盾构刀具磨损分析

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。

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。

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。