盾构刀具布置分布形式

浅谈盾构机刀具造型及其布置安排本文说明了盾构机刀具造型，分析了刀具的配置方法，阐述了盾构机刀具造型及其布置安排的注意事项。

标签：盾构机；刀具；造型；布置0 引言盾构机在施工过程中的主要工具，由于其工作条件极其恶劣，其刀具配置形式及刀具造型的好坏将直接影响盾构施工能否顺利进行。

要确保刀具结构布置的合理性，盾构机刀具的配就置必须适合应用工程的地质条件，充分考虑影响盾构机刀具的切削效果、掘进速度和施工效率，确保盾构机使用寿命的提高。

1 盾构机刀具造型和种类（1）齿刀，刮刀。

切刀布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向剪切力和径向切削力，在转动下插入到地层内部，一般是适用于粒径小于500mm的砂、卵石、粘土等松散体地层。

（2）切刀。

切刀用来切削掌子面的土层，目前最有效的切刀配有双层碳钨合金刀齿。

刀具背部设有先行刀突出切刀布置，并安装在刀盘辐条中间的刀箱中。

常见的先行刀是由强度高、耐磨性能好的碳钨合金堆焊而成，先行刀是先行超前切刀布置，有利于随后跟进的切刀作业，避免切刀切削到砾石等地层，从而有效地保护切刀。

先行刀与其它刀具组合协同工作，在切刀切削土体之前先行切削土体，并为切刀创造良好的切削条件。

先行刀的切削宽度可显著增加切削土体的流动性，大大地提高切刀的切削效率，主要适用于砂卵石地层。

（3）仿形刀.仿形刀是为盾构机实施转弯或纠偏等而设计的。

刀盘转动时，刀具随切削直径的增大而增大，当需要转弯对洞壁一侧进行超挖，便于盾构机向该侧转弯。

（4）贝型刀。

贝型刀的盾构机能穿越砂卵石地层，因土体屑松散体在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，为了降低滚刀的切削效果，需要将其布置在刀盘盘圈前端面。

（5）中心刀。

中心刀通常是用来清除掌子面最外圈的渣土，刀盘外径大起到保护刀盘外缘不受磨损的目的，它是突出于刀盘上所有的其它刀具，刀头对旋转刀盘起着定心作用。

在软土地层掘进时，因刀盘中心部位无法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超前500mm的鱼尾刀，利用鱼尾刀先切削土体，将鱼尾刀设置在切刀布置上，使刀盘旋转时增加翻转运动，这样就改善切削土体的流动性和搅拌效果，有效提高盾构整体掘进效果。

盾构机刀具配置盾构机刀具配置是盾构机刀具设计中是非常重要的内容。

本论文着重介绍了刀具的种类和切削原理，同时针对不同的地层情况，提出刀具的具体配置方式。

针对盾构机在复合地层隧道掘进，解释了刀具配置的差异性、刀具配置的“矛盾”现象。

结合工程实例，在砂卵石地层中（尤其是含大直径漂石）长距离隧道掘进的工况下，提出了盾构机生产厂家关于刀具配置新的设计理念和思路。

最后提出了刀具配置设计中应考虑的因素。

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600 mm左右。

盾构机刀具选型及布置作者：吴艳华刘德全盛少琴来源：《广东造船》2013年第01期摘要：从工程上看，盾构系统最重要的部分在于刀具的选用和布置，刀具是否适用于工程地质条件将直接影响盾构机的掘进效果。

本文从盾构机刀具类型、刀具配置以及刀具布置需要考虑的各项因素，分析盾构机刀具的选型和布置。

关键词：刀具；刀具布置；刀具高度；刀具磨损1 引言近年来，随着科学技术的不断发展，人们可利用的地上空间越来越少，对地下空间的开发逐渐成为国内外各大城市的重要目标。

