盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速度的影响
盾构刀盘偏置中心刀对刀盘推力和扭矩的影响
(a) 无中心刀刀盘
(b) 偏置中心刀刀盘
(c) 鱼尾中心刀刀盘
图 1 直径 0.5 m 刀盘模型图 Fig.1 Cutterhead models with a diameter of 0.5 m
α
r R
2
2.1
刀盘推力和扭矩的数值计算方法
有限元模型 本文采用 ABAQUS 软件对掘进过程进行直接 数值模拟。按照刀盘试验模型建立相应的刀盘有 限元模型，以六面体 8 节点实体单元划分网格。刀 盘结构形式包括不带中心刀刀盘、带偏置中心刀刀 盘和带鱼尾中心刀的刀盘模型。刀盘直径为 0.5 m， 装有 4 根带有刮刀的辐条，刮刀刀尖高出刀盘面 板距离为 4 mm，弹性模量为 200 GPa，材料密度 － 7.8 g/cm3，本构模型为线弹性[11 12]。刀盘几何模型 图如图 1 所示，其中红色部分代表中心刀。其中， 偏置中心刀是本文研究的重点，已申请发明专利， 其示意图见图 2。偏置中心刀由两把成一定角度的 双刃切刀组成，所成角度 α 在 90°～180°之间，以 焊接形式安置于刀盘面板圆孔的偏心位置。两把切 刀连接点到刀盘中心圆孔圆心的距离 r 与刀盘中心
摘 要：盾构机是地下工程中的典型掘进装备，具有结构复杂、体积庞大、重型巨载等特点。刀盘载荷是装备的核心力学参 量，实现刀盘载荷的合理计算是装备正向设计的理论基础，也是不同地质情况隧道施工中载荷控制的重要科学依据。盾构刀 盘中心刀结构在掘进过程中承受很大比重的轴向载荷，为了进一步分析中心刀结构的改变对刀盘载荷的影响，采用数值仿真 方法与模型试验方法对盾构刀盘与土体的相互作用进行了研究， 得到了刀盘法向和切向切削载荷空间分布规律以及掘进过程 中刀盘总推力和扭矩随掘进时间的变化规律，重点分析了偏置中心刀结构对刀盘推力和扭矩的影响。对比几种不同的中心刀 结构，研究表明，偏置中心刀结构刀盘的总推力与总扭矩小于鱼尾中心刀结构刀盘的总推力与总扭矩。刀盘模型试验结果与 数值仿真结果趋势一致。 从载荷角度考虑， 偏置中心刀刀盘优于鱼尾中心刀刀盘。 该研究结果可为新型刀盘结构设计提供参考。 关 键 词：盾构刀盘；偏置中心刀；总推力；总扭矩；数值模拟；模型试验 中图分类号：TU731 文献标识码：A 文章编号：1000－7598 (2015) 06－1776－08
盾构机刀具磨损及刀盘设计
机械工程学院
2020/7/25
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3.6 刀圈挡圈磨损或脱落 挡圈是由两个半圆的钢环安装在滚刀轴的卡槽里焊接
成一个完整的圆环，其作用是防止刀圈从滚刀轴上脱落， 一旦刀圈挡圈脱落或焊接处磨损严重，就应该更换刀具。
4.7 滚刀漏油 由于密封件的损坏，就可能使密封油泄漏，从而导致
油封座和轮毂的损坏。
④将盾构机沿曲线的割线方向掘进，预偏量为3050mm，以减小管片因受侧向分力而引起的向圆弧 外侧的偏移量。
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⑤适当降低推进速度，在盾构机推进启动时，推 进速度要以较小的加速度递增（匀速递增）。
⑥推进时，要适当调整左右两组油缸的压力差， 使曲线内侧油缸压力略小于外侧油缸压力，但 纠偏幅度不要过大。
6.3 定期对刀具进行检查 在硬岩区地层中，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，应立即停机进行检查。
一般要在不超过二十环时对刀具进行一次检查，检查看是否有刀圈磨损超限、 刀圈断裂、刀圈变形、固定刀圈的螺帽是否松动或掉落、刀座是否有裂纹等，如 果一旦发现应立即采取补救措施。
仅在母材上实施 硬化堆焊
用于柔软淤泥层 （N=0~5左右）的施 工距离较短的场合
硬化堆焊
超 硬
超硬合金 刀刃型
仅在母材的刀刃 前，钎焊超硬合 金刀刃。
适用于沙层（N 〈25）、淤泥层 （N〈10）等比较
超硬刀刃
合
软的地层
金
刀 刃 粘 贴 型
超硬合金刀 刃+硬化堆焊
型
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。
盾构刀盘严重磨损原因探析及总结戴长康
