盾構(gòu)機(jī)刀具的使用磨損課件

盾構(gòu)機(jī)刀具的使用磨損1）污水干管一般沿道路布設(shè)，簡潔順直，盡可能在管線較短、埋深較淺情況下，讓最大區(qū)域內(nèi)的污水自流排出，降低工程造價，減少運(yùn)行成本。盾構(gòu)機(jī)刀具的使用磨損盾構(gòu)機(jī)刀具的使用磨損1）污水干管一般沿道路布設(shè)，簡潔順直，盡可能在管線較短、埋深較淺情況下，讓最大區(qū)域內(nèi)的污水自流排出，降低工程造價，減少運(yùn)行成本。目錄一、盾構(gòu)刀具二、盾構(gòu)開挖面的變形與破壞分析2盾構(gòu)機(jī)刀具的使用磨損1）污水干管一般沿道路布設(shè)，簡潔順直，盡盾構(gòu)機(jī)刀具的使用磨損課件一、盾構(gòu)刀具對于盾構(gòu)機(jī)來說,掘削系統(tǒng)即是掘削刀盤及其驅(qū)動系統(tǒng)。掘削系統(tǒng)對于盾構(gòu)機(jī)的施工效果有著決定性的影響,而且選擇的差異對盾構(gòu)機(jī)造價也有著很大的影響,刀盤選型可以影響到總造價的4％～8％,尤其掘削設(shè)備的裝備扭矩是盾構(gòu)機(jī)最基本的參數(shù)之一。盾構(gòu)機(jī)掘削刀盤即作轉(zhuǎn)動或搖動的盤狀掘削器，由掘削地層的刀具，穩(wěn)定掘削面的面板，出土槽口，轉(zhuǎn)動或搖動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，軸承機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。

1綜述某刀盤實(shí)物照片

3一、盾構(gòu)刀具對于盾構(gòu)機(jī)來說,掘削系統(tǒng)即是掘削刀盤及其驅(qū)動系統(tǒng)攪拌棒某刀盤主驅(qū)動主軸承刀盤驅(qū)動系統(tǒng)示意圖刀盤攪拌結(jié)構(gòu)4攪拌棒某主刀刀4關(guān)于盾構(gòu)機(jī)的刀盤、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等將在后邊介紹，因此這里主要介紹盾構(gòu)機(jī)掘削地層的刀具。刀具布置和刀具形狀在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計中是非常重要的內(nèi)容。刀具布置方式及刀具形狀是否適合應(yīng)用工程的地質(zhì)條件,直接影響到盾構(gòu)機(jī)的切削效果、出土狀況和掘進(jìn)速度。5關(guān)于盾構(gòu)機(jī)的刀盤、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等將在后邊介紹，因此這里主要介紹盾盾構(gòu)機(jī)刀具可根據(jù)運(yùn)動方式、布置位置和方式及形狀等進(jìn)行分類。按切削原理劃分，盾構(gòu)機(jī)的刀具一般分為切削刀和滾刀兩種，其余形式的刀具為輔助刀具。切削刀又分為齒刀、刮刀和先行刀等。

2盾構(gòu)刀具的分類按運(yùn)動方式分類按安裝方式分類6盾構(gòu)機(jī)刀具可根據(jù)運(yùn)動方式、布置位置和方式及形狀等進(jìn)行分類。按

按安裝位置分類

1-8號中心齒刀7按安裝位置分類1-8號中心齒刀7種類名稱用途設(shè)置部位固定刀具掘削掘削面面板正面旋轉(zhuǎn)刀具掘削掘削面面板正面超前刀具超前掘削面板正面導(dǎo)向鉆頭破碎地層面板正面外沿保護(hù)刀具保護(hù)刀盤外沿面板正面外沿修邊刀具減小推進(jìn)阻力面板外沿背面保護(hù)刀具保護(hù)背面面板面板背面加泥嘴保護(hù)刀具保護(hù)加泥嘴加泥嘴部位掘削障礙物刀具掘削障礙物面板正面外圍刀具按掘削目的、設(shè)置位置和用途的分類8種類名稱用途設(shè)置部位固定刀具掘削掘削面面板正面旋

滾刀的示意圖和實(shí)物照片b)盤形滾刀圈c)盤形滾刀a)盤形滾刀示意圖9滾刀的示意圖和實(shí)物照片b)盤形滾刀圈

切削刀的實(shí)物照片a)周邊刮刀b)周邊刮刀(背面)c)周邊刀安裝位置

d)齒刀方柄齒刀f)齒刀g)中心齒刀10切削刀的實(shí)物照片a)周邊刮刀

切削刀的實(shí)物照片

h)先行刀i)先行刀j)先行刀

k)牛角刀l)羊角刀m）三棱刮刀11切削刀的實(shí)物照片

11

注：等級A、B、C、D，從左至右，質(zhì)量依次提高；脫氧方法F表示沸騰鋼，Z表示鎮(zhèn)靜鋼，b表示半鎮(zhèn)靜鋼，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼；Q235-A，Q235-B沸騰鋼含錳量上限為0.60%。3刀具的材料

海瑞克周邊刀的刀體是德國產(chǎn)鋼號為St52-3的鋼材，其性能相當(dāng)于國產(chǎn)的低碳鋼Q235，Q235鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見下表。由表可知，該材料的韌性較好但硬度較低。Q235鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能等級化學(xué)成分脫氧方法抗拉強(qiáng)度δb/MPa伸長率δz(%)硬度(HB)CMnSi(≦)S(≦)P(≦)A0.14-0.220.30-0.650.0350.0500.045F,b，Z375-40021-26180-220B0.12-0.200.30-0.650.045C0.180.30-0.650.0400.040ZD0.170.035TZ12注：等級A、B、C、D，從左至右，質(zhì)量依次提高；脫氧方法F

海瑞克周邊刀的刃口主要承受高應(yīng)力的磨粒磨損，周邊刀迎土面釬焊有球齒，球齒材料為硬質(zhì)合金，主要用于承受砂礫、卵石的磨粒磨損與沖擊。種類特性值化學(xué)成份（%）用途硬度(HRA)抗彎強(qiáng)度(MPa)WC0CE1>90>120087～904～85～6E2>89>140085～895～105～6E3>88>160083～877～125～6盾構(gòu)刀具E4>87>170082～868～135～6盾構(gòu)刀具E5>86>200078～859～175～6砂層刀具超硬鋼的種類及特性