隧道掘进机是最主要的地下空间开发工具，是集机械、电气、自动化控制、光学等多学科综合技术为一体的成套设备。

在整个盾构设备系统中，刀盘刀具是能否成功掘进的关键，是影响掘进性能的决定性因素。

其中，刀具的配备和布置需要根据地质条件和施工要求进行合理设计，属于复杂的工程系统设计问题，对刀具布置技术的研究具有重要的工程意义。

针对这一情况，本文对复合地质下的刀具选型及布置进行了相应的分析和优化，以实现对复合地层开挖的性能要求。

2 刀具类型刀具是盾构设备的开挖部件，在不同岩土体条件下，盾构刀具也有所不同。

目前常用的盾构刀具大体可分为：滚动类刀具和切削类刀具。

其中切削类刀具又包括切刀、刮刀、先行刀等。

2.1 滚动类刀具刀具在随刀盘转动的同时，还作自转运动的破岩刀具统称为滚动刀具，又称为滚刀。

滚动刀具均是通过滚动和滑动产生的挤压、剪切、研磨等达到破岩的目的。

根据刀具形状的不同滚刀又分为：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），如图1所示。

a：钢齿滚刀 b：球齿滚刀 c：钢刀圈滚刀 d：球齿刀圈滚刀图1 滚动类刀具形状根据安装位置不同分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀。

目前常用的滚刀类型为盘形滚刀。

盘形滚刀根据刀刃数分为单刃滚刀、双刃滚刀和多刃滚刀。

根据刀刃外径的大小又分成13、15、17、19等不同规格，目前主要使用的是17系列滚刀。

不同刃数滚刀的使用范围各不相同，见表1。

CFHI2020年第4期（总196期）**************刀具的设计和布置在盾构机设计中是非常重要的内容。

刀具种类的选择与布置方式是否适合于工程地质条件，直接影响着盾构机的刀盘切削速度、出土效果和掘进速度，甚至很大程度上影响施工的经济性和工程进度。

本文以在粘土、沙土等软土地层中使用的土压平衡式盾构机为例，介绍刀具布置的原则和方法。

1刀具选择切削刀具应根据工程地质和水文地质条件、盾构外径、掘进速度、施工总长度等选择和配置，刀具的布置应满足刀盘正反转工作及全断面切削的具体要求。

切削刀对开挖面土体产生轴向剪切力、挤压力和圆周向切削力，通过旋转不断对开挖面前方土体进行切削，切削型刀具一般适用于粒径小的砂卵石、砂土、粘土等松散体地层[1]。

先行刀可增加切削土体的流动性，降低切刀的切削扭矩，提高切削效率，并减少刀具的摩擦损耗；中心刀通过挤压使前方岩土破碎，还可通过刀具刃口，对前方岩土进行切削；仿形刀沿着刀盘径向安装，可以超挖出一个圆形轨迹，在刀盘的带动下旋转，也可以在刀盘旋转过程中调整向外伸出、收缩的大小，在局部范围上实现超挖，形成一个椭圆切削形态，可减轻对岩土的扰动，减小地面沉降量；为了减小刀盘旋转工作时岩土对刀盘外周的磨损而设置有外周磨损刀具。

综合各种刀具特点并根据土壤及岩性条件，笔者选择配备切削刀、先行刀、贝壳刀、中心刀、加泥孔保护刀、外周磨损刀具及超挖刀等刀具（见图1）。

2刀具数量的确定工程实践表明，盾构机的刀盘外圈刀具的磨损量由下式得到[2]δ=πKDLn dv（1）式中：δ—磨损量（mm ）；K —磨耗系数（mm/km ）；D —盾构刀盘外径（m ）；n d —刀盘的转动速1.一重集团大连工程技术有限公司高级工程师，辽宁大连1166002.一重集团大连核电石化有限公司高级工程师，辽宁大连116600盾构机刀具布置方法许永强1，周凤革2摘要：根据工程指标和水文地质特性对刀盘切削功能的要求确定刀具种类；根据刀具磨损等寿命原则，采用磨损系数法，确定沿半径方向刀盘辐条上刀具的布置数量；考虑对刀盘的对称性和稳定性的影响，刀具采用多条螺旋线的布置形式。

