盾构机刀具磨损及刀盘设计
盾构机刀盘设计要点探究
盾构机刀盘设计要点探究盾构机刀盘设计五花八门，主要设计依据是盾构隧道的地质条件。
但针对相同地质条件，各制造厂家基于各自的理念设计出的刀盘又不尽相同。
作为使用单位，在进行设计联络、设计评审时，如何入手，如何判定优劣呢？刀盘设计的适应性判断是考虑问题的出发点。
刀盘结构外形的差异并不重要，只要结构强度满足力学要求，即满足极限条件下的推力、扭矩的要求即可。
我们需要关心的是另外几方面的问题：一、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，对刀盤开口率要求就小。
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。
例如，我单位施工的莞惠城际轨道交通GZH-6项目隧道地质主要是弱风化混合片麻岩，岩体较硬。
对于这类地层，施工时刀盘常态转速的经验值在1.5～2rpm之间。
据此，计算出开口率的值K在40%～33%范围内。
根据强度优先的原则，采用辐条+面板的结构形式。
结合刀具的布置等其它因素，刀盘开口率最后结果值是31%。
盾构刀盘磨损及刀具更换
盾构刀盘磨损及刀具更换公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-15 刀具使用维护及更换一般规定15.1.1北京地铁盾构隧道施工，多在粉细砂层、圆砾层及卵石层中进行，刀盘、刀具磨损较大，须对刀盘、刀具磨损的检测及更换等有充分的估计。
在定购盾构机时，应充分考虑北京地层条件特点，确定盾构机的面板型式以及刀具配置等，以满足北京地铁盾构施工的需要。
盾构施工前应根据地层的磨耗性、刀盘刀具类型及配置等制定刀具使用计划。
盾构掘进施工前，应综合考虑地层条件，地面条件等因素，确定合理的可能换刀位置。
施工中应使用泡沫、泥浆等添加材，并采取其它减磨、降矩措施，提高刀盘、刀具的寿命。
15.1.6刀盘、刀具的磨损与施工参数的选择、施工方法等密切相关，应充分考虑这些因素的影响，审慎施工。
施工中应密切观察推力、扭矩、渣土性状、机体振动状态等，分析其原因，采取应对措施。
应设定异常掘进的警戒推力及扭矩值，如遇异常情况，应立即停机检查。
北京地铁盾构隧道施工中的刀盘、刀具磨损现象非常复杂，详细情况正在调查和研究中，随着调查研究的深入及施工经验的增多，将及时做补充修订。
刀盘及刀具的选择15.2.1 刀头材质的选择1刀具一般采用真空烧制的E5类钢材，对于有特殊耐磨要求的刀具宜采用耐磨能力是E5两倍的所谓SINTER－H1P真空烧制的E3类钢材。
2表面硬化的方法一般是堆焊耐磨材料，可采用碳化钨或高铬堆焊焊条，堆焊层硬度宜高于HRC60；3 采用超硬重型刀，刀具背面实施硬化堆焊。
刀头种类及型状：1 主切削刀；其切入角度影响切削能力的发挥，应根据施工地层情况，选择切入角度；2 主超前刀（也称先行刀）：采用主超前刀，一般可显着增加切削土体的流动性，大大降低主切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少主切削刀的磨耗。
3 鱼尾刀：为改善中心部位的切削和搅拌效果，宜在刀盘中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。
4 盘圈贝型刀：实质上是超前刀，在盾构机穿越砂卵石地层特别是大粒径砂卵石地层时宜采用。
盾构机刀具磨损及刀盘设计
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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
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。
(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。
盾构机的刀盘的设计资料
盾构机的刀盘的设计资料盾构机的刀盘和刀具The Cutter Head and Tools of the Shield Machine 豳中铁七局集团第三工程有限公司何小娥／HE Xiaoe 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1 刀盘刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体。
“刀盘”的工作原理可简单比作是一把剃须刀，在前进过程中逐渐将泥土砂石变成碎块，再排放到“刀盘”后的“储藏室”内，即，土仓。
1．1刀盘的特点的切削效果和掘进速度，甚至关系到盾构施工的成败。