13海瑞克周邊刀的刃口主要承受高應(yīng)力的磨粒磨損，周邊刀

海瑞克齒刀由刀體、端部硬質(zhì)合金刀片和背部球齒構(gòu)成。14海瑞克齒刀由刀體、端部硬質(zhì)合金刀片和背部球齒構(gòu)成。

海瑞克刮刀是用硬質(zhì)合金鋼做為刀頭，高耐磨合金鋼作為刀體。15海瑞克刮刀是用硬質(zhì)合金鋼做為刀頭，高耐磨合金鋼作為其它進(jìn)口盾構(gòu)刀具在材料方面由兩至三種構(gòu)成，即基體材料、硬質(zhì)合金材料、刀具刃口堆焊材料等復(fù)合制成。下表為一種用于盾構(gòu)機(jī)刀具刃口的鐵基堆焊材料的化學(xué)成分和性能。

一種鐵基刀具刃口堆焊材料的化學(xué)成分和性能化學(xué)成分硬度（HRC）CCrNiSiMnMoFe0.1-0.35-101-3<10.5-2<0.5余量50-55鑲鑄堆焊16其它進(jìn)口盾構(gòu)刀具在材料方面由兩至三種構(gòu)成，即基體材料、硬質(zhì)合對于不同地層的開挖，盾構(gòu)的刀具通常采用不同型式：開挖地層為硬巖時，采用盤形滾刀；地層為較軟巖石時，采用齒刀；地層為軟土或破碎軟巖時，可采用切刀(或刮刀)。4刀具的選擇卵石層(N>40)砂礫卵石(10<N<40)洪積土(砂質(zhì)土)(10<N<25)沖擊粘土(0<N<10)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)17對于不同地層的開挖，盾構(gòu)的刀具通常采用不同型式：開挖地層為硬5刀具的作用及切削機(jī)理(1)切削刀切削刀是盾構(gòu)機(jī)切削開挖面土體的主刀具，切削刀一般形狀如左下圖所示。一般情況下，β(前角)與α(后角)值隨切削地層特性不同變化，取值范圍在5～20度之間，粘土地層稍大，砂卵石地層稍小。

切削刀一般形狀示意圖

三棱刮刀

185刀具的作用及切削機(jī)理(1)切削刀切削刀一般形狀示意圖

切削刀為盾構(gòu)機(jī)開挖非巖質(zhì)地層的基本刀具，其形狀、布局將對開挖效果有重要影響。切削刀切削土體的示意見下圖。對于軟土地層或經(jīng)滾刀破碎后的碴土將通過切刀和刮刀進(jìn)行開挖。碴土隨切刀、刮刀正面進(jìn)入碴槽，因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有裝載的功能。

切削刀切削土體示意圖

19切削刀為盾構(gòu)機(jī)開挖非巖質(zhì)地層的基本刀具，其形顧名思義，超前刀即為先行切削土體的刀具。超前刀在設(shè)計中主要考慮與切削刀組合協(xié)同工作。刀具切削土體時，超前刀在切削刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切削刀創(chuàng)造良好的切削條件。據(jù)其作用與目的，超前刀斷面一般比切削刀斷面小。采用超前刀，一般可顯著增加切削土體的流動性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，減少切削刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層使用效果十分明顯。

超前刀刀具形狀及與切削刀協(xié)同切削土體的示意圖見左下圖。

(2)超前刀(也稱先行刀)超前刀20顧名思義，超前刀即為先行切削土體的刀具。超前刀在

2121

盤圈貝型刀實(shí)質(zhì)上是超前刀，盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時，若采用滾刀型刀具，因土體屬松散體，在滾刀掘進(jìn)擠壓下會產(chǎn)生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時甚至喪失切削破碎能力。采用盤圈貝型刀，將其布置在刀盤盤圈前端面，專用于切削砂卵石，可較好地解決盾構(gòu)機(jī)切削土體(砂卵石)的難題。

(3)盤圈貝型刀盤圈貝型刀實(shí)物照片盤圈貝型刀示意圖22盤圈貝型刀實(shí)質(zhì)上是超前刀，盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層，

采用大刀盤全斷面切削土體，布置在刀盤不同位置的切削刀，從刀盤外周至中心，運(yùn)動圓周逐漸減小，中心點(diǎn)理論上可以視為零，相應(yīng)土體流動狀態(tài)也是越來越差。而且中心支撐部位(直徑約1.5m)不能布置切削刀，為改善中心部位土體的切削和攪拌效果，可考慮在中心部位設(shè)計一把尺寸較大的魚尾刀。

(4)魚尾刀魚尾刀示意圖

23采用大刀盤全斷面切削土體，布置在刀盤不同位置的切削刀，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，魚尾刀的設(shè)計和布置可應(yīng)用兩個技巧：其一讓盾構(gòu)機(jī)分兩步切削土體，利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面(直徑約1.5m)土體，而后擴(kuò)大到全斷面切削土體，即將魚尾刀設(shè)計與其他切削刀不在一個平面上，一般魚尾刀超前600mm左右，保證魚尾刀最先切削土體；其二是將魚尾刀根部設(shè)計成錐形，使刀盤旋轉(zhuǎn)時隨魚尾刀切削下來的土體，在切向、徑向運(yùn)動的基礎(chǔ)上，又增加一項(xiàng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(如同犁地一般)：這樣既可解決中心部分土體的切削問題和改善切削土體的流動性，又大大提高盾構(gòu)機(jī)整體掘進(jìn)水平。魚尾刀切削土體示意圖

24根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，魚尾刀的設(shè)計和布置可應(yīng)用兩個技巧：其一讓盾構(gòu)機(jī)分兩(5)仿形刀

盾構(gòu)機(jī)一般設(shè)計兩把仿形刀(一把備用)，布置在輻條的兩端。施工時，可以根據(jù)超挖多少和超挖范圍的要求，從輻條兩端徑向伸出和縮回仿形刀，達(dá)到仿形切削的目的。仿形刀伸出最大值一般在80～130mm之間。盾構(gòu)機(jī)在曲線段推進(jìn)、轉(zhuǎn)彎或糾偏時，通過仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構(gòu)機(jī)在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下，實(shí)現(xiàn)曲線推進(jìn)和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏。25(5)仿形刀