盾构机刀具摆设之阳早格格创做盾构机刀具摆设是盾构机刀具安排中利害常要害的真量. 本论文着沉介绍了刀具的种类战切削本理，共时针对于分歧的天层情况，提出刀具的简直摆设办法.针对于盾构机正在复合天层隧讲掘进，阐明了刀具摆设的好别性、刀具摆设的“冲突”局里.分离工程真例，正在砂卵石天层中（更加是含大直径漂石）少距离隧讲掘进的工况下，提出了盾构机死产厂家闭于刀具摆设新的安排观念战思路.末尾提出了刀具摆设安排中应试虑的果素.1 、弁止盾构机刀具的摆设是盾构机刀具安排中利害常要害的真量，其摆设是可符合应用功程的天量条件，间接效用盾构机的刀盘的使用寿命、切削效验、出土情景、掘进速度战施成果用.2 、刀具种类战切削本理2.1、切刀（齿刀，刮刀）切刀是硬土刀具，安插正在刀盘启心槽的二侧，其切削本理是盾构机背前促成的共时，切刀随刀盘转化对于启掘里土体爆收轴背（沿隧讲前进目标）剪切力战径背（刀盘转化切线目标）切削力，正在刀盘的转化下，刀刃战刀头部分拔出到天层里里，不竭将启掘里前圆土体切削下去.切削刀普遍适用于粒径小于400mm的砂、卵石、粘土等紧集体天层.2.2、先止刀（超前刀）先止刀是先止切削土体的刀具，超前切刀安插.先止刀正在安排中主要思量与其余刀具拉拢协共处事.先止刀正在切刀切削土体之前先止切削土体，将土体切割分块，为切刀创制良佳的切削条件.先止刀的切削宽度普遍比切刀窄，切削效用较下.采与先止刀，可隐著减少切削土体的震动性，大大降矮切刀的扭矩，普及切刀的切削效用，缩小切刀的磨耗.正在紧集体天层，更加是砂卵石天层先止刀的使用效验格中明隐.2.3、贝型刀贝型刀真量上是超前刀，盾构机脱越砂卵石天层，特天是大粒径砂卵石天层时，若采与滚刀型刀具，果土体屑紧集体，正在滚刀掘进挤压下会爆收较大变形，大大降矮滚刀的切削效验，偶尔以至丧得切削破碎本领.将其安插正在刀盘盘圈前端里，博用于切削砂卵石.2.4 、核心刀（鱼尾刀、单刃或者三刃滚刀、锥形刀、核心羊角刀）正在硬土天层掘进时，果刀盘核心部位不克不迭安插切刀，为革新核心部位土体的切削战搅拌效验，可正在核心部位安排一把尺寸较大的鱼尾刀（羊角刀），普遍鱼尾刀超前600 mm安排.鱼尾刀的安排战摆设办法如下：其一让盾构分二步切削土体，利用鱼尾刀先切削核心部位小圆断里土体，而后夸大到齐断里切削土体，将要鱼尾刀安排与其余切刀不正在一个仄里上，即鱼尾刀超前切刀安插，包管鱼尾刀最先切削土体；其二是将鱼尾刀根部安排成锥形，使刀盘转化时随鱼尾刀切削下去的土体，正在切背、径背疏通的前提上，又减少一项翻转疏通，那样既可办理核心部分土体的切削问题战革新切削土体的震动性战搅拌效验，又大大普及盾构真足掘进效验.正在杂硬岩天层掘进时，到盘核心位子安插单刃或者三刃滚刀.2.5、仿形刀（或者超掘刀）盾构机普遍安排二把仿形刀(一把备用)，安插正在刀盘的边沿上.动工时不妨根据超掘几战超掘范畴的央供，从边沿径背伸出战缩回仿形刀.仿形刀伸出最大值普遍正在70～150mm 之间.盾构机正在直线段促成、转直或者纠偏偏时，通过仿形超掘切削土体创制所需空间，包管盾构机正在超掘少、对于周边土体搞扰小的条件下，真止直线促成战成功转直及纠偏偏.2.6、滚刀战刮碴板正在杂硬岩天层掘进时，采与滚刀破岩.滚刀破岩的本理是依赖刀具滑动爆收冲打压碎战剪切碾碎的效用达到破碎岩石的手段.滚刀的典型、数量、安插办法、位子、超前量根据岩层的强度战真足性、掘进距离、含砂量等特性决定.脱越紧集天层但是有大粒径的砾石(粒径大于400mm)、而且含量达到一定比率时，也可采与滚刀型刀具.