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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。
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）。
优化盾构机刀盘刀具布局延长刀具使用寿命发布时间：2021-06-22T09:53:36.267Z 来源：《基层建设》2021年第6期作者：陈云[导读] 摘要：隧道掘进技术是先进的地下施工技术，广泛应用于城市地铁等领域施工中。
中铁十四局集团大盾构工程有限公司江苏南京 211899摘要：隧道掘进技术是先进的地下施工技术，广泛应用于城市地铁等领域施工中。
复合式盾构机广泛应用于软硬岩交替出现复合地层施工，掘进机刀盘刀具设计方案直接影响掘进性能。
复合式盾构机由于与硬岩掘进机有很多相同点，刀具系统设计研究已有一定基础，刀盘刀具布局方案研究是刀盘掘进系统研究的重点。
减小盾构机掘进刀具磨损，是保证盾构机长距离掘进的重要措施。
地下工程盾构掘进施工中经常出现刀具磨损严重等，为工程工期造价带来严重影响，研究如何减小盾构机掘进磨损，优化刀具刀盘布局，对刀具进行改进，使产品质量可靠完善，延长刀具使用寿命，对提高盾构机工作效率具有重要意义。
关键词：盾构机；刀盘刀具布局优化；延长使用寿命0、引言随着21世纪道路，城市建设快速发展，城市人口急剧膨胀，许多城市出现用地资源紧张、交通堵塞等制约社会经济的发展。
由于流动人口增加，城市道路有限性带来车速下降等系列问题。
城市地下空间开发成为世界性趋势，城市向立体化开发是市中心改造唯一途径。
地铁交通建设促使城市发展，随着北上广深等大城市城轨交通建设投资加大，盾构机大型设备国产化日益重要，国内对盾构机市场需求巨大。
我国各类盾构机潜在市场有200亿以上产值，我国盾构机掘进设备技术研制已经形成针对不同地质条件的掘进能力。
盾构机硬岩或者软硬不均地层掘进过程中，盾构刀具磨损会非常快，更换刀具非常频繁，使用进口刀具盾构机施工往往价格昂贵，进口刀具周期时间长，掘进土层变化难以预测。
本文根据徐州地铁2号线项目在中强风化灰岩岩层及多溶洞地层施工盾构机刀盘设计要点，研制适应不同工况的刀具，提高掘进效率，减少换刀次数降低施工风险。
盾构机刀具布置技术及应用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。
1 土压平衡盾构刀盘的主要功能土压平衡盾构结构见图1，这种盾构把由刀盘挖下的土块和流进盾构的地下水封闭在密封的隔舱内，以此来平衡开挖面地层压力，防止土层崩塌。
废土通过盾构的螺旋输送机连续向后部排放，同时还可以通过调节螺旋输送机转速，来控制排土量以及控制密封隔舱中的泥土压力来达到与掌子面土体压力相平衡。
因此刀盘主要功能有：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。
2 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：滚刀工作原理如图2，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。
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V L N D K /101∙∙∙∙=πδ表3.3开口率50%条件下刀盘扭矩分项计算表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：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。
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