盾構(gòu)機(jī)一般設(shè)計兩把仿形刀(一把備用

根據(jù)廣州及深圳地鐵建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，隨著城市軌道路網(wǎng)的延伸及建設(shè)力度的加大，盾構(gòu)區(qū)間不僅需穿越常見的軟弱地層，同時還需在部分硬巖地段中通過。因此在刀具選擇上既要考慮在軟巖中開挖的需要，也要考慮在硬巖中的要求。一般認(rèn)為刮刀適用于土層及部分軟巖，盤形滾刀適用于硬巖，其中單刃滾刀能用在強(qiáng)度很高的巖石中，國外曾有在抗壓強(qiáng)度超過200MPa巖石中應(yīng)用的工程記錄。

(6)滾刀盤形滾刀圈盤形滾刀26(6)滾刀盤形滾刀圈安裝在刀盤上的盤形滾刀在千斤頂?shù)淖饔孟戮o壓在巖面上，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，盤形滾刀一方面繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，同時繞自身軸線自轉(zhuǎn)。滾刀在刀盤的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圓溝槽。當(dāng)推力超過巖石的強(qiáng)度時，盤形滾刀刀尖下的巖石直接破碎，刀尖貫入巖石，形成壓碎區(qū)和放射狀裂紋;進(jìn)一步加壓，當(dāng)滾刀間距S滿足一定條件時，相鄰滾刀間巖石內(nèi)裂紋延伸并相互貫通，形成巖石碎片而崩落，盤形滾刀完成一次破巖過程。27安裝在刀盤上的盤形滾刀在千斤頂?shù)淖饔孟戮o壓在巖面上，隨著刀盤硬巖滾刀破巖主要分為以下幾個步驟：

1)擠壓階段：滾刀在高推力作用下，切入巖石表面(切入深度1～10/15mm，取決于巖體強(qiáng)度)，同時巖面產(chǎn)生局部變形及很高的接觸應(yīng)力。并在此應(yīng)力作用下，刀刃與巖石接觸部分的巖體產(chǎn)生粉碎區(qū)，即應(yīng)力核心區(qū)。此核心區(qū)深度越深、范圍越大對提高破巖效率越明顯。28硬巖滾刀破巖主要分為以下幾個步驟：1)擠壓階段：滾刀在高2)起裂階段：沿粉碎區(qū)周邊應(yīng)力大于巖體的抗拉強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度時，便產(chǎn)生張拉裂縫。該裂縫是滾刀能否破巖的先訣條件。在應(yīng)力核心區(qū)下層是應(yīng)力過渡區(qū)，該區(qū)為應(yīng)力衰減區(qū)，對巖體裂縫的產(chǎn)生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂縫，由于其方向與破巖方向一致，因此也不能顯著地提高破巖效率，但能加大下個循環(huán)中壓入階段應(yīng)力范圍。29293)破碎階段：當(dāng)相鄰滾刀的間距使起裂階段產(chǎn)生的裂縫相互連通時，表面部分巖體便被裂縫分割，形成碎片并脫離開挖面。303)破碎階段：當(dāng)相鄰滾刀的間距使起裂階段產(chǎn)生的裂縫相互連通時

1)巖石硬度：

在刀具擠壓階段，必須保證刀具硬度要高于巖石硬度，才能切入巖石表面，形成必要深度的應(yīng)力核心區(qū)。

2)抗壓強(qiáng)度：刀具切入巖石表面后，當(dāng)應(yīng)力大于巖石抗壓強(qiáng)度(單向應(yīng)力條件)或抗壓強(qiáng)度與地層主應(yīng)力組合值(三向應(yīng)力條件)時才能形成粉碎區(qū)，以保證裂縫產(chǎn)生位置具有一定深度。

3)抗拉強(qiáng)度：是裂縫形成的力學(xué)原因。影響裂縫能否形成的直接因素有：

31

1)巖石硬度：在刀具擠壓階段，必須保證刀具硬度要高于巖根據(jù)以往工程實(shí)踐及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，影響破巖效率的因素有：

1)脆性/塑性:是對抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的綜合評價，適用于抗壓強(qiáng)度較大(小)，而抗拉強(qiáng)度較小(大)巖石。有關(guān)文獻(xiàn)資料顯示在同樣條件下，脆性巖體在擠壓階段所需時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于塑性巖體(約八分之一)。

2)耐磨性:本指標(biāo)直接關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率，是承包商進(jìn)行刀具壽命及備品估算、工期籌劃的主要依據(jù)。根據(jù)國外資料統(tǒng)計在耐磨性小的巖石中，更換刀具時間占總停工時間的3%，而在高耐磨性巖石中有20%之多；以每掘進(jìn)1米時間計算，耐磨性小的巖石為0.02~0.05hr/m，而高耐磨性巖石則可高達(dá)0.2hr/m。影響破巖效率的因素：32根據(jù)以往工程實(shí)踐及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，影響破巖效率的因(7)齒刀

在巖石較軟的情況下掘進(jìn)時，由于盤形滾刀與巖石掌子面之間不能產(chǎn)生一定的附著力，將導(dǎo)致滾刀不能滾動而產(chǎn)生弦磨，滾刀不能滾動將失去有效的破巖功能。因此，在較軟的巖層中應(yīng)將部分盤形滾刀更換成齒刀，利用齒刀進(jìn)行破巖。由于齒刀上裝有2個切削刃，因此刀盤正反轉(zhuǎn)時齒刀都能進(jìn)行破巖。齒刀破巖機(jī)理圖33(7)齒刀

在巖石較軟的情況下掘進(jìn)時，由于盤形滾刀與巖刀具布置有兩種方式：第一種為刀具整體連續(xù)排列方式，因其切削阻力較大，盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)土體流動性差，現(xiàn)已很少使用，僅偶爾在切削阻力小的淤泥質(zhì)地層中采用；第二種為刀具牙型交錯連續(xù)排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封艙內(nèi)土體流動性好和易攪拌而被廣泛使用。目前世界上基本均采用牙型交錯連續(xù)排列方式。刀具選擇與布置：盾構(gòu)開挖性能主要通過刀具的選擇和布置來保證。根據(jù)不同地質(zhì)情況選用不同類型的刀具及刀具組合，實(shí)現(xiàn)刀具配置的靈便性，提高刀盤的開挖效率。目前盾構(gòu)機(jī)上常用的主要刀具有切刀、刮刀、齒刀、雙刃滾刀、單刃滾刀、擴(kuò)孔刀等。6刀具布置與配置34刀具布置有兩種方式：6刀具布置與配置34刀具的示意圖和實(shí)物照片滾刀