正在隧讲天量条件搀杂多变、岩石(强度不算太下)与普遍土体(或者粘土或者砂土)接错一再出现的情况，也有大概采与滚刀型刀具，即正在复合式盾构机中采与、滚刀分为齿形（球齿、楔齿）滚刀战盘形滚刀、滚刀刀圈的材量是滚刀是可胜任掘进硬岩的闭键.盘形滚刀根据刀圈分歧普遍有以下4种典型(1)耐磨层表面刀圈：适用于掘进硬度40MPa的稀切天层，硬度80～100MPa的断裂砾岩、砂岩、砂粘土等天层.(2)尺度钢刀圈：适用于掘进硬度50～150MPa的砾岩、大理石、砂岩、灰岩天层.(3)沉型钢刀圈：适用于掘进硬度120～250MPa的硬岩，硬度80～150MPa的下磨益岩层，如花岗岩、闪少岩、斑岩、蛇纹石及玄武岩等天层.(4)镶齿硬量合金刀圈适用于掘进硬度下达150～250MPa的花岗岩、玄武岩、斑岩及石英岩等天层.、刮碴板的效用是将滚刀破碎的岩碴，即时排出，预防滚刀对于岩碴的二次破碎，呵护滚刀.前刮碴板主要铲拆刀盘前圆的降碴，铲拆量大，磨益较快，后刮碴板主要铲拆下护盾促成中从隧讲底部聚集起去的碴石，铲拆量小，磨益较小.3 、刀具摆设办法刀具的安插办法需要充分思量工程天量情况，举止针对于性安排，分歧的工程天量特性，采与分歧的刀具摆设规划，以赢得良佳的切削效验战掘进速度.根据天量条件特性，不妨大概分为四种天层：硬强土天层；砂层、砂卵石天层；风化岩及硬硬不均天层；简单的杂硬岩天层.3.1、硬强土天层如北京、上海、杭州等天，其天量条件主要以淤泥、粘土战粉量粘土为主，正在硬强土天层普遍只需摆设切削型刀具，如：切刀、周边刮刀、核心刀、先止刀战超掘刀.以北京天铁盾构为例，刀盘采与里板式结构，拆有1把鱼尾形核心刀，120把切刀，16把周边刮刀及1把仿形刀.切刀拆置正在启心槽的二侧，覆盖了所有进碴心的少度.刮刀拆置正在刀盘边沿.由于刀盘需要正反转化，果此切刀的安插也正在正反目标安插，为了普及切刀的稳当性，正在每个轨迹上起码安插2把.正在周边处事量相对于较大，磨益后对于盾构切心环尺寸效用较大，正在正反目标各安插了8把刮刀.思量到刀盘的受力匀称性，刀具安插具备对于称性.刀具拆置采与螺栓牢固，便于调换.正在切刀或者刮刀的刃心战刃心反里镶嵌有合金战耐磨资料，以延少刀具的使用寿命，切刀的破岩本领为20MPa，不妨成功天通过出进洞端头的加固天层.3.2 、砂层、砂卵石天层如北京、成皆其天量条件主要以砂，卵石天层为主，如逢到粒径较大的砾石或者漂石，应摆设滚刀举止破碎.正在砂层、砂卵石天层动工时，需树立（宽幅）切刀、周边刮刀、先止刀（沉型撕裂刀）、核心刀、仿形刀等刀具.4 、刀具摆设的好别性正在复合天层动工中，刀具摆设的好别性主要表示正在滚刀战先止刀的摆设数量战刀具的下度、拉拢下度好等圆里.比圆，海瑞克公司刀盘滚刀战牢固先止刀超过头板175mm 战140mm，三菱公司刀盘滚刀战牢固先止刀超过头板90mm 战70mm.二种刀具的下好为35mm战20mm，前者的安排较佳，简直表示为刀具下对于预防泥饼的产死有利，下度好大有好处破岩.滚刀的刀间距过大战过小皆不利于破岩，间距过大，滚刀间会出现“岩脊”局里，间距过小，滚刀间会出现小碎块局里，降矮破岩成果.正在复合天层中周边滚刀的间距普遍小于90mm，正里滚刀的间距为100～120mm（参照海内中动工真例，岩石强度下时，滚刀的间距应统制正在70～90mm的范畴内比较合理）.5、复合天层中刀具摆设的“冲突”局里硬岩天层只需滚刀，但是偶尔必须拆置切刀（或者刮碴板），切刀正在破硬岩历程中险些不效用，由于贯进度战下度好的本果，爆收瞬间冲打荷载，切刀被磨仄或者被崩断.正在复合天层中，有些砂、卵石天层或者共一断里中有硬岩战硬岩，所以刀盘必须配备切刀战先止刀以对于应非硬岩的需要.