ，40#刀具的在工作1Km 后的磨损805.112228.31514.3⨯⨯⨯⨯⨯==v KDLN πδ=5.7mm。
风化砂岩中盾构刀具磨损状况分析及处理方法探讨
1 概述盾构法已成为我国城市地铁施工的主要施工方法。
作为盾构施工中直接与岩土体接触的刀盘，其刀具的选择与布置直接影响盾构施工效率，同时也是影响盾构掘进成本的关键技术之一[1]。
由于我国地质构造多样化，盾构在掘进过程中会遇到黏土层、粉砂层、砾石层、风化岩层、复合土层等复杂情况，岩土层参数差异很大，这些都对刀具的地质适应性提出了很高要求。
了解各类盾构刀具磨损规律并采用适当的减耐磨措施是解决刀盘刀具与地层适应性问题的关键环节[2]。
风化砂岩石英含量多、强度高，其间会夹杂其他矿物，软硬质地分布不均，是一种介于硬岩和软岩之间的岩层，在我国很多城市中都有分布。
我国盾构技术起步时间不长，目前适用的盾构机大部分是从德国和日本进口，地质条件差异使进口盾构机在全断面风化砂岩施工时常常出现刀具不适应地层条件的问题，严重影响了掘进效率。
虽然地铁掘进过程中刀具的磨损问题已经引起关注，但由于现场条件限制，要对具体磨损进行测量并对刀具的适应性进行评价尤为困难。
针对全断面砂岩中刀具适应性的问题，以南京地铁3号线工程为背景，对盾构施工中的刀具更换频繁问题进行分析，提出关于刀具选择和布置方面的建议。
2 工程概况2.1 区间概况南京地铁3号线胜太西路站—天元西路站盾构区间总长约2 575 m，自2012年开始施工，目前双线已成功贯通。
区间场地属于侵蚀堆积岗地貌，该区段近地表风化砂岩中盾构刀具磨损状况分析及处理方法探讨王亦玄（上海市岩土地质研究院有限公司，上海 200072）摘 要：在地铁盾构施工中，刀具的选择对于掘进的连续进行非常重要。
全断面砂岩由于强度高，采用常规的盘形滚刀磨损量大，从而导致换刀频繁。
以南京地铁3号线为工程实例，通过研究全断面砂岩中的刀具适应性问题对刀具磨损量和换刀次数进行统计，发现初始设计中采用的盘形滚刀地层适应性不强。
将刀具更换为球齿滚刀后使用寿命明显增加，提高了掘进效率。
针对刀盘上不同位置刀具的磨损特点，对刀具的布置方法提出了优化建议。
砂层盾构机刀盘刀具磨耗分析及策略
砂层盾构机刀盘刀具磨耗分析及策略摘要：根据工程案例，文章介绍了刀盘刀具磨损状况，分析盾构刀盘进行砂层施工过程中导致刀盘、刀具发生磨损的原因，同时提出了增强盾构刀盘耐用性的方法和措施，希望能给应用盾构施工工程一定的帮助。
关键词：砂层盾构机；刀盘刀具磨损；磨损盾构机在各城市的地铁隧道施工过程中有重要作用，它具有生产效率高、安全环保、具有综合经济效益等优势。
盾构机施工掘进时，会遇到各种不同地质条件，比如软弱围岩、不成形淤泥、硬岩、流砂、砂层等。
刀盘是盾构机的重要掘进部件，进行掘进前，要根据不同的地质条件选择盾构类型和进行刀盘改造。
盾构机应用于长距离砂层时，会很严重的磨损刀盘刀具，进而降低了盾构掘进质量和效率，也会减少刀盘应用寿命，增加工程成本和工期，也会影响盾构机安全和操作人员安全。
1、工程情况某隧道工程的走向是从东向西，左边的隧道总长度1017米，整个隧道区间埋深 9 米～14米，地下水位主要是潜水，埋深 9.7 米～12.3 米，含水层是粉质粘土层、粗砂层、中砂层。
其中的含水率在17%左右，相应的渗透系数是25 m/d ～35 m/d。
区间地层从上到下的顺序为素填土、黄土、中砂、粉质粘土、粗砂等。
科—太区间隧道砂层是密实状态，主要通过②-5层中砂和②-6层粗砂层，标贯在45击～90击。
区间隧道的掘进应用相应的土压平衡盾构机。
在科—太左线盾构掘进过程中，不断的进行诊断和调整，进行了渣土改良，可是刀盘扭矩增大，掘进速度减慢；经七个月的掘进，最后进行带压进仓检查，发现刀具磨损严重，修复后才可以完成剩余的154环掘进任务。
2、刀盘刀具磨损盾构机在掘进787.5 米后，实施带压进仓检查，检查和清理刀盘，发现了刀盘刀具都受到了磨损，其中磨损最严重的是保径刀[1]。