小

松

盾

構(gòu)

刀

盤

海

瑞

克

盾

構(gòu)

刀

盤

齒刀

刮刀

35刀具的示意圖和實(shí)物照片滾刀

小

松

盾

構(gòu)

刀

盤

海

瑞

7某盾構(gòu)施工的刀具配置

這里介紹廣州地區(qū)某大型地下工程盾構(gòu)法開挖過程中的刀具配置。選用盾構(gòu)機(jī)為德國海瑞克公司生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，刀盤為面板式，刀盤的開口面積占刀盤總面積的28%左右。刀盤采用液壓驅(qū)動，并配備了泡沫注入系統(tǒng)、膨潤土注入系統(tǒng)和壓縮空氣系統(tǒng)，具備良好的渣土改良功能。367某盾構(gòu)施工的刀具配置這里介紹廣州地區(qū)某大型地下工程盾①軟土地層刀具配置

配置了3種軟土刀具:切刀64把、弧形刮刀32把、齒刀14把(齒刀與盤型滾刀可以互換安裝，但刀盤周邊的5把滾刀不能更換為齒刀)。

在粘土地層刀具壽命較長，在砂性地層壽命相對較短。

考慮到刀盤的受力均勻性，刀具布置具有對稱性，刀具安裝采用螺栓固定以便于更換，軟土地層刀盤結(jié)構(gòu)相對簡單。

切刀

滾刀

齒刀刮刀37①軟土地層刀具配置

配置了3種軟土刀具:切刀64把、弧

由于刀盤需要正反旋轉(zhuǎn)，因此切刀也布置在正反方向。同時，為了提高切刀的可靠性，在每個軌跡上布置了2把切刀。由于周邊工作量相對較大，磨損后對盾構(gòu)切口環(huán)尺寸影響較大，因此在刀盤周邊布置了較多的切刀和刮刀。

在切刀、刮刀刃口鑲嵌有合金耐磨材料以延長刀具的使用壽命，切刀的破巖能力為20MPa，可以順利通過加固地層的開挖。切刀伸出刀盤面板的高度可保證碴土的有效流動，防止刀盤面板與土艙間產(chǎn)生泥餅。

38由于刀盤需要正反旋轉(zhuǎn)，因此切刀也布置在正反方向。同時②上軟下硬復(fù)合地層刀具配置在區(qū)間含硬巖的復(fù)合地層，刀盤除配置切刀、刮刀、齒刀這些切削型刀具外，還配置了雙刃盤形滾刀，用于破碎硬巖，因而刀盤結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。雙刃盤形滾刀單個刀刃的允許承載能力為250KN，破巖能力相對于單刃滾刀而言較低，適應(yīng)破碎抗壓強(qiáng)度小于80Mpa的巖石。刀盤上配備了足夠數(shù)量的滾刀(19把)，以取得合適的滾刀間距(每把雙刃中心滾刀的刀間距為10Omm)，達(dá)到了較好的破巖效果。對于復(fù)合地層中的硬巖，首先通過盤形滾刀進(jìn)行破巖。雙滾刀一般允許磨損量為25mm，邊滾刀為15mm，因此滾刀的伸出高度一般比切刀要大，海瑞克盾構(gòu)設(shè)計時滾刀的伸出高度為35mm，保證滾刀在磨損情況下仍能避免切刀進(jìn)行破巖，保證切刀使用壽命。39②上軟下硬復(fù)合地層刀具配置在區(qū)間含硬巖的復(fù)合地層，刀盤

a.當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度較低，盤形滾刀破巖效果不理想時，則利用滾刀刀座安裝齒刀進(jìn)行破巖，齒刀軌跡完全與滾刀相同，齒刀刀刃是對稱的，因此刀盤正反轉(zhuǎn)時都可以很好地破碎軟巖。b.刀盤直徑應(yīng)考慮刀具磨損后開挖直徑仍能大于盾構(gòu)切口環(huán)的直徑，以保證盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整。邊滾刀的允許磨損量為15mm，因此開挖洞徑的允許變化量為3Omm。當(dāng)邊刀不采用滾刀時，盾構(gòu)開挖洞徑的允許變化量為20mm。c.在曲線半徑小的隧道掘進(jìn)時，為了利于盾構(gòu)的調(diào)向，需要有較大的開挖直徑，因此根據(jù)地質(zhì)情況的差異，可在刀盤上選擇配置擴(kuò)孔刀或滾刀型、齒刀型的仿形刀。③刀具配置的其它注意事項(xiàng)40a.當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度較低，盤形滾刀破巖效果不理想時，則利④刀具布置的防泥餅措施

盾構(gòu)機(jī)通過粘性土層時容易在刀盤中心區(qū)和土艙中心區(qū)形成泥餅。刀盤中心區(qū)的泥餅會造成刀盤能夠轉(zhuǎn)動，但是盾構(gòu)機(jī)卻不能掘進(jìn)的現(xiàn)象。土艙中心區(qū)的泥餅，則會造成刀盤轉(zhuǎn)動負(fù)荷加大，甚至停止轉(zhuǎn)動，同時導(dǎo)致艙體內(nèi)溫度急劇升高，影響主軸承密封的壽命，甚至毀壞軸承密封。為了提高碴土的流動性，防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，刀具布置采取了針對性較強(qiáng)的防泥餅措施，即確保刀具凸出刀盤的較大間距。所有正面滾刀都高出刀盤面175mm，為開挖面破除下來的碴土留出了足夠的出碴空間；齒刀高出刀盤面16Omm，刮刀高出刀盤面140mm。41④刀具布置的防泥餅措施盾構(gòu)機(jī)通過粘性土層時容易在刀盤

這樣盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進(jìn)時，能使刀盤前方切削下來的碴土有較大的流動空間，有利于刀盤前方碴土的流動。同時，由于滾刀高出刮刀35mm，齒刀高出刮刀20mm，因此，在硬巖地段掘進(jìn)時刮刀受到滾刀和齒刀的保護(hù)，正面滾刀的最大磨損量為可達(dá)50mm，切刀的最大磨損量則為20mm。42這樣盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進(jìn)時，能使刀盤前方切削下來的碴8盾構(gòu)刀具磨損機(jī)制概述