共理，正在硬岩战硬土天情况下，本不需拆置滚刀，但是正在由于大概存留部分硬岩，又必须拆置滚刀，引导滚刀宽沉益坏，得去破岩功能.6 、砂卵石天层中（更加含大直径漂石）少距离隧讲掘进的工况下，刀具摆设新的安排观念战思路北京天铁9号线06标段，盾构单线隧讲少度约为1238m，天层主要为卵石层、圆砾层、强风化～中风化砾岩层、强风化粘土岩，局部为粉量粘土层战细砂层.启掘里围岩不宁静，粘土岩战强风化砾岩的单轴抗压强度为0.3～2.0Mpa，为极硬岩.详勘报告中推测大于400mm粒径卵石含量为15%～40%，隧讲附近基坑内有1500×2000mm漂石，不排除有粒径更大的漂石存留，且随机分集.随机与样卵石战砾石的单轴抗压强度为120～187 Mpa，石英战少石含量为70%～95%.盾构厂家针对于本标段的天层正在刀具摆设圆里提出了新的安排观念战思路.为了使刀具不妨充集收挥效用，盾构机安排使用了3130 mm大直径轴启，配备了1200kw的启动能源，使刀盘的托困扭矩为774t.m，转速可达0～3.2rpm，共时正在刀盘里板战周边焊接碳化铬超硬耐磨板战耐磨网.刀具安插圆里（收端预案），启心槽稀排宽幅切刀100把（戴耐磨合金头）、里板上配备大横断里下耐磨单层碳化钨沉型撕裂刀（先止刀）31把、刀盘中周战边沿位子配备单刃(17”)滚刀10把，核心锥形刀1把.滚刀战沉型撕裂刀采与刀盘后拆式，可通过刀盘内的转接箱便当天举止拆置、互换.刀具的破岩本理，利用刀盘下速转速爆收的冲打惯本能量，通过滚刀战大横断里沉型撕裂刀举止卵石、砾石战漂石的刀盘前“锤打”破碎.但是由于是正在硬岩天层中掘进，卵石、砾石战漂石正在基岩内不克不迭被牢固，不克不迭提供给滚刀脚够的转能源矩战滚刀切岩的收撑力，引导滚刀破岩做废.7 、刀具摆设安排时应试虑的果素7.1、本量动工时会逢到百般搀杂天层，天量资料提供的不过部分的钻探资料，不克不迭真足准确反映本量天量情况，果此正在举止刀具摆设安排时必须思量对于天量举止充分的分解战钻研，刀具摆设要有一定的富余战本领储备；7.2、分歧的工程天量需摆设分歧的刀具，硬土天层只需摆设切削型刀具；砂卵石天层除摆设切刀中，还需摆设先止刀；风化岩及硬硬不均天层除摆设切削型刀具中，还需摆设先止刀、滚刀；正在复合天层中，要包管分歧种类刀具相互可换性；7.3 、刀具摆设要覆盖所有启掘断里，为包管刀盘受力均衡，运止稳固，刀具要对于称性安插；切刀要正反目标安插，共时要保证每个轨迹有2把切刀；对于切刀排列办法举止采用，真足连绝排列或者牙型接错排列；通过周边刀包管启掘直径；包管滚刀杂滑动，要思量周边滚刀的拆置角度，共时减少周边滚刀的数量；7.4 、刀具拆置通过螺栓牢固或者安排转接箱，便于拆置、拆拆、调换战建理便当；7.5、通过合理采用耐磨资料战合金镶嵌技能；对于刀盘战启心槽举止耐磨处理；对于加泥、加泡沫系统举止合理安排，缩小刀具掘进磨益战冲打，普及刀具的耐暂性，延少刀具的使用寿命；7.6 、符合皆会繁华天区动工的需要，概括合理采用刀具种类战尺寸，决定刀具的超前量、相互下好，尽大概缩小刀盘转化刀具切削土体历程对于周边土体及环境的扰动，尽管使百般刀具磨益匀称，充集收挥百般刀具的切削本能；7.7 、配备刀具磨益监测战报警拆置，如液压式、电磁式、超声波探测式.8、中断语刀具摆设闭系到盾构是可成功掘进，必须根据天量情景宽肃钻研分解.正在盾构动工中合理的采用掘进参数（如总推力如总推力、刀具贯进度、刀盘转速、扭矩等），最大程度的延少刀具的使用寿命，缩小换刀频次，降矮动工中一再换刀的危害，搞佳对于刀具监控、分解、比较、摸索，归纳刀具的使用体味，将截止反馈，指挥动工.。