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。
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。
1．2刀盘的功能开挖功能：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；重要性：刀盘的选择是否合适直接影响盾构掘进机搅拌功能：对土舱内的渣土进行搅拌，使渣土具有一力值趋于减小。
在低速情况下沥青混凝土路面呈粘弹性状态，刀具前角对切屑的挤压以及后角对已加工路面的摩擦使得刀尖附近的应力值增大；随着切削速度的增大，沥青混凝土在切削过程中脆性越来越明显，产生的切屑对前刀面的挤压程度降低，从而使得刀尖附近的应力值趋于减小；当速度达到一定程度的时候，这个值趋于平稳。
另外还可以看出在切削过程中刀尖前端的沥青混凝土路面主要受到刀尖对其的挤压，从而oo。
和 o，，呈现为负值；o。
、a，，和o，，低速慢慢随着速度的增大而不断增大，这是因为沥青混凝土的粘塑性随着切削速度变化而引起的。
表3为切削深度为60 mm的不同切削速度下的刀具切削力计算结果。
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。
盾构机盘刀
盾构机盘刀盾构机盘刀磨损主要原因为隧道穿越的地层主要为粘土沙，其中夹杂中粗砂、砾砂、卵石，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。
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。
刀盘的质量关系到开挖效率、使用寿命、工程费用及盾构施工的成败。
然而,由于刀盘不可避免的磨损往往给工程带来干扰和隐患,这就需要在短时间内对盾构机刀盘磨损进行焊接修复,从而为盾构机开始新的掘进任务提供良好的设备条件.二、盾构机盘刀修复方案从盾构机盘刀磨损情况来看,由于刀盘本体基本完好,大部分刀具磨损在容许范围内,剩余刀刃高度能够满足右线掘进任务,没有必要更换整个刀盘或者是全部刀具,只需要对磨损的刀盘本体和刀具进行焊接修复和更换,即可保证盾构机正常进行下阶段的掘进施工。
刀盘修复的原则是保证修复后的刀盘本体性能不低于原设计制造的水平,保证更换的刀具与出厂配备的刀具性能相匹配。
为此,在深入分析和研究之后,决定采取以下焊接修补方案。
1 对刀盘本体外缘侧板环面,采用埋弧堆焊的方式,首先填平一圈凹槽,然后堆焊整个侧板环面,在环面上形成一圈耐磨层,使得刀盘本体直径恢复到出厂时的6240 mm。
2 刀盘外周边缘的倒角磨损采用加焊一圈耐磨钢板的方式对其进行恢复补强。
钢圈外径为6240 mm,内径5920 mm,厚度30 mm。
钢圈面与刀盘本体面平齐,钢圈与刀盘本体焊接采用二氧化碳保护焊,用埋弧堆焊把钢圈与刀盘面板之间的缝隙和钢圈与刀盘外缘侧板环面之间的凹槽填平。
钢圈表面采用二氧化碳保护焊堆焊栅格状的耐磨金属条。
3 磨损刀具的更换。
刀具与刀盘连接方式有2种,一种是直接焊接在辐板上,另一种是通过基座与辐板螺栓连接。
对于直接焊接在辐板上损坏的刀具而言,需要用氧炔焰把损坏的刀具从根部切割,然后打磨平,在原位置焊接相应的刀具。
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。
盾构掘进中刀具_刀盘损坏及维修措施探讨
后能恢复掘进功能
竖井维修
技术成熟， 维修速度与质量均较高， 但 场地协调困难
更换刀盘
技术成熟， 对场地要求较高， 场地协调 困难
７０ 天 ６０ 天 ４０ 天
小
中
开挖竖并需再 掘进一段距离
大
开挖竖井需再 掘进一段距离
结合本项目的实际情况， 选用洞内维修方案。 ４．１ 洞内维修
由 于 地 层 稳 定 不 进 行 地 层 加 固 ， 根 据《开 仓 程 序》和《开 仓 安全技术交底》只使土仓库敞地 层在较长的一段时间内 保 持 稳 定， 在洞内开挖洞室进仃； 刀盘维修。维修时， 坚持“＂ 小、快、灵” 的指导思想， 即以小范围的维修为一个维修单元， 将整个维修 划分为若干个小的维修单元， 突出重点， 快速灵活的开展工作。
③弧形刮刀与切刀已开始径向压力， 部分刮刀可能已脱 落， 弧形边刮刀出现严重磨损， 承压在刀盘下面或边缘与切口 环之间， 刀盘的异响可能为脱落的刮刀或滚刀刀圈与切口环干 摩擦引起。
３ 开仓检查
排出部分碴土， 在短暂的时间内， 对刀盘进行检查， 发现掌
子面较完整、较稳定， 地下水不丰富。
３．１ 开仓程序 表 ３ 开仓程序签认表
图１
２ 掘进状态分析
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。