序號磨損類型磨損外觀磨損機(jī)理1粘著磨損麻點(diǎn)材料的相互作用是主要因素。粘著磨損的過程實(shí)際上是摩擦副雙方間原子鍵的形成（顯微熔接）和分離過程2磨料磨損擦傷、溝紋、條痕硬顆?；蛴餐黄鹨鹉Σ帘砻嫫茐模蛛x出屑或形成擦傷的過程3疲勞磨損裂紋、點(diǎn)蝕摩擦副材料微體積受循環(huán)接觸應(yīng)力，產(chǎn)生重復(fù)變形，導(dǎo)致裂紋和分離出微片或顆粒的過程4摩擦化學(xué)磨損反應(yīng)產(chǎn)物（膜、微粒）在摩擦作用促進(jìn)下，摩擦副的一方或雙方與中間物質(zhì)或環(huán)境介質(zhì)中的某些成分發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的過程5微動磨損磨屑的研磨由上述四種機(jī)理疊加而成。如果兩接觸固體彼此以振幅小于100μm的擺動運(yùn)動方式作相對運(yùn)動的過程，則會出現(xiàn)細(xì)小磨屑的研磨作用磨損的機(jī)理大致可分為如下表所示五種類型，438盾構(gòu)刀具磨損機(jī)制概述序磨損磨損外觀磨損機(jī)理1粘著麻點(diǎn)材

1)顯微切削：硬顆?；蛴餐蛊鹋c材料產(chǎn)生相對運(yùn)動，引起的材料損傷。當(dāng)磨粒的形狀與運(yùn)動方向合適，有利于切削時，磨粒在切向力的作用下，在料表面刮起一層薄片，形成一次切削，脫離材料表面。這種切削溝的寬度和深很小，切屑也非常小。磨料磨損的基本損傷形式441)顯微切削：硬顆粒或硬凸起與材料產(chǎn)生相對2)疲勞(微觀犁皺或微觀壓入

):

表面微觀部分受循環(huán)變應(yīng)力產(chǎn)生重復(fù)變形導(dǎo)致裂紋形成，最終使表面產(chǎn)生破損。壓入452)疲勞(微觀犁皺或微觀壓入):表面微觀部分受循環(huán)變應(yīng)3)粘著：兩接觸表面局部的粘著使材料由一表面轉(zhuǎn)移到另一表面所引起的磨損。P463)粘著：兩接觸表面局部的粘著使材料由一表P464)龜裂：材料表面受到垂直應(yīng)力的反復(fù)作用，產(chǎn)生顯微裂紋裂紋壓入474)龜裂：材料表面受到垂直應(yīng)力的反復(fù)作用，產(chǎn)生顯微裂紋裂紋壓9刀具磨損的分析9.1概述

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的刀盤根據(jù)地質(zhì)條件的不同一般分軟土和硬巖兩種刀盤布置形式,軟土區(qū)刀盤的布置形式是以齒刀為主輔以邊緣滾刀和刮刀，硬巖刀盤的布置形式是以滾刀為主輔以刮刀。刀具是盾構(gòu)機(jī)的一個非常重要的組成部分，對刀具地合理選擇、使用、維護(hù)和更換，直接決定盾構(gòu)掘進(jìn)工程的質(zhì)量、進(jìn)度和工程成本。所以對盾構(gòu)機(jī)刀具磨損情況地分析尤為必要。489刀具磨損的分析489.2海瑞克盾構(gòu)切削刀具失效分析

北京地鐵某線砂卵石地層中石英含量高達(dá)45%以上，石英砂是“很好”的磨料，使刀具磨損速度加快。該線應(yīng)用的德國海瑞克盾構(gòu)機(jī)的刀盤轉(zhuǎn)速可以達(dá)到3rpm(轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘)，直徑6m刀盤外圍刀具的線速度可以達(dá)到1m/s。北京地區(qū)地層中含有大量不同粒徑的卵石，使得刀具的刃口部位承受很大的沖擊荷載。北京地鐵某線盾構(gòu)試驗(yàn)段砂卵石地層渣土

499.2海瑞克盾構(gòu)切削刀具失效分析北京地鐵某線砂卵石如北京地鐵某線盾構(gòu)試驗(yàn)段雍和宮站至張自忠站左線1510m隧道掘進(jìn)為砂卵石及粘土混合地層,掘進(jìn)過程中更換了5批刀具；而在北京地鐵某線16合同段宋家莊站至劉家窯站右線隧道1320m的粉質(zhì)粘土為主地層掘進(jìn)則沒有更換過刀具，這充分表明了砂礫、亂石對盾構(gòu)刀具的巨大破壞作用。盾構(gòu)試驗(yàn)段盾構(gòu)機(jī)刀具磨損和折斷嚴(yán)重，開倉后刀具的形貌見下圖。

硬質(zhì)合金刀片折斷的齒刀

使用意大利龐萬利公司周邊刀掘進(jìn)70米后磨損情況周邊刀磨損后的形貌

50如北京地鐵某線盾構(gòu)試驗(yàn)段雍和宮站至張自忠站左線1510m硬質(zhì)合金刀片折斷的齒刀周邊刀磨損后的形貌

使用意大利龐萬利公司周邊刀掘進(jìn)70米后磨損情況從圖中可以看到，盾構(gòu)刀具的刃口部位鑲嵌的硬質(zhì)合金刀片存在同程度的折斷破壞，即所謂“崩刃”；對于硬質(zhì)合金刀片，由于硬度很高，相應(yīng)的韌性較差，沖擊斷裂是其主要的失效形式；除了刃口部位承受沖擊之外，刀具迎土面還有犁溝式磨粒磨損和碾壓磨損。

在右圖所示位置切制1#、2#樣，實(shí)驗(yàn)室條件下通過掃描電鏡對其磨損形貌分別進(jìn)行分析。51硬質(zhì)合金刀片折斷周邊刀磨損后使用周邊刀刃口坡口處（內(nèi)側(cè)）磨損形貌

