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。
滚刀结构
3）、刀具工作原理
a）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
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
西安小松
面板式刀盘，开口率43%，中间支撑，连接法兰 中空式；5个泡沫注入口，外周布置6个搅拌棒， 耐磨设计采用焊接耐磨网格。 在刀盘上配置中心鱼尾刀1把、主切削刀76把 （80mm高），周边刮刀12把（80mm高），安装 了51把先行刀，先行刀高于面板110mm，比主切 削刀（80mm高）高30mm，切削时，先对开挖面 进行切削，以减轻对主切削刀及面板的磨损。 主切削刀的布置一般是将刀盘分成内、中、外3部 分，内部1条切削轨迹上配置1把切削刀，中间部1 条切削轨迹上配置2把切削刀及外周部1条切削轨 迹配置3把切削刀，在刀盘最外周配置刮刀每个切 削轨迹上有6把。 先行刀也分成内、中、外3部分，内部1条切削轨 迹上配置1把先行刀，中间部1条切削轨迹上配置2 把先行刀，外周部1条切削轨迹配置4把先行刀。 通过这样的配置可以大大减轻刀具及面板的磨损， 并且能有效的保证开挖直径。
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。
按结构形式分，一般分为两类：辐条式刀盘和面板 式刀盘； 按功能分，一般分为两类：软土刀盘和复合式刀盘。
1、刀盘的几个定义 1）开口率
指开口面积占整个刀盘面积 的百分比。一般在20%～ 65%不等，开口率对土压平 衡盾构有着重要意义，开口 是否合适直接影响到压力控 制。
2）刀间距
指在直径方向上，相邻两条轨迹上的刀具之间的距离。刀 间距过大，影响切削效果，刀间距过小，浪费能源，经济 性变差。
3）刀高
指刀具伸出面板的距离。
4）刀具高差
指不同刀具之间的高度差。很多时候为了改善切削效果，采 用不同的刀具和高度，例如先行刀、主切刀、鱼尾刀就有不 同的高度。
2、辐条式刀盘
3、面板式刀盘
辐条式刀盘与面板式刀盘的比较
4、软土刀盘
在软弱土地层一般只需配置 切削型刀具，如切刀、 边刮刀、中心刀等。 以南京地铁S195盾构 为例，装有1 把鱼尾形 中心刀，120把切刀， 16 把周边刮刀及 1把仿形刀。
3、风化岩及软硬不均地层
主要以广州、深圳等城市为代表。
面板式刀盘、复合式刀盘， 开口率28%，泡沫口8个， 主动搅拌棒4个。耐磨设计 采用hardox钢板，滚刀背 装式。 刀具配有中心滚刀6把、双 刃滚刀14把、64把重型切 刀、边刮刀16把。
非常感谢
双圆
三圆
四圆
异形
异形
异形
二、刀盘主要构成
1、主驱动连接法兰（连接主驱动）
2、刀盘支撑（传递扭矩及轴向力）
中心支撑
中间支撑
3、外圈梁（加强结构强度）
4、刀梁（安装刀具）
5、搅拌棒（渣土改良）
6、渣土改良注入口（渣土改良）
泡沫的使用
通过泡沫的轴承效果挖掘土 的流动性增强
通过将土粒子间的地下水置 换成泡沫来增强止水性 有效防止粘性土的附着
泡沫使用前
泡沫使用后
7、回转接头（渣土改良）
7、耐磨层 除了安装刀具，还需要焊接耐磨层对刀 盘本体进行保护，耐磨层一般有三种形式： 1）、用耐磨焊条堆焊耐磨网格或耐磨层 2）、焊接hardox500钢板 3）、焊接耐磨复合钢板
2、砂卵石地层
主要以北京、成都、沈阳等城市为代表。砂性土一般摩擦阻 力大，渗透性好，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；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；同时砂性土 中石英含量较大，刀具磨损较严重；其次是大粒径砂卵石不 但切削或破碎困难，而且切削下来的碴土排出也十分困难； 因此在刀盘设计时，应对刀盘形式，刀具形状及布置方式， 加泥加泡沫系统等内容作为重点统筹考虑。
刀盘简介
一、概述
1、作用 开挖功能：对掌子面的地层进行开挖，并且使开挖 后的渣土能顺利通过渣槽，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。
5、复合式刀盘
隧道施工总是在一定的施工环境(基础地质、工程地质、水文 地质等)中进行,按其变化程度可分为均一地层和复合地层。均 一地层可分为两种:单纯的软土地层和单纯的硬岩地层。上海、 天津、北京地铁隧道的施工当中遇到的可归为均一地层。复合 地层的组合方式非常复杂多样,但总的来说可分为三大类:一类 是在掘进断面上不同地层的组合;一类是在掘进轴线方向上不 同地层的组合;另一类是上述两者兼而有之。在广州、南京、 深圳的地铁修建中都遇到了大量的复合地层。为了应对不同的 地层条件,发明了复合盾构技术。复合盾构技术是根据掘进面 不同的地层条件,盾构机采用不同的掘进模式,例如土压平衡模 式、气压平衡模式及非土压平衡模式等。在复合式地层,也要 求刀盘采用混合式设计,即在同一个刀盘上同时布置2种或2种 以上的类型的刀具,切刀和滚刀并存。
3、个性化（针对性） 盾构在施工过程中会遇到各种不同地层，从淤 泥粘土、粉质粘土、粘土、粉细沙、中沙、粗 砂、卵砾石、软岩及硬岩等。刀盘刀具不可能 是千篇一律的，必须根据具体的工程地质情况 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。
4）、各种刀具的破岩机理
刀具类型 刮 削 刮刀 ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ 滑动 刨刀状 滚动+微滑 楔状 滚动+滑动 球面状 滚动+滑动 楔状 楔齿滚刀 球齿滚刀 盘形滚刀
主要 破岩 机理
剪 切 龟 裂 挤 压 研 磨
运动形式 刀齿形状
5）、几种刀具的推荐使用范围
分类 抗压强 度 MPa ＜45 典 型 岩 石 刀 具 型 式
b）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）
软土,软 岩 中软岩
页岩 粘土 泥岩
刮刀;齿刀; 楔齿滚刀 盘形滚刀; 楔齿滚刀 盘形滚刀; 球齿滚刀 盘形滚刀 球齿盘形滚刀
45--85
石灰岩 砂岩 大理石 火山岩 凝灰岩
中硬岩
85—180
白云石 片麻岩 花岗岩 片岩 长石 闪绿岩 硅岩 角闪岩 硬质粘土岩 玄武岩 燧石 砾岩
硬岩
＞180
三、刀盘的分类
贝壳刀
撕裂刀、切刀
先行刀
先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置，因此也称为超 前刀。先行刀在设计中主要考虑与切刀组合协同工作。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。先行刀的切削宽度比切刀窄，一般设计 为切刀的一半，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ห้องสมุดไป่ตู้，减 少切刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层和钙质结核 地层，先行刀的使用效果十分明显。