土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法分析土压平衡盾构机刀盘刀具在工程施工中被广泛应用。

在应用的过程中，会出现一定的磨损，不利于施工的顺利开展。

介于此，本文从刀具磨损、刀具的空间布置，以及主切削刀的曲线布置等方面出发，首次分析了盾构刀盘的特点，在此基础上对其具体的布置方法进行探讨和研究。

标签：土压平衡；盾构刀盘；刀具布置0 引言当前，我国工程建设的速度不断加快，盾构机在机械挖掘方面起着重要的作用，该机械主要被应用于隧道开挖、地下铁轨建设中。

其中，盾构机的主要部件由刀盘、刀具组成。

这些部件在使用的过程中，容易发生磨损，影响了工程的进度。

所以，本文主要对刀盘刀具的特性，以及布置办法进行探讨，从而减少刀盘的受力平衡，从而降低消耗的功率，最终减少磨损的程度。

1 盾构刀盘概述盾构刀盘最早由英国人创建，到现在已经有几百年的历史。

该机械在运营中，主要利用盾构作为含糊，从而进行地下、水底工程的开挖、掘进。

使用该机具有多方面的优势。

主要包括这几个方面：第一，在地下、水底工作时，不会对正常的交通产生影响。

第二，在盾构施工中，不受气候、温度、地质、噪音等外界因素的影响。

基于以上优点，盾构机的使用范围不断扩大，现在已经广泛应用到隧道、地下水管、地铁等工程建设当中，而且施工质量非常好。

盾构机的主要部件为刀盘，处于整个机械的最前端，它以旋转方式作业，对土体的截面进行切割，同时利用螺栓的输送功能，将掘进中产生的土渣排出去。

由于工程环境的复杂性，刀具在掘进的过程中，很可能由于受力过大，产生严重的磨损，因此必须保证刀盘的质量符合实际要求，以保证盾构机的正常使用。

2 盾构机刀盘刀具开口的特点（1）滚刀破岩。

当滚刀压到岩石的下面后，岩石在受力的情况下，会不断产生坚硬的密实核状物。

同时，随着力度的加大，在核状物的周围就会出现很多裂纹。

另外，当滚刀持续发挥作用时，裂缝与岩石不断的接触、交会。

其中，侧向裂缝与相邻裂缝或者自由面在交会的过程中，就会使岩石发生破碎。

浅谈盾构机刀具的种类及其配置方式作者：李健敏来源：《中国新技术新产品》2015年第17期摘要：在盾构法隧道穿越过程中，盾构机的刀具是盾构开挖的主要工具，且刀具的好坏决定了整个掘进过程。

所以选择正确的刀具，并在刀盘上对其进行合理布置是至关重要的。

本文着重介绍了刀具的种类及其配置方式。

关键词：盾构机；刀具；刀具配置中图分类号：U455 文献标识码：A一、刀具种类刀具是盾构机重要的部件，其直接影响着盾构施工进度。

所以必须根据工程地段岩石的不同强度和地质特点以及刀具在不同岩石中表现出的破岩机理来对刀具进行设计和选择。

为了适应从软土到硬岩不同地层的开挖，目前设计出多种刀具与之适应。

盾构机刀具类型分为两大类：滚刀和切削刀。

而切削刀的种类繁多，包括：切刀、齿刀、边刮刀、先行刀、仿形刀、鱼尾刀。

其中，滚刀和齿刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型，两种刀具可以互换。

1 滚刀。

滚刀用于掘进纯岩地层；伴有大粒径的砾石（粒径大于400mm）并且含量达到一定比例的松散地层；岩石（强度不是太高）与一般土体（松土或砂土）交错频繁出现的复杂地层。

采用滚刀破岩时，其破岩原理是：刀盘旋转带动刀具扫过开挖面，此时滚刀挤压周边的岩石，使其表面形成裂纹继而与开挖面脱落，使得岩石成功破碎。

滚刀按刀具形状的不同分为：盘形滚刀和齿形滚刀；而根据安装位置不同分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀；按照刀圈的数量分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀。