为保证检修刀盘和换刀的快速安全，项目施工设置竖井，在竖井进入到刀盘的前面检查清洗，会很明确的观察到刀盘的外围板磨损损害最大，而刀盘的中心和圆周位置磨损的比较小，也就是刀盘越到外边缘磨损就越大，本项工程的具体损坏情况有以下几方面。
盾构机刀具的选型及其磨损分析
61WMEM·2020年 第1期产品与技术盾构机刀具的选型及其磨损分析济南重工集团有限公司 朱振鹏 姜晓彤盾构刀具将会直接影响盾构机掘进效率，不同岩土条件下将会采用不同类型刀具。
将从刀具种类、材料以及性能等方面对盾构刀具进行概括，分析盾构机刀具选型、切削机理以及磨损情况。
盾构法在隧道建设中的应用最初是由英国的布鲁诺在1818年提出的；20世纪60年代我国开始盾构机研制，现在已经基本实现国产化。
盾构机在公路、城市轨道、水利以及铁路等隧道建设中被广泛应用，具有对地面交通设施影响小、掘进速度快、开挖安全以及劳动强度低等优点。
在盾构机掘进系统中，盾构刀具作为关键部件，将直接影响盾构机掘进速度、出土速度和掘进效果。
盾构机在掘进过程中，将会受到岩土作用而产生损耗，为了减少刀具磨损，提高掘进效率，针对不同地质条件需要选择合适刀具。
本文将会针对盾构刀具选型以及切削磨损情况展开分析。
一、盾构刀具的选型1.盾构刀具分类及工作原理盾构刀具按照其切削方式可分为切削刀具和滚动刀具；切削类刀具又可以分为刮刀、先行刀、鱼尾刀和贝壳刀等。
（1）切削刀具切削刀是盾构机切削开挖面土体的主要刀具，其切削原理是盾构机在推进力作用下向前运动，刀具随着刀盘转动将会对土层产生径向的切削力和轴向剪切力，使得开挖面的土体被切削下来。
切削刀具一般形状示意图如图1所示，其中后角α和前角β一般为5°～20°，刀具角度在不同地层下是不同的，其中砂卵石地层稍小，黏土层稍大。
对于软土层或经过滚刀破碎的渣土，将会通过刮刀和切刀正面进入渣槽，如图2、图3所示，刮刀和切刀可以起到很好的切削与运输作用。
图1 切削刀一般形状示意图图3 切刀图4 超前刀切削土体示意图图2 刮刀先行刀也称为超前刀，超前刀切削土体示意图如图4所示。
在切削土体时先行刀一般会在切削刀之前切削土体，将土体切削成块，为切刀切削创造良好条件。
先行刀在切削过程中可以增加切削土体流动性，减少切刀磨损，降低切刀扭矩，提高切削效率。
盾构刀头磨损检测方法
盾构刀头磨损检测方法1. 引言1.1 背景盾构机在地下工程中起着至关重要的作用，它们广泛应用于地铁、隧道、管道等领域。
盾构刀头是盾构机中最关键的部件之一，直接影响到工程的施工效率和质量。
随着盾构机的使用次数增加，盾构刀头的磨损程度也会逐渐加剧。
及时有效地检测盾构刀头的磨损情况，对于保障工程的顺利进行至关重要。
目前，盾构刀头的磨损检测方法主要包括人工观察、声波检测、摄像头检测等多种技术手段。
通过这些方法可以准确地了解盾构刀头的磨损情况，及时进行更换和维护，保障盾构机的正常运行。
现有的检测技术还存在一定的局限性，需要进一步研究和改进。
本文将重点探讨盾构刀头磨损检测方法，分析其原因和现有的检测技术，同时展望未来的发展方向，旨在为盾构机的磨损检测提供更高效、更可靠的解决方案。
【2000字】1.2 研究意义盾构机在地下隧道工程中扮演着重要的角色，而盾构刀头作为盾构机的核心部件，其磨损情况直接影响到盾构机的施工效率和工作安全。
研究盾构刀头磨损检测方法具有重要的理论和实践意义。
通过研究盾构刀头磨损检测方法，可以及时发现盾构刀头的磨损情况，避免因磨损严重而导致的设备故障和生产事故，保障工程的顺利进行。
对盾构刀头磨损进行有效监测和控制，有助于延长盾构机的使用寿命，减少维护成本，提高工程施工效率。
研究盾构刀头磨损检测方法可以为未来盾构机的自动化控制和智能化发展提供技术支持，推动相关行业的创新和发展。
深入探讨盾构刀头磨损检测方法具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
2. 正文2.1 盾构机概述盾构机的工作原理是通过刀盘上的刀头对地下岩层进行切割，同时使用推进系统将岩层碎屑推送到施工出口，并通过支撑系统对隧道进行支护。
刀头的磨损对于盾构机的施工效率和施工质量具有重要影响。
对盾构刀头的磨损进行及时检测是非常必要的。