盾构刀盘严重磨损原因探析及总结戴长康发布时间：2023-04-20T04:58:20.299Z 来源：《工程建设标准化》2023年4期作者：戴长康[导读] 本文针对佛山二号线南湖区间右线盾构机刀盘磨损进行原因分析，分析各种因素对刀盘损坏产生的影响程度，并对掘进参数进行系统分析，为类似工程施工提供参考依据。
广州轨道交通建设监理有限公司广东广州 528051摘要：本文针对佛山二号线南湖区间右线盾构机刀盘磨损进行原因分析，分析各种因素对刀盘损坏产生的影响程度，并对掘进参数进行系统分析，为类似工程施工提供参考依据。
关键词：泥水盾构；刀具；刀盘磨损1、工程简介及盾构机施工情况佛山地铁二号南庄站～湖涌站长2270.645m，管片总数为1515环。
右线于2017年6月23日在湖涌站始发，于2019年3月19日在南庄站完成盾构接收工作，历时1年8月26天。
盾构机掘进至1501环时抵达到达端混凝土素墙，刀盘扭矩较大，时常出现刀盘扭矩报警，盾构机无明显进尺。
2019年2月18日，项目部采用抽芯的方式对素混凝土墙进行预处理（主要利用钻孔抽芯设备将地连墙混凝土取出），取芯完成后，盾构机掘进速度明显提升，顺利进入端头加固体，进行接收前准备工作。
2、原因分析2.1 刀盘自身结构因素2.1.1刀盘结构形式及材质组成南~湖区间右线96#盾构机刀盘结构形式为辐条面板式，刀盘直径6980mm，开口率31%。
刀盘采用Q345B钢材整体焊接加工而成，同时在刀盘面板和周边焊接碳化铬超硬耐磨板和耐磨网。
刀盘支承形式为中间支承，刀盘背部设置4根主动搅拌棒，可对渣土进行搅拌，增强渣土的流动性。
本盾构机刀盘为新出场第一次使用刀盘，其面板及辐条为整体钢板焊接加工而成，无分段焊接、搭接等情况，刀盘所用钢材质量合格，各焊接焊缝质量检测合格，刀盘整体质量满足出场及使用要求。
2.1.2刀具破岩能力及在本区间的适应性（一）刀具破岩能力南湖区间右线96#盾构机刀盘主要破岩刀具为撕裂刀（先行刀），其破岩机理为撕裂刀先行切削、疏松土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的切削条件，大大降低了切削刀具的冲击荷载和切削力矩，提高刀具切削效率。
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。
盾构机掘进参数设定
2、软弱地层掘进
盾构机在软弱地层掘进时，由于掌子面自稳性较差，需要在土仓 内堆积足够的渣土，使土仓压力与掌子面压力平衡，避免在掘进时由 于掌子面压力过大造成坍塌致使地表沉降，因此软弱地层掘进必须在 土压平衡模式下进行。
此种地层中掘进时应向刀盘多加泡沫和水，多搅拌，改善渣土的 流塑性，防止在刀盘形成泥饼，裹住刀具使之不能转动而造成偏磨， 再有就是掘进中随时注意刀盘扭矩和掘进速度的变化，当掘进速度明 显降低，而刀盘扭矩却增加时，很有可能是刀盘上形成了泥饼，应立 即采取措施处理，刀盘加泡沫加水旋转搅拌洗去泥饼，在地质条件允 许，可开仓用水冲洗刀盘，快速去除泥饼。 软弱地层掘进时，应控制好土仓压力和每环的出渣量，防止地表 下沉，掘进速度不可过快，以保证同步注浆量。掘进时下部油缸推力 要比上部的大30-50bar，防止由于自重引起的盾构低头。
调整好盾构机姿态（盾尾间隙），防止水带砂土从盾尾或铰
接密封处进入隧道。
5、硬岩破碎地层掘进
此地层岩石强度较大，但整体结构性差，岩层节理裂
隙发育，透水能力强，宜采用半敞开模式进行掘进。 掘进时刀盘扭矩变化大，有较大的振动和响声，对刀 具的损伤较大，可能出现刀圈的崩损和脱落。 掘进中要适当降低刀盘转速和掘进速度，防止刀具因
3、软硬不均地层掘进
软硬不均地层是指盾构机掘进断面的地质不均匀，掌子面的上中下 左右岩石强度变化大，既有软弱地层的不稳定性，又有硬岩地层的强 度，考虑到地表可能发生沉降的因素，此地质下盾构机掘进须采用土 压平衡模式。
掘进中刀盘的扭矩变化大，盾构机有较大的滚动、震动现象及间断 的响声，掘进方向较难控制，渣土中会有较大的石块出现。 在此地层中应采用低刀盘转速、低推进速度掘进，因为掌子面地质 不均匀，掘进时刀盘刀盘各部位会受力不均，容易使部分刀具受力过 大而不能转动，最终导致偏磨，还有当掘进速度过快时，刀具的贯入 度也增大，容易使刀盘扭矩突然上升超过设定值而卡死，甚至造成刀 圈崩裂脱落。 由于硬岩部分强度高，不易切削，为保护刀具需降低掘进速度，长 时间的掘进对软弱地层部分的稳定性很不利，因此需保持土仓较高的 土压。
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。
谢谢观赏
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