在风化的砂岩和泥岩等软岩地层时，一般采用双刃滚刀；在较硬岩中采用单刃滚刀。

2 切刀。

切刀是盾构机切削开挖面上体的主刀具。

切刀用于开挖非岩质或软土地层；粒径小于400mm的砂、卵石、粘土等松散体地层。

切刀在切削和剥离土体时，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，使得切刀的刀刃和刀头插入到地层内部，从而不断将土体切削下来。

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。

盾构刀盘原理及刀具布置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，本文结合本标段盾构刀盘形式及刀具布置，浅谈对盾构刀盘的认识。

1、引言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。

2、盾构刀盘的主要功能开挖功能：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；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。

3、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：3.1滚刀工作原理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。

随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，当刀具压力超过岩石的剪切和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片崩落，完成盘形滚刀的破岩过程，如图1。

浅谈土压平衡盾构机刀具的布置策略盾构机刀盘主要是利用主轴承内的旋转来实现转动的，在盾构机正常掘进施工时，主轴承会承受径向力、轴向力和振动冲击力。

受地质因素的影响，振动冲击力和轴向力会不稳定。

所以刀具合理的布置可以防止切削面倾斜，使主轴承保持平衡，防止因为振动过大产生冲击力，避免内部结构或主轴承偏心因结构受力不均匀而产生磨损、变形故障，可以有效避免因为过于严重的破坏而导致盾构机出现瘫痪。

1 盾构刀盘的特点英国是最早出现盾构刀盘的国家，至今已经有几百年的历史。

盾构刀盘在进行运作过程中，主要借助盾构，对地下工程和水底工程来进行开发和挖掘。

使用盾构刀盘在进行工作时，具有以下两个方面的优势特点：第一，在进行地下工程和水底工程工作时，不会对日常的交通工作产生负面的影响；第二，在进行盾构工作时，其不会受到外界自然因素的影响。

也正是由于盾构刀盘所具有的优势特点，使得盾构机的应用范围不断地进行扩大，目前已经逐渐应用在隧道工程、地下水管工程和地铁等工程的建设中，并且取得了很好的施工质量，提高了经济效益。

盾构机在运作过程中，主要的部件为刀盘，其处于整个设备的前沿，采用旋转的方式来进行工作，对土层进行不断切割，并且借助螺栓的传送功能将产生的土渣排到外部去。

由于施工的工程比较复杂，刀具在进行工作时，有可能由于受力过大使得设备产生巨大的磨损，因此，在实际的施工过程中，需要确保刀盘的质量符合现场施工的需求，这样才能确保盾构机可以正常的进行工作。

盾构机刀盘刀具进行开口具有以下两个方面的特点：1.1 滚刀破岩将滚刀放置在岩石的下面之后，岩石会受到滚刀施加的外力，从而产生核状物。

与此同时，随着滚刀对岩石施加的外力不断增加时，在核状物的周围会出现大量的细纹和裂纹。

此外，滚刀不断向岩石施加外力时，岩石会和裂缝进行频繁的接触。

其中，当侧向裂缝和相邻裂缝进行接触和碰撞时，岩石就会破碎。

当滚刀施加给岩石的外力增加到一定数值后，岩石就会自动从山体中剥落。

滚刀布置及轨迹分布1刀盘滚刀介绍经过改造后的刀盘安装了双刃滚刀和单刃滚刀，其中中心刀为5组双联滚刀，双刃滚刀共计34把，单刃滚刀8把。

滚刀刀刃：中心刀10刃，10条轨迹线，双刃滚刀68刃，63条轨迹线，其中28-31号滚刀之间各有一刃重合，所以轨迹线有63条，边滚刀为单刃滚刀，共8刃，轨迹线7条，其中38和39号刀轨迹线重合。

所有滚刀刃间距在80mm左右。

2两次检查刀具情况介绍2.1第一个加固点刀具磨损情况在盾构掘进至预定停机检查点DK6+630处后，共计掘进88.2米，进仓检查，发现部分滚刀有不同程度的磨损，决定更换这些磨损的刀具，所以先后组织了35仓的带压更换刀具，共计更换滚刀16把，其中双刃滚刀15把，单刃1把。