盾构刀头的磨损主要有机械磨损和化学磨损两种情况。
为了有效地检测盾构刀头的磨损情况，常用的方法包括视觉检测、声波检测、电磁检测等。
复合地层中盾构机刀具磨损原因分析及更换案例
１ 工 程概 况 及 地 质 描 述
ｌ ６把边 缘铲刀和 Ｉ 把超挖 刀。其 中，滚刀设计成 ｌ” ７ 刀
７ ０ Ｔ ｌ 工程 位 于深 圳 地 铁 五号线 ， 区间长 度 １２ ８ｍ， ７ 管 刃，安 装高度 为 １５ｍｍ，刀间距 １ ０ｍｌ，其特点是 ，
片拼 装 ８ ２环 。该 标 段位 于 深圳 市 宝安 区，所 在 地 区 滚刀在 推 力 的作 用下贯 入 岩石 ，在 开 挖面上 呈 同心 圆 ５ 为 海积 平 原、冲 洪 积平 原 ，地 形 略有 起 伏 ，沿 线 地 面 滚 动 ，岩 石被 挤压 破 碎 ，最 终在 刀盘 推 力作用 下在切 建 筑 物 较多 （ 有 大 规 模住 宅 小 区、酒 店及 立交 桥 ） 槽 两边 的岩石成片状破 碎。刮刀采用 了与单刃滚刀组合 上 ，
据 上 所 述 ，该 标 段 施 工干 扰 因素 多、地 质 复 杂、 技术难 度大 。
２ 不 良地 段 的预处 理措施
为 保证 盾 构 机 顺利 掘进 ，对 勘探 出的两 段不 良地
质段 采取了预处 理措 施 。对距 始 发点 ５ ０～１ ４环 段 的 ０
孤 石及 基 岩，采 用深 孔爆 破 技 术进 行松 动 和破 碎 ； 对
磨 量ｆ 磨 Ｊ５ｍＩ０ｍｌ０ ｍＩ２ｍ Ｊ５ｍｆ０ｍｆ． ｍ 偏 Ｉ 只能继 续推 进 。在 掘进 ２ ０环后，掘进参 数 逐渐 出现 损 偏 ｒ １ ２ｍ １ ７ｍ ２ｒ ２ｒ 磨 ７ａ ｍ ． ｍ ． ａ １５ １ ａ ４
第二 次在距 始发 点 １４环 位置 ，到达 预 先进 行地 异 常，刀盘 泄漏 油 温度 高 ，推 力大 、扭矩 大、掘进 速 ７ ０ｔ ２ 面注浆加固区后常压开仓 出现渗水涌泥现象 ，采用带压 度 小 的情 况，甚至 出现 推力小于 １ ０ 时无速 度 的现 ４ ５ 方式 拆掉 １ ８把，更 换单刃 滚刀换 刀 １ ，但 由于 ９ 象 。２ ０～２ ０环掘 进参 数如下表 ３： ７把 ≠ ≠ 刀座 变形未安装 ，检查 发现多数 齿刀脱 落或磨损 严重， 甚至齿刀刀座 被损坏 ，因在带压情况下，无法 进行气割 而未进行更换 。更换 的单刃刀具磨 损、 损坏情 况如表 ２ ：
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。
盾构刀具类型及刀具磨损分析张正银
盾构刀具类型及刀具磨损分析张正银发布时间：2023-07-02T07:02:30.721Z 来源：《建筑实践》2023年8期作者：张正银[导读] 盾构刀具是盾构机掘进的关键部件，盾构机的推进速度直接受到盾构刀具类型、质量等的影响，进而影响到整个施工进度及工程的效益。
本文通过对盾构刀具的分类，介绍了不同盾构刀具的磨损的原因，通过分析表明刀具的磨损不仅与刀具的质量有关，还与地质条件、掘进参数设置、刀具的配置等等有关。
最后分析了不同刀具的破坏形式，并给出了几点相关减少盾构刀具磨损的建议。
重庆交通大学重庆市 400074摘要：盾构刀具是盾构机掘进的关键部件，盾构机的推进速度直接受到盾构刀具类型、质量等的影响，进而影响到整个施工进度及工程的效益。
本文通过对盾构刀具的分类，介绍了不同盾构刀具的磨损的原因，通过分析表明刀具的磨损不仅与刀具的质量有关，还与地质条件、掘进参数设置、刀具的配置等等有关。
最后分析了不同刀具的破坏形式，并给出了几点相关减少盾构刀具磨损的建议。
关键词：盾构刀具；刀具分类；磨损一、引言伴随着我国经济的快速发展，城市的地表土地资源捉襟见肘，未来城市发展将往城市地下空间转移，而在城市地下空间的开发过程中，会经常遇到各种复杂的地质条件，需要大量相关的技术设备。
近年来盾构技术得到了广泛的采用，但同时也受到了各方面严峻的挑战。