盾构机掘进中刀具损坏及维修措施探讨
盾构机掘进中刀具损坏及维修措施探讨摘要：盾构机在掘进过程中通过硬岩地段时，刀具、刀盘极易损坏，这种情况下，换刀、修复刀盘的技术就显得尤为重要。
本文对盾构机在掘进过程中刀具、刀盘的损坏情况进行了分析，并提出了维修措施。
关键词：盾构机；刀具，损坏，维修盾构机在掘进的过程中，往往会遇到各种复杂的地形。
由于底层的变化性非常大，这就决定了盾构机在刀盘的配置及刀具的选择上非常关键，刀盘的配置及刀具的选择要根据地质条件来选择。
合理的刀盘配置及刀具选择对与保证刀具的使用寿命，工程的顺利进行具有重要意义。
1盾构刀具1.1刀具的破岩原理盾构刀具的破岩方式分为滚压破岩和切削破岩。
1.1.1滚压破岩滚压破岩是在底层中利用盘形滚刀滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用来破碎岩石。
滚压破岩一般适用于岩石、硬土层及含有砂粒和卵石地质的破碎。
其使用的主要刀具为滚刀。
1.1.2切削破岩切削破岩是通过切刀刀刃施力将岩体外层剪切剥离的方式来破碎岩石。
切削破岩一般适用于土、砂层和软岩地质的破碎。
其主要适用的刀具为切刀。
1.2刀具的选择盾构机的刀具要根据施工地区地质特点来选择适用的刀具进行碎岩作业。
2盾构掘进速度和刀具消耗对盾构施工的影响刀具的更换主要是根具两点来进行判断的。
一是刀具是否适合当前岩层的掘进作业，通常情况下，在盾构掘进的过程中，要结合前期工程地质勘察的结果来对地层进行初步分析。
再结合掘进中土层的剥离情况对当前的岩层进行判断，以选择使用的刀具，如果有必要，可以开仓进行检验，以保证分析结果的准确性。
二是刀具的磨损程度是否达到了设计磨损值以及刀具是否损坏。
首先结合盾构掘进时，不同地层对刀具的磨损量以及掘进的速度来进行判断刀具的磨损量，然后开仓验证，以此来作为更换刀具的依据。
刀具的具体损耗量的计算要通过刀具的运行距离与掘进的速度计算处刀具在进行每一环距离内体积的磨损量，然后在用隧道的中提掘进体积来除以这个值，就能得到一个刀具消耗数量的大概值（不考虑遇到特殊情况）。
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。
浅谈盾构刀盘刀具磨损
浅谈盾构刀盘刀具磨损作者：余钢海来源：《城市建设理论研究》2014年第10期摘要：盾构机的刀盘根据地质条件的不同一般分软土和硬岩两种刀盘布置形式,软土区刀盘的布置形式是以齿刀为主辅以边缘滚刀和刮刀，硬岩刀盘的布置形式是以滚刀为主辅以刮刀。
刀具、刀盘是盾构机的一个非常重要的组成部分，对刀具地合理选择、使用、维护和更换，直接决定盾构掘进工程的质量、进度和工程成本。
所以对盾构机刀盘、刀具磨损情况地分析尤为必要。
关键词：盾构机；刀盘；刀具；磨损；措施；中图分类号:U455.43文献标识码：A引言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”。
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，若盾构区间较长，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号线大剧院站～东门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刀具的机构特点工程始发掘进的800m 开挖面上方为软土地层, 之后逐渐进入上软下硬地层，最后进入全断面岩石地层。
为满足工程地质条件的要求,刀盘结构由8 块辐条和相应的幅板所组成, 分块数量3 块。
刀盘结构和驱动装置之间的连接通过8 个梁来连接, 这8 个梁位于刀盘面板横梁和用螺栓连接于驱动部分的重型环圈之间。
横梁将刀盘面板部分连接至辐条。
刀盘将采用合格的S355J2G3 /Q345B/ 16MnR 材料制作。
刀盘正面同时安装有双层刮刀和滚刀。
在始发初期软土地层施工时, 刀盘上安装的双层刮刀参与掘进工作; 当掘进至岩石地段时, 滚刀继续掘进, 滚刀高出第一层刮刀30 mm,以便适应岩石地层。
盾构机刀具管理制度
盾构机刀具管理制度一、引言盾构机是一种广泛应用于城市地铁、水利、城市供水、城市供排水等领域的一种特殊工程机械设备，它不仅能够完成地下的掘进工作，而且在掘进的同时还能够实现地层的支护。
而作为盾构机中的重要部件，刀具的状态和管理对于盾构机整体性能和生产效率具有重要影响。
因此，建立和完善盾构机刀具管理制度是确保盾构机正常运行和保证工程质量的重要措施之一。