從掃描電鏡照片可以看出：刃口位的斜坡（內(nèi)側(cè)）為典型的犁溝式磨損。

52周邊刀刃口坡口處（內(nèi)側(cè)）磨損形貌從掃描電鏡照片可以看出：5從掃描電鏡照片可以看出：外側(cè)硬質(zhì)合金球齒失效形為脆性塌陷+犁溝式磨損。

球齒表面磨損形貌53從掃描電鏡照片可以看出：球齒表面磨損形貌53從掃描電鏡照片可以看出：外側(cè)的球齒鑲嵌部分的磨損形式為犁溝式+碾壓磨損

。

周邊刀刀體迎土面磨損情況54從掃描電鏡照片可以看出：周邊刀刀體迎土面磨損情況54北京地區(qū)盾構(gòu)切削刀具的上述磨損情況歸納為下表所示特征：刀具部位內(nèi)側(cè)本體外側(cè)本體外側(cè)球齒刃口磨損性質(zhì)犁溝式磨粒磨損犁溝式磨粒磨損+碾壓磨損犁溝式磨粒磨損+塌陷沖擊破壞+磨粒磨損強(qiáng)度等級較弱很強(qiáng)很強(qiáng)很強(qiáng)通過對進(jìn)口盾構(gòu)切削刀具在砂卵石地層的磨損特點(diǎn)分析，得出的結(jié)論是：切削刀具在砂卵石地層施工中，主要的失效形式為：沖擊破壞、犁溝式磨粒磨損和碾壓磨損。55北京地區(qū)盾構(gòu)切削刀具的上述磨損情況歸納為下表所示特征：刀具內(nèi)9.3雙刃滾刀刀具的磨損及原因：（1）正常磨損刀具的正常磨損是指刀圈的磨損量超過了規(guī)定值，磨損量可用專用的量具進(jìn)行測量。569.3雙刃滾刀刀具的磨損及原因：569.3雙刃滾刀刀具的磨損及原因（2）刀圈偏磨

如果滾刀在掘進(jìn)工作面不轉(zhuǎn)動，由于刀圈和掘進(jìn)工作面的相對運(yùn)動就會形成刀圈的偏磨。由于中心區(qū)滾刀線速度較小，承受載荷較大，中心區(qū)滾刀容易出現(xiàn)此現(xiàn)象。579.3雙刃滾刀刀具的磨損及原因（2）刀圈偏磨

57（3）刀圈斷裂推力過大或刀圈在比較硬的巖石上滾動就有可能使刀圈斷裂，若一個刀圈有兩處斷裂，斷裂的部分刀圈就有可能掉到土艙。邊緣滾刀和正面區(qū)滾刀經(jīng)常有此現(xiàn)象。9.3雙刃滾刀刀具的磨損及原因58（3）刀圈斷裂9.3雙刃滾刀刀具的磨損及原因58（4）表面缺陷如果有金屬或其它堅硬物損壞了刀圈的局部表面，刀圈局部表面就會形成表面缺陷。9.3雙刃滾刀刀具的磨損及原因59（4）表面缺陷9.3雙刃滾刀刀具的磨損及原因59（5）刀圈擋圈磨損或脫落擋圈是由兩個半圓的鋼環(huán)安裝在滾刀軸的卡槽里焊接成一個完整的圓環(huán)，其作用是防止刀圈從滾刀軸上脫落，一旦刀圈擋圈脫落或焊接處磨損嚴(yán)重，就應(yīng)該更換刀具。（6）滾刀漏油由于密封件的損壞，就可能使密封油泄漏，從而導(dǎo)致油封座和輪轂的損壞。9.3雙刃滾刀刀具的磨損及原因60（5）刀圈擋圈磨損或脫落9.3雙刃滾刀刀具的磨損及原因6（7)輪轂?zāi)p刀盤和渣土不間斷的摩擦，使得滾刀輪轂也發(fā)生嚴(yán)重磨損(8)油封座損壞由于漏油使得油封座損壞(9)輪轂或油封座損壞刀圈如果在金屬物（掉了的刀圈或螺帽）上滾動，輪轂或油封座有可能被卡住，就會妨礙刀圈繞著滾刀中心軸自由轉(zhuǎn)動。9.3雙刃滾刀刀具的磨損及原因61（7)輪轂?zāi)p9.3雙刃滾刀刀具的磨損及原因61(10)滾刀的多邊形磨損

在掘進(jìn)時滾刀時轉(zhuǎn)時不轉(zhuǎn)，或者在某個點(diǎn)轉(zhuǎn)動時間長在其它點(diǎn)轉(zhuǎn)動時間短，就會產(chǎn)生這樣的磨損。9.4雙刃滾刀刀具的磨損及原因62(10)滾刀的多邊形磨損

9.4雙刃滾刀刀具的磨損及原因9.4齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損及原因(1)齒刀磨損

正常磨損：齒刀切削土層和砂礫層所形成的磨損。

異常磨損：由于換刀不及時在硬巖區(qū)的磨損。639.4齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損及原因639.4齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損及原因(2)正面區(qū)刮刀磨損

正常磨損：刮刀刮削土層、砂礫層和被滾刀擠碎的巖層時所形成的磨損。

異常磨損：由于滾刀刀圈掉落，在刀盤同一圓周上的刮刀就直接承受掘進(jìn)工作面的載荷，刮刀和掘進(jìn)工作面的相對摩擦，就導(dǎo)致刮刀嚴(yán)重偏磨。649.4齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損及原因649.4齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損及原因(3)邊緣區(qū)刮刀

正常磨損：刮削土層、砂礫層和邊緣滾刀擠壓后的巖層時所形成的磨損。

異常磨損：由于邊緣滾刀刀圈掉落或者邊緣滾刀磨損量嚴(yán)重超限，邊緣滾刀開挖掘進(jìn)工作面的徑向尺寸小于邊緣刮刀的徑向尺寸，邊緣刮刀被迫直接擠壓在掘進(jìn)工作面上運(yùn)動，導(dǎo)致刀具磨損。659.4齒刀、正面區(qū)刮刀和邊緣區(qū)刮刀的磨損及原因(3)邊9.5預(yù)防刀具異常磨損的措施(滾刀)(1)擇擇合理的掘進(jìn)參數(shù)