在整个掘进过程中，由于复杂的地质条件会导致刀具出现磨损，刀具的磨损受到多方面因素的影响，包括刀具结构和材料自身、掘进参数设置、地质条件、刀具与地质条件的适应程度等等，其中刀具与地质条件的适应程度是重要的影响因素，不同的刀具应与不同的地质条件相适应才能使加快盾构机的掘进进度，相反如果刀具和前方地质条件不相适应，那么这将会使得盾构机掘进效降低，严重的还会导致刀具磨损，将直接影响到掘进的工作效率、工程的进展及工程的经济效益。
本论文通过介绍了盾构刀具的分类并分析了这些刀具的功能作用和在不同地质条件下的适应性，从目前存在的刀具磨损的问题，给出了几点减少刀具磨损的措施。
盾构刀具磨损分析
氧化磨损
在高温、高压环境下，氧气与刀 具表面的铁元素发生氧化反应， 形成氧化膜，随着切削过程的进 行，氧化膜不断被剥离，导致刀
具表面磨损。
02
盾构刀具磨损分析方法
宏观磨损分析
01
02
03
刀具表面形貌观察
通过目视或低倍显微镜观 察刀具表面的磨损程度、 磨损区域和分布情况。
刀具尺寸测量
使用测量工具对刀具的尺 寸进行测量，包括刀具的 长度、宽度、厚度等，以 评估其磨损程度。
力学性能分析
硬度测试
通过硬度测试了解刀具表 面的硬度和材料的耐磨性。
弹性模量测量
通过测量刀具材料的弹性 模量，评估其力学性能和 抗疲劳性能。
显微硬度测试
利用显微硬度计对刀具表 面进行硬度测试，了解不 同区域和不同材料的硬度 分布。
03
盾构刀具磨损的影响因素
切削参数的影响
切削速度
切削速度越高，刀具磨损越快。
碎岩石。
切削刀
适用于各种地层，切削 能力强，使用寿命长。
中心刀
位于盾构机刀盘中心， 用于破岩和导向。
盾构刀具的工作环境与条件
高压、高温环境
盾构机在地下工作时，会面临高压力、 高温度的环境，这对盾构刀具的耐磨 性和耐热性提出了较高要求。
复杂地质条件
泥水或泡沫润滑环境
为了减少摩擦和冷却刀具，盾构机通 常采用泥水或泡沫润滑系统，这对盾 构刀具的防锈和密封性能提出了较高 要求。
盾构刀具磨损分析
目录
• 盾构刀具概述 • 盾构刀具磨损分析方法 • 盾构刀具磨损的影响因素 • 盾构刀具磨损的预防与控制
目录
• 盾构刀具磨损的案例分析 • 结论与展望
01
盾构刀具概述
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。
盾构机刀具的使用磨损
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。
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
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。
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。
19
(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。
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磨耗系数 103mm /km
土压 平衡 式盾 构机
粘土 4-15 2-7.5
砂
砂砾
刀头材 质
15-25 25-45 E-5
7.5-12.5 12.5-22.5 E-3
1.37-5.17 5.17-8.6 8.6-15.5 E-2
3.3 刀具磨损检测方法——掘进参数法
• 掘进过程中总推力、总扭矩与掘进速度之间的 关系，计算如下式所示
• 盾构施工时，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。
4 、刀具的布局及配置
• 4.1阿基米德螺线布置
刀具在刀盘上的布置方式主要有阿基米德螺线
布置法和同心圆布置法，但目前采用较多的是
2.2 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)。
T阻T 土仓 T 刀箱 T启动
2.3 滚刀破岩过程
• a 挤压/起裂过程
• b 破碎阶段
3、刀具磨损分析