二、刀具管理的重要性盾构机刀具是盾构机掘进机头上的重要零部件，其状态直接影响着盾构机的掘进效率和掘进质量。
盾构机刀具管理对于确保盾构机正常运行、提高施工效率、保证工程质量具有重要意义。
1、保证盾构机掘进效率盾构机刀具的状态直接关系到盾构机的掘进效率。
如果刀具磨损严重或者损坏，就会导致盾构机掘进速度减慢，从而影响工程进度。
因此，要想提高盾构机的掘进效率，就必须保证刀具的状态良好。
2、保证盾构机施工质量盾构机刀具的状态也直接关系到盾构机的施工质量。
如果刀具磨损严重或者损坏，就会导致盾构机的掘进面不规则，地层的支护不到位等问题，从而影响工程质量。
因此，要想保证工程质量，就必须保证刀具的状态良好。
3、延长盾构机使用寿命盾构机刀具的状态直接关系到盾构机的使用寿命。
如果刀具经常处于磨损或者损坏状态，就会导致盾构机整体性能下降，从而影响盾构机的使用寿命。
因此，要想延长盾构机的使用寿命，就必须保证刀具的状态良好。
三、盾构机刀具管理制度为了保证盾构机刀具的状态良好，提高施工效率和工程质量，延长盾构机的使用寿命，需要建立和完善盾构机刀具管理制度。
盾构机刀具管理制度主要包括刀具的采购、验收、保养、修复和报废等方面。
1、刀具的采购刀具的采购是盾构机刀具管理制度的第一步。
在采购刀具时，应该严格按照盾构机刀具的规格和型号进行采购，确保刀具的质量和适用性。
同时，还应该选择有资质的供应商，选择质量可靠的刀具产品，从而保证刀具的使用效果。
2、刀具的验收刀具的验收是盾构机刀具管理制度的第二步。
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。
盾构机刀具配置
盾构机刀具配置盾构机刀具配置是盾构机设计的重要内容，直接影响刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工效率。
标签：适应性;寿命;效率1、引言盾构机刀具的配置是盾构机刀具设计中是非常重要的内容，其配置是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机的刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工效率。
2、刀具种类和切削原理2.1切刀（齿刀，刮刀）切刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，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，在刀盘的转动下，刀刃和刀头部分插入到地层内部，不断将开挖面前方土体切削下来。
切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂、卵石、粘土等松散体地层。
2.2先行刀（超前刀）先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置。
先行刀在设计中主要考虑与其它刀具组合协同工作。
先行刀在切刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创造良好的切削条件。
先行刀的切削宽度一般比切刀窄，切削效率较高。
采用先行刀，可显著增加切削土体的流动性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。
在松散体地层，尤其是砂卵石地层先行刀的使用效果十分明显2.3贝型刀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，因土体屑松散体，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。
将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石。
2.4中心刀（鱼尾刀、双刃或三刃滚刀、锥形刀、中心羊角刀）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（羊角刀），一般鱼尾刀超前600mm左右。
鱼尾刀的设计和配置方式如下：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它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和搅拌效果，又大大提高盾构整体掘进效果。
盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速度的影响
盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速度的影响摘要:土压平衡式盾构机的刀盘具有切削、支撑、搅拌、土体改良等功能，因此在控制掘进效率、保持开挖面的稳定等方面起着决定性的作用。
盾构选型时必须结合地层的特殊性和通用性来确定刀盘型式、刀具的布置形式以及他们之间的组合方式。
刀盘结构的改造是为充分发挥不同地层条件下辐条式刀盘和面板式刀盘的独特优势，实现两者间的转换。
将面板式刀盘的六块面板的装配形式改为栓接加焊接的形式。
刀具布置形式优化是根据刀具的作用和运动轨迹对刀具的位置、形状进行合理的优化布置，增强刀具的切削能力、降低土体对刀具磨损进而达到保护刀盘本体，为盾构长距离掘进提供保障。
关键词:辐条式刀盘;面板式刀盘;刀盘结构设计;刀具布置形式前言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。
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。
盾构是集液、电、气于一体的大型机械化专用施工设备，目前应用最广泛的是闭胸式盾构，主要分为泥水式和土压平衡式。
土压平衡式盾构机在复杂多变的地质条件下，其刀盘的结构型式、刀盘的支撑形式、刀具的选型、刀具的布置将直接影响到设备掘进的效果。
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。
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。
1 刀盘的布置针对不同的地层情况以及设备等情况，盾构的刀盘形式有很多，其主要功能为以下儿点：（1）切削功能:刀盘旋转时，通过布置在刀盘上各种形式的刀具切削土体，并将切削下来的土体刮到土仓。
盾构机刀盘刀具优化设计和布局对其使用寿命的影响
第2卷第9期2020年9月智能建筑与工程机械Intelligent Building and Construction MachineryVol.2No.9September2020工程机械与智控具优化时口布局对其囲寿命的影响何鑫，杜水明(株洲中车天力锻业有限公司，湖南株洲412001)摘要：盾构机是一种隧道掘进施工的专用设备，其主要通过刀盘上的刀具破碎岩石和切削泥土来实现掘进，盾构机刀具极易出现零件的磨损和失效，在盾构掘进施工中经常出现由于刀盘上刀具设计布局不合理、地层适应性不强等因素造成刀具磨损速度快、异常损坏多等问题，从而导致了盾构施工效率降低、成本上升等问题。
经研究发现在刀盘刀具设计布局时通过对不同施工地层中刀具受力状况进行系统分析，并根据施工地层的地质条件、岩层类型、岩层的力学性能等情况针对性地设计刀具结构、选择刀具类型和优化刀具布局，能够延长刀具使用寿命和提高盾构机工作效率。
关键词：刀具；地层适应性；针对性优化；延长寿命中图分类号：U455文献标识码:A文章编号:2096-6903(2020)09-0049-02在广州、深圳等地区的地铁隧道施工时，这些地区的复合地层软硬不均，同一隧道线路不同位置地层差异很大，盾构机掘进时要不断穿过硬岩、软岩、上软下硬等地层，盾构机刀具的受力复杂、损耗很大，因此在复合地层区域施工时依据地层差异针对性地设计刀具结构、选择刀具类型和优化刀具布局更显重要性，对延长刀具寿命和降低施工成本效果更加明显，本文将从以下几方面对复合地层中盾构机刀盘刀具设计和布局对寿命的影响进行简要分析叫1盾构机刀盘刀具种类盾构机刀盘依据结构形式分为面板式与辐条式，根据应用地层分为硬岩刀盘、软岩刀盘和复合刀盘三种,硬岩刀盘和复合刀盘一般采用的是面板式结构，软岩刀盘一般采用的是辐条式结构。
硬岩刀盘和复合刀盘虽然都是采用的面板式结构，但是由于它们应用的地层环境不同，两种刀盘的开口率、刀具配置等方面存在很大差异。
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。
盾构机刀具的使用磨损及开挖面分析
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。
30
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
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。