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(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。
某泥水盾构机刀具磨损计算书
某泥水盾构机刀具磨损计算书1计算条件1.1施工纵剖图掘进距离：4134.6m覆土：8.31～47.66m河水水位：59.28m河床覆土：20.66m1.2土质断面1.3土质分布1.4土质分类比率总计表2.切削刀的寿命(更换次数)切削刀磨损系数的实际情况见表1，在图1中也有图形描述。
表1 切削刀磨损系数2.1刀具的磨损【以过去的业绩为依据的刀具磨损调查结果】磨损系数＝K1ｘK2ｘ石英含有率90-100％时的磨损系数K1：石英含有率的影響系数＝0.78（石英含有率35-55％）K2：刀具切削高度的系数＝1.6（先行刀）；0.6（切削刀）根据下表的磨损系数计算磨损量磨损量的计算如下：磨损量= 磨损系数⨯滑动距离(km)= 磨损系数⨯挖掘距离(m)⨯最外围圆周速度(m/min)/挖掘速度(mm/min)2.2切削速度和刀盘旋转数2.3磨损量※磨损量计算式磨损量＝磨损系数⨯掘进距离÷掘进速度⨯π⨯盾构径2.4 结论①磨损量先行切削刀：64.8 mm主切削刀：24.1 mm②切削刀更换次数先行切削刀：允许磨损量40mm主切削刀：允许磨损量30mm以上刀具寿命的讨论结果，推算出先行刀的磨损量会超过允许磨损量，需要更换。
而切削刀，推算出其磨损量在允许磨损量以内。
另外，更换先行刀时，常压下在刀盘内进行。
3滚刀更换次数推算 3.1探讨条件根据以下条件，推算泥水式盾构工法中滚刀的更换次数。
盾构外径： D ＝14.93m滚刀尺寸： 19(英寸) 中心17(英寸)全断面掘削換算延長： 406.9m 硬岩出现长度强风化和中风化粉砂岩(含破碎带) L ＝709.87m砂岩层的SiO 2含量不足55%。
3.2滚刀更换距离的计算公式滚刀（最外周）的磨损量达到必须更换的磨损极限前，能够挖掘的隧道总长L(m)可按下式推算。
DPe L ⨯⨯⨯=πλ10L ：达到滚刀磨损极限前的掘进距离 (m) D ：可安装滚刀的直径(m) Pe ：滚刀的切入深度(cm/rev) λ：滚刀的容许转动距离(km)3.3本工区的滚刀切入深度和容许转动距离的设定3.3.1 滚刀磨损Ｒ100：岩盤強度100MPa 石英含有率100％時的滚刀允许转动距离＝360km C1：岩盤強度的係数 ＝1.12 （岩盤強度80MPa ） C2：石英含有率的係数＝0.78 （石英含有率35～55％） K ：機種的係数＝1.15 （泥水式）滚刀允许转动距离 R ＝R100 ×C1／C2 × K ＝595 km【滚刀硬度】考虑到对砾石、岩块的耐冲击性，使用了柔软的材料，因此不发生因缺损而产生的寿命降低。
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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。
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⑥每10环注一次双液浆，使隧道纵向形成间隔的止水隔离带，防止管 片外侧横向贯通。 ⑦连续掘进，争取不换刀，一次通过人工湖。 ⑧与地面监测人员密切联系，并保持通信畅通，以快速应对地面的突 发情况。 ⑨掘进过程 做好出碴量的记录，保证出碴量与掘进速度的一致，避 免出碴量远大于掘进量而引起“冒顶”事故。 ⑩出现喷涌时，关闭螺旋输送机出料门，并使盾构机适当向前推进， 加注高浓度膨润土，待搅拌均匀后在缓慢边掘进边出土，始终保持土 仓压力稳定。 （11）为了防止隧道管片上浮，除了加强注浆管理外，在推进时尽量 使盾构机沿着隧道设计轴线下掘进，垂直控制在30mm。
（3）通过密封仓壁上注入机构向仓前土体内注入浓度高的 膨润土泥浆和泡沫，以改善土体性状，减小刀具磨损量， 阻止地下水渗透。
（4）推进中，要确保注浆压力及注浆量，同时提高同步注 浆的质量，要求浆液有较短的初凝时间，防止地面的后续 沉降，但注浆压力不要过大，以免引起地面的隆起。
（5）密切注视出土情况，若出现黑色淤泥、涌水量增大或 出土量大时，应增加推力和土仓压力，加注浓度高的膨润 土，提高推进速度，快速通过。
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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
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超挖刀