• （3）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， 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。
• （4）仿形刀
3.1 滚刀的磨损形式
• 盾构施工中，滚刀的磨损分 为两大类：正常磨损和非正 常磨损。
刀圈移位
正常磨损
刀圈偏磨
刀圈断裂
3.2 刀具寿命计算
• 通常盾构刀盘外圈刀具的磨损量δ由下式计 算：
1K••D•N•L/V
10
式中，
δ——磨损量(mm)；
K——磨耗系数(mm/km)；
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)。
• （1）刮刀 刮刀用来切削各种砂土、粘土等较松散的 地层及全风化岩层等其它未固结的土体， 刮刀上装有碳化钨刀刃，目的是为了更好 的防止掘进过程中产生的磨损。边缘刮刀 则用来校准盾构的开挖直径。
• （2）超前刀（或先行刀） 顾名思义，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。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。
• （5）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。采用盘圈型刀，将其布置在 刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石。采 用盘圈贝型刀可较好地解决盾构机切削土 体的难题。
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。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。
齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采
用切刀(或刮刀)。
洪积土
(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)
刮刀
先行刀 盘圈贝型刀 周边刮刀
齿刀
齿刀
滚刀
周边刮刀
正面区刮刀 超挖刀
边缘刮刀
双刃齿刀 双刃滚刀 单刃齿刀
2.1 各种刀具介绍
Tt T0T1•Wt •
n vT2•
v n
W0
T2 T1
式中：T t 为总扭矩，W t 为总推力，ν 为掘进速 度，n 为刀盘转速，W 0为阻力，T 0 、T1、T 2为待求
参数。采用回归方法求出 T 0 、T1 、T2 ,代入式得
到：
vn•(T(T1W t t TT0)22)2
3.4 减少刀具磨损的措施
盾构刀具磨损分析
主要内容
• 研究背景 • 盾构刀具类型及切削机理 • 刀具磨损分析 • 刀具的布局及配置 • LabVIEW分析刀具布局及寿命 • 结论与展望
1、研究背景
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。
3.4.1 换刀条件： 1）达到磨损极限： 2）刀圈断裂、平刀圈、刀体漏油、 刀 圈剥落、挡圈断裂或脱落、刀轴或 刀体损伤 3）相邻刀具的磨损量之差大于15mm时
3.4.2 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
（6）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，因此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。
• （7）滚刀
• 滚刀按照刃的数量不同可分为单刃滚刀、 双刃滚刀和三刃滚刀，常用于各类软、 硬岩石及砂卵石地层的隧道开挖。
• 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。
2、盾构刀具类型及切削机理
• 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