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%。
12
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。
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
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盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速度的影响摘要:土压平衡式盾构机的刀盘具有切削、支撑、搅拌、土体改良等功能，因此在控制掘进效率、保持开挖面的稳定等方面起着决定性的作用。
盾构选型时必须结合地层的特殊性和通用性来确定刀盘型式、刀具的布置形式以及他们之间的组合方式。
刀盘结构的改造是为充分发挥不同地层条件下辐条式刀盘和面板式刀盘的独特优势，实现两者间的转换。
将面板式刀盘的六块面板的装配形式改为栓接加焊接的形式。
刀具布置形式优化是根据刀具的作用和运动轨迹对刀具的位置、形状进行合理的优化布置，增强刀具的切削能力、降低土体对刀具磨损进而达到保护刀盘本体，为盾构长距离掘进提供保障。
关键词:辐条式刀盘;面板式刀盘;刀盘结构设计;刀具布置形式前言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。
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。
盾构是集液、电、气于一体的大型机械化专用施工设备，目前应用最广泛的是闭胸式盾构，主要分为泥水式和土压平衡式。
土压平衡式盾构机在复杂多变的地质条件下，其刀盘的结构型式、刀盘的支撑形式、刀具的选型、刀具的布置将直接影响到设备掘进的效果。
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。
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。
1刀盘的布置针对不同的地层情况以及设备等情况，盾构的刀盘形式有很多，其主要功能为以下儿点：（1）切削功能:刀盘旋转时，通过布置在刀盘上各种形式的刀具切削土体，并将切削下来的土体刮到土仓。
（2）支撑功能:依靠辐条及辐条之问的面板起到支撑掌了面土体的作用。
（3）搅拌功能:通过刀盘的旋转及搅拌棒的配合作用，使土体与膨润土、泡沫等充分混合，以改善土体的和易性、可塑性，增强土体的流动性，便于出渣，提高掘进工作效率。
（4）控制出渣粒径:通过刀盘结构形式及刀盘开口率控制进入土仓内土体的粒径。
为了实现上述功能，刀盘形式上主要分为辐条式和面板式两类，还有一种是两者组合的复合式刀盘，在该类型中中泥水土压平衡式盾构机的刀盘是真正的面板式，而我们通常意义上的面板式刀盘指的是复合式刀盘，在本文中统称为面板式刀盘。
儿种结构形式的刀盘见下图。
图1.1辐条式刀盘图1.2刀盘式刀盘图1.3复合式刀盘关于刀盘纵断面形状大致有以下几种：1、垂直平面形；2、突芯平面形；3、穹顶形；4、倾斜形；5、收缩形。
如图1.4所示：图1.4刀盘纵断面形式三种不同的刀盘适用于不同的地质环境和工程概况，如下表1.1所示：表1.1辐条式刀盘与面板式刀盘主要性能对比表通过表中的对比我们可以看出面板式刀盘更适合于软土环境的地质环境中，可以有效的抵御掌子面的坍塌。
而辐条式刀盘适合于硬质地层中的隧道中。
结合两种类型刀盘实际使用情况，根据的刀盘的功能我们在设计和改造刀盘时主要考虑以下三个问题:（1）开口率开口率是盾构刀盘上一个较重要的参数，直接影响到土体进入土仓的流动性。
辐条式刀盘因缺少面板以及辐条的圆柱形结构设计，开口率较大，切削下来的土很容易进入到土仓内;面板式刀盘因增加了面板以及辐条的箱式结构设计，加之刀具配置较多，开口率较小，切削下来的土体很难及时进入到土仓内，加速了刀具的磨损。
所以开口率的大小一方面影响到出渣粒径，另一方面直接关系到刀盘的磨损速度。
（2）支撑作用辐条式刀盘和面板式刀盘起支撑作用的主体不同。
辐条式刀盘土仓内外的压差很小，从土仓内的土压计上易确定土压值，为掘进过程中的控制提供了真实有效的依据，但其支撑作用主要是靠土仓壁完成的;面板式刀盘承受着来白掌了面上的土压力，起到很好的支撑作用。
但土仓内的土压力不仅与掌了面的土压力有关，还与土仓内土体的密实度有关，掌了面和土仓内土压存在一定差值，且这个差值受到刀盘旋转位置、推进速度等多方面的影响，不确定性较强，这样我们还将土仓内的土压值视为掌了面的土压值来指导掘进势必导致一定得误差。