掘進(jìn)參數(shù)包括掘進(jìn)推力、刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩、推進(jìn)速度、切削量等，影響刀具磨損的最直接參數(shù)是掘進(jìn)推力，推力的大小直接決定了刀具所承受的載荷。推力過大，雖然短期內(nèi)掘進(jìn)速度很快，但長時間刀盤刀具所承受的載荷也比較大，過大的載荷會使?jié)L刀軸承受擠壓產(chǎn)生變形，繼而影響滾刀的自轉(zhuǎn)最終造成滾刀刀圈的偏磨或斷裂。一般在<8>巖石中風(fēng)化帶<9>巖石微風(fēng)化帶地層最大的推力不要超過1000ton。刀盤轉(zhuǎn)速也是影響刀具磨損的另一個主要因素，過大的刀盤轉(zhuǎn)速在硬巖地層會造成盾構(gòu)機(jī)振動顛簸，加劇刀具的磨損。一般在硬巖地層刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為1.5rpm為合適值。669.5預(yù)防刀具異常磨損的措施(滾刀)66(2)根據(jù)不同的地層選擇不同的刀具根據(jù)地質(zhì)資料和對出土情況的判斷來確定刀具的更換，特別是兩種地層的交界處。從巖石微風(fēng)化帶地層向巖石強(qiáng)風(fēng)化帶轉(zhuǎn)換,如不能及時將齒刀更換為滾刀，就會很快加劇齒刀地磨損；從硬巖地層向軟土地層轉(zhuǎn)換，如不及時將滾刀換回齒刀，也有可能出現(xiàn)滾刀偏磨的現(xiàn)象。9.5預(yù)防刀具異常磨損的措施(滾刀)67(2)根據(jù)不同的地層選擇不同的刀具9.5預(yù)防刀具異常磨損(3)定期對刀具進(jìn)行檢查在硬巖區(qū)<8><9>地層中，如果出現(xiàn)推力過大推進(jìn)速度小扭矩也偏小，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)糾正很難的現(xiàn)象時，就要考慮刀具是否磨損嚴(yán)重，安排開艙檢查刀具。如果連續(xù)出現(xiàn)刀盤或螺旋輸送機(jī)被卡住、驅(qū)動電機(jī)熄火的現(xiàn)象時，應(yīng)立即停機(jī)進(jìn)行檢查。9.5預(yù)防刀具異常磨損的措施(滾刀)一般要在不超過二十環(huán)時對刀具進(jìn)行一次檢查，檢查看是否有刀圈磨損超限、刀圈斷裂、刀圈變形、固定刀圈的螺帽是否松動或掉落、刀座是否有裂紋等，如果一旦發(fā)現(xiàn)應(yīng)立即采取補(bǔ)救措施。軟土區(qū)在掘進(jìn)100環(huán)時要對刀具進(jìn)行一次檢查。689.5預(yù)防刀具異常磨損的措施(滾刀)一般要在不超

(4)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)應(yīng)保持正常姿態(tài)在硬巖地層如果不斷的調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)就會使?jié)L刀受力不均勻，在某個方向上過大的推力有可能導(dǎo)致滾刀變形。在硬巖地層絕不可只片面追求進(jìn)度，應(yīng)該在保證刀盤和刀具不被嚴(yán)重磨損的前提下安排生產(chǎn)進(jìn)度，必要時應(yīng)該進(jìn)行限產(chǎn)。為了一時的進(jìn)度而忽視刀具的例行檢查是得不償失的。更換刀圈后的刀具要進(jìn)行扭矩試驗(yàn)，根據(jù)不同的地質(zhì)條件和巖石強(qiáng)度進(jìn)行扭矩調(diào)整。在硬巖地層注意觀察螺旋輸送機(jī)出渣情況，如果出渣不是均勻的碎片石，而是伴有大塊的石頭出現(xiàn)，就可能有滾刀刀圈掉落，要立即停機(jī)檢查。9.5預(yù)防刀具異常磨損的措施(滾刀)699.5預(yù)防刀具異常磨損的措施(滾刀)699.6刀具磨損量檢查及更換原則(滾刀)

(1)在硬巖區(qū)，邊緣滾刀磨損量推薦值為10～15mm，正面區(qū)為15mm～20mm，中心區(qū)為25mm。刀具正常磨損量超過規(guī)定值就應(yīng)進(jìn)行更換，如果有條件最好整盤刀具全部更換；(2)檢查中如發(fā)現(xiàn)個別刀具有異常磨損或損壞，應(yīng)優(yōu)先將原來換下的沒有超過規(guī)定磨損量且已經(jīng)進(jìn)行過維護(hù)的舊刀具換上，而不要換上新刀具。709.6刀具磨損量檢查及更換原則(滾刀)709.6刀具磨損量檢查及更換原則(滾刀)

(3)一定要確保整個刀盤所換刀具的磨損量盡可能達(dá)到最大值，使得刀具能夠掘進(jìn)盡可能多的環(huán)數(shù)。<8><9>硬巖地層正面區(qū)雙刃滾刀正常磨損情況下可掘進(jìn)100環(huán)左右。(4)刀具要勤檢查，少更換；更要避免長時間停機(jī)換刀。719.6刀具磨損量檢查及更換原則(滾刀)719.7刀具的維護(hù)和修復(fù)(1)邊緣滾刀（正面滾刀）的維護(hù)和修復(fù)根據(jù)更換的邊緣滾刀（正面滾刀）的磨損情況和使用記錄，來確定滾刀的維護(hù)和修復(fù)方案。如果刀圈磨損量沒有超過25mm，可先檢查滾刀密封油是否足夠，如密封油不夠就應(yīng)添加；用鋸條將滾刀端蓋和軸承縫之間的碎石泥土清理干凈并檢查油封及油封座是否完好，如有損壞應(yīng)換新或修復(fù)。如刀圈磨損量超過25mm，就應(yīng)割掉刀圈，重新?lián)Q上新刀圈；同時也要檢查密封油、油封和油封座，并根據(jù)檢查情況進(jìn)行維護(hù)。729.7刀具的維護(hù)和修復(fù)729.7刀具的維護(hù)和修復(fù)(2)中心區(qū)滾刀的維護(hù)和修復(fù)中心區(qū)滾刀修復(fù)的方法和邊緣滾刀基本相同，由于其結(jié)構(gòu)和邊緣區(qū)滾刀結(jié)構(gòu)不同，其工藝程序比較復(fù)雜。739.7刀具的維護(hù)和修復(fù)73(3)正面區(qū)刮刀和邊緣刮刀的維護(hù)和修復(fù)正面區(qū)刮刀磨損量不大可采用在其舊刀的基礎(chǔ)上堆焊耐磨焊絲和“嫁接”舊的刮刀等方法進(jìn)行修復(fù)；如磨損量過大可換新刀，國內(nèi)有替代品。邊緣刮刀磨損量不大可采用在其舊刀基礎(chǔ)上堆焊耐磨焊絲的方法；磨損量過大換新刀。9.7刀具的維護(hù)和修復(fù)74(3)正面區(qū)刮刀和邊緣刮刀的維護(hù)和修復(fù)9.7刀具的維護(hù)和(4)齒刀的維護(hù)和修復(fù)一般正常使用齒刀磨損量不大。由于齒刀構(gòu)造比較復(fù)雜，如果一旦磨損采用在磨損的刀座上堆焊耐磨焊絲的方法，效果也比較好；如果磨損量比較大，就只能換新。9.7刀具的維護(hù)和修復(fù)75(4)齒刀的維護(hù)和修復(fù)9.7刀具的維護(hù)和修復(fù)7510盾構(gòu)刀具的管理