其他刀具没有更换。

通过第一次更换刀具，我们发现双刃滚刀的磨损大于单刃滚刀的磨损。

2.2 7月27日检查刀具情况7月27日，在距离第二个预定检查点23米的位置，组织了刀具检查，此次检查的目的在于检查刀具的磨损情况，共计2仓，检查发现，滚刀出现磨损现象较大。

在盾构掘进至第二个加固后，要对磨损刀具进行更换。

2.3磨损情况统计第一个加固点滚刀磨损情况统计表：7月27日检查表，附件。

3滚刀布置调整目前地质情况仍然是以砂卵石为主，其胶结强度低于前67米，根据两次检查刀具情况，双刃滚刀磨损大于单刃滚刀，那么可将部分双刃滚刀更换为单刃滚刀，但是这样刀间距将变大。

其中中心刀形式不变，其轨迹不变， 0-10号刀在两次检查过程中，均未出现严重磨损现象，仍然采用以前的双刃滚刀。

11-27号刀，共计17把，两次开仓检查，均出现严重磨损现象，将11、13、15、17、19、21、23、25、27更换为单刃正滚刀，共计9把，刀刃由原来的34刃减少为25刃。

刃间距由原来的80mm，变成120、80、120,120,80,120,120,80…28-31号刀共计6把，7刃。

位于刀盘外圆，在第一个加固点时这些位置的刀具磨损情况并不严重，掘进至第二个加固点掘进220米，刀具出现磨损严重现象，需要更换，这28，28A，29，29A，4把刀具仍然采用双刃滚刀。

论土压平衡盾构机刀盘开口特性及布置方法1 盾构刀盘英国工程师Marc Isambard Brunel 早在1818 年从食船虫打洞过程中得到了启发，研究盾构工法并获取了专利，至今盾构已经发展了将近200 年。

盾构工法是在盾构的掩护下进行开挖和衬砌，是一种比较安全的掘进方式，而且地下施工不会受到地面交通的影响，能够在河底施工而不影响河道通航，气候和地质条件对盾构施工的影响也很小，是一种振动、噪声等环境污染较小的施工方式，现今已经发展为隧道工程、地铁工程、公路、地下管线和水下管线等基础设施建设最主要的施工方法。

盾构刀盘是盾构机械中最重要的部位，位于盾构机最前端，在刀盘旋转过程中，刀盘上布置的刀具能够对掘进截面上土体进行切削，以此实现掘进开挖，开挖产生的渣土能够通过刀盘上的开口送入土仓，盾构施工过程是在支撑下进行，能够稳定掘进截面，而且通过土仓内渣土和膨胀土、泥浆、泡沫剂等充分混合，最后通过螺旋输送机将渣土排出。

最初的盾构开挖施工机械上并没有盾构刀盘，而是在工程实际中经历了盲目选择和逐渐发展优化的过程，在1896 年，工程师普莱斯设计研发了轮辐式刀盘盾构，通过4 条辐条型手臂组成切削刀盘，在手臂上固定切削和刮削刀，逐渐产生了刀具选择和配置的观念。

工程实际中，盾构在掘进中会遇到各种复杂地质情况，岩土物理力学性能随机性很大，盾构刀盘可能会承受几十倍上百倍的载荷突变，所以刀盘必须要具有优良的地质适应性才能够保证相当的寿命，需要通过刀盘刀具的合理配置优化刀具的受力特性，减少刀具损坏和磨损。

2 开口特性2. 1 滚刀破岩1）滚刀机理。

滚刀压入岩石之后，滚刀和岩石接触位置会出现岩石在受压塑形变形作用下产生的坚硬的密实核，积聚了大量变形能，在密实核附近会出现大量裂纹。

在滚刀压力作用下，裂缝不断扩展交会，侧向裂缝与自由面或者相邻裂缝交会会造成岩石破碎。

滚刀破岩过程承受的载荷有着明显的跃进性，压入阶段载荷不断增加，达到临界值，岩石开始破碎剥落，载荷得到迅速释放，滚刀继续前进，载荷再次上升，如此循环。