（3）切削作用影响刀盘切削功能的主要是刀具的形式及其布置形式。
在软土和砂卵石地层中，完成切削功能的主要刀具切削刀。
目前无论是辐条式还是复合式均采用齿刀切削土体，只是齿刀的尺寸、形式、布置位置、装配方式上有差别;刮刀的形式差别较小，且多为装配的方式。
2刀具的布置和形式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。
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)，如图2.1所示：图2.1不同刀盘刀具的形式2.1滚刀刀具的特点以滚刀为例，在硬岩掘进时，采用滚刀破岩，滚刀破岩的特点是依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。
根据形状不同，可分为盘形滚刀，球齿滚刀，楔齿滚刀等。
盘形滚刀是刀圈为盘形的滚刀，根据刀刃多少又分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀。
目前普遍使用的是单刃滚刀，盘形滚刀主要由图2.2滚刀结构图刀圈、刀体、刀轴、轴承、密封等组成。
如图2.2所示。
刀圈断面形状有楔刃形和平刃形，刀刃角一般有60°、75°、90°、120°或平刃等，掘进硬岩时一般用较大刀刃角，掘进较软岩石时用较小刀刃角。
对于特别软的岩层，刀刃角小容易嵌入岩层，增大刀刃角甚至做成平刃可以改善掘进效果。
因平刃盘形滚刀与岩石表面接触面积磨损前后变化小，近年来平刃刀具使用逐渐增多。
图2.3滚刀侧面图2.2滚刀的布置方式：a、单螺旋布置b、双螺旋布置图2.4滚刀在刀盘上布置形式2.3滚刀破岩机理当滚刀受载，刀刃切入围岩时，岩石表面首先产生局部变形并出现微观裂纹，此过程为岩石的初期破碎，当载荷继续增加，滚刀切入岩石深度也相应的加深，在滚刀刃端的岩石粉碎破碎，并且又重新被碾压，围观裂纹在刀刃图2.5滚刀破岩示意图两侧较快发展，一些裂纹开始延伸到岩石表面，最后形成几道主要裂纹并迅速发展，便形成体积较大的岩石碎块，继而崩落。
滚刀的间距设置会影响不同岩体的破碎情况，应该根据岩石强度调节。
2.4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)。
如图2.6所示：通常盾构刀盘外圈刀具的磨损量δ由下式计算：式中，δ——磨损量(mm)；K——磨耗系数(mm/km)；图2.6刀具受力图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)。
3刀盘和刀具的配置设计3.1不同开口率条件下刀盘扭矩值以北京地铁四号线14标及4标刀盘参数、掘进参数及工程地质条件为基础，对不同开口率条件下刀具切削扭矩进行计算分析。
表3.1刀盘刀具基本参数表3.2开口率35%条件下刀盘扭矩分项计算表3.3开口率50%条件下刀盘扭矩分项计算VL N DK /101表3.4开口率75%条件下刀盘扭矩分项计算图3.1刀盘扭矩分项各占比例从以上计算可以看出，各种开口率条件下刀具切削扭矩占刀盘总扭矩小于5%，即刀具配置对刀盘扭矩的影响非常小，减低刀盘扭矩应该从刀盘开口率、刀盘宽度、渣土摩擦系数等因素入手，刀具的设计、配置及优化对刀盘扭矩无影响。
3.2刀具配置对刀具磨损的影响砂卵石地层盾构刀盘主要有三类刀具配置方式：(1)正面刮刀+周边刮刀组合，在北京地铁五号线17标及沈阳地铁一号线9标等工程中被采用；(2)正面刮刀+周边刮刀+滚刀组合，广泛应用于成都地铁，北京地铁四号线20标等工程也有应用；(3)正面刮刀+盘圈贝型刀+先行刀或正面刮刀+盘圈贝型刀+先行刀+中心鱼尾刀组合在北京地铁广泛应用。
在成都地铁中，通过对刀盘刀具新设计取得的效果如下表3.5：表3.5刀具改造前后区别在坐标轴中对比可得改造前后的变化如下图3.2所示：11/11图3.2刀具配置改造前后刀具磨损系数对比和刀具配置前后一次掘进距离对比从以上统计分析可以看出，不同的刀具配置对刀具磨损及一次掘进距离影响非常大。
4总结4.1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4.2改善掘进速度的措施刀盘的结构及刀具的配置直接关系到掘进的效果和效率，因此针对不同的地层情况进行有针对性的设计和调整，通过合理的优化，将有效延长刀盘、刀具的使用寿命，可以降低施工的成本，且为盾构长距离施工的提供了可靠的保障。