双刃齿刀 双刃滚刀 单刃齿刀
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2 刀具的结构和切削机理
2.1 刮刀 刮刀用来切削各种砂土、粘土等较松散的地层及全风
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滚刀于对各种强、中、微风化岩进行挤压破碎，滚刀安 装在刀盘的刀座上，这些刀座也可以安装焊接在特殊支架上 的齿刀。滚刀设计最大破岩能力为80Mpa，广州地铁三号 线客大区间岩石的最大单轴抗压强度为62.3Mpa。
2.4 边缘刮刀 用来校准盾构的开挖直径。 2.5 超挖刀及仿型刀 用于盾构曲线施工时的超挖及盾构姿态的调整，由液压 油缸操纵伸缩，其行程
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。
2.2 齿刀 用来先行松散各种砂砾层、粘土层及全风化层，使其固
结性能变差，然后由刮刀将其刮掉。 2.3 滚刀 滚刀在推力的作用下贯入岩层，同时在开挖面岩石阻力
的作用下随刀盘做同心圆滚动，岩石被挤压，形成挤压切槽 ，并在小半径范围内将挤压裂纹延伸到周围的岩石，最终在 刀盘推力作用下挤压切槽两边的岩石呈片状破碎。
⑦刀盘上接受托架前，应将姿态趋向调整为正，以便刀盘顺利 上拖架。
⑧盾尾在出橡胶帘布前，应进行二次注浆，待洞门注浆饱满后 再向前推进。
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二、刀盘及刀具磨损
1 概述
设计的必要性
土压平衡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。所以对盾构机刀具磨损 情况地分析尤为必要。
⑦时刻注意铰接油缸处和盾尾有无泄露，发现泄 露及时采取措施，加大盾尾密封油脂的注入量；
⑧在以上措施实施后还不能达到预期效果，应启 用超挖刀进行超挖纠偏。
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3、盾构机出洞时的掘进
①距离出洞20环时，用扁钢加工的连片加固管片，使 管片整体受力，防止管片在出洞时松动下沉或偏移。
《大型施工机械》——盾构机部分
第六讲
一、特殊条件下掘进 二、刀盘及刀具磨损
主讲：郭京波 教授
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一、特殊条件下掘进
1、 盾构机过人工湖的掘进
（1）定期、定量、均匀的压注盾尾油脂，确保尾封密封严密， 钢丝刷密封油脂饱满。
（2）砂层掘进采用土压平衡模式掘进，均速掘进，刀盘转 速控制在1-1.5转/分钟，减小对地层的扰动。
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பைடு நூலகம்
2、盾构机在小半径曲线中掘进
①在未进入曲线前，提前开启铰接装置，预先推出弧 形态势。
② 精确计算每一推进循环的偏离量与偏转角的大小， 根据盾尾间隙及推进油缸行程差、铰接油缸行程差、 掘进线形，选择合适类型的管片；
③将每一循环推进后的测量结果记入图中与设计曲线 相对照，确定是否修正下次推进的偏转量与方位角；
②距离出洞10环时，应停止掘进，在桥架处进行二次 注浆堵水，待浆液初凝后再往前推进。
③刀盘距离出洞5环时，应减小推力，降低推进速度， 派专人在洞门前方监视洞门情况，并与监视人员保 持密切联系。刀盘穿越加固区，刀盘转速控制在 0.75-0.8r/min，推进速度控制在15mm/min以下， 出碴门的打开程度可根据实际情况而定，当发生喷 碴时可开启150-120mm，不发生喷碴时可开启300 350mm。
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④刀盘快到素混凝土桩时，应再降低推进速度、推力和刀盘转 速。
⑤刀盘进入素混凝土桩后，密切注视控制面板上的参数变化， 推进速度控制在8~ 10mm/min。在刀盘前方加注适量泡沫及 膨润土来降低刀盘温度，加快出土速度，尽量将土仓内土出 空。
⑥刀盘通过橡胶帘布时，停止转动刀盘，各组推进油缸行程要 保持一致，并派专人监视扇形压板和橡胶帘布，如果发现扇 形压板松动、固定压板的钢丝绳太紧或橡胶帘布被刀盘卡住 时，应立即停止推进，待处理好后再推进。
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• 3 双刃滚刀刀具的磨损及原因：
3.1 正常磨损 刀具的正常磨损是指刀圈的磨损量超过了规定值，磨损量
可用专用的量具进行测量。