10.1刀具管理的重要意義

盾構(gòu)機(jī)刀具管理是要把盾構(gòu)機(jī)刀具的養(yǎng)、用、管、修提高到管理的高度上，有統(tǒng)籌、有計劃、有反饋、有分析和總結(jié)，建立一個良性的、閉式循環(huán)的管理系統(tǒng)。加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)刀具管理在以下幾方面有著十分重要的意義：7610盾構(gòu)刀具的管理10.1刀具管理的重要意義761）有計劃性的實(shí)施刀具的檢查和更換，能及時了解、掌握和分析刀具的使用狀況，對有效地利用刀具以及對刀盤進(jìn)行有效的保護(hù)有重要意義；2）建立準(zhǔn)確、詳盡的刀具臺帳和完善刀具維護(hù)、修理工藝，能最大限度地減少在刀具方面的投入，對降低刀具的使用成本有重要意義；3）掌握并熟練運(yùn)用刀具檢查、更換的方法，加強(qiáng)對刀盤的監(jiān)控，能避免刀具非正常原因的大面積損壞，對保證施工順暢，降低施工風(fēng)險有重要意義。

10.1刀具管理的重要意義771）有計劃性的實(shí)施刀具的檢查和更盾構(gòu)機(jī)刀具管理分為大小兩個閉式循環(huán)管理系統(tǒng)。大循環(huán)指從刀具選用――具體操作――比較、分析――反饋――刀具選用的過程；小循環(huán)指從測試——使用——檢查、更換——修理——試驗(yàn)（測試）的過程。

10.2刀具管理的主要內(nèi)容78盾構(gòu)機(jī)刀具管理分為大小兩個閉式循

其中，大循環(huán)是小循環(huán)的基礎(chǔ)，小循環(huán)是大循環(huán)的具體體現(xiàn)?？刂坪么笱h(huán)，就等于把好了第一關(guān)，為小循環(huán)順利的運(yùn)行建立了良好的基礎(chǔ)；控制好小循環(huán)，做好具體工作，又能給大循環(huán)提供更多、更好、更及時的反饋，使大循環(huán)能做及時、有效的調(diào)整，使一切按著計劃來運(yùn)行，避免了多余的投入，保證了成本的最小化。10.2刀具管理的主要內(nèi)容7910.2刀具管理的主要內(nèi)10.3刀具管理流程

與任何一項(xiàng)工作一樣，盾構(gòu)機(jī)刀具管理有特定的流程，見圖A。盾構(gòu)機(jī)刀具管理的每一個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，要將刀具管好、用好，需認(rèn)真做好每一個環(huán)節(jié)的具體工作。8010.3刀具管理流程與任何一項(xiàng)工

總之，只要我們嚴(yán)格按照盾構(gòu)機(jī)操作規(guī)程進(jìn)行操作，科學(xué)客觀地加強(qiáng)對盾構(gòu)機(jī)刀具使用、檢查和維護(hù)的管理力度，減少刀具不必要的異常磨損和損壞，潛心研究大力推廣盾構(gòu)機(jī)刀具國產(chǎn)化的應(yīng)用，刀具磨損和損壞給盾構(gòu)掘進(jìn)造成的成本增加就會大大降低，盾構(gòu)工程就會有更大的利潤空間可挖掘。

10.3刀具管理流程81總之，只要我們嚴(yán)格按照盾構(gòu)機(jī)操作規(guī)程進(jìn)行操作，11關(guān)于刀具國產(chǎn)化的幾點(diǎn)建議

由于刀具是易損件，消耗量大，如果只是依靠進(jìn)口刀具不僅供貨期長，而且成本高，所以使用國產(chǎn)刀具勢在必行。國內(nèi)最近幾年也有些公司著手開發(fā)盾構(gòu)機(jī)刀具。不足的是我們現(xiàn)在只能是簡單的更換滾刀刀圈，由于資料的缺乏、試驗(yàn)設(shè)備的落后和對刀具研究的不深入，對于更換刀圈后重新組裝的滾刀刀具，其扭矩調(diào)整還不能夠進(jìn)行調(diào)試（國外公司可以做到根據(jù)不同地質(zhì)條件的強(qiáng)度來調(diào)整每把滾刀的扭矩）；滾刀密封件質(zhì)量不高；中心滾刀支架、齒刀和邊緣刮刀國內(nèi)尚無人問津開發(fā)等直接影響著盾構(gòu)機(jī)刀具國產(chǎn)化的推廣應(yīng)用，這些都需要我們進(jìn)一步的探討研究。8211關(guān)于刀具國產(chǎn)化的幾點(diǎn)建議8212其它刀具磨損照片28312其它刀具磨損照片28313減少盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)阻力的措施

根據(jù)不同地質(zhì)條件，以及N(標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù))值的大小，切削刀最大切削軌跡外徑、刀盤盤圈外徑和盾構(gòu)機(jī)外徑三者的尺寸之間有細(xì)微的差別，若處理不當(dāng)，將增大推進(jìn)阻力，給盾構(gòu)機(jī)整機(jī)推進(jìn)性能帶來較大影響，其原因在此不贅述。針對北京地區(qū)地層特點(diǎn)，為減少盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)阻力，除盾構(gòu)機(jī)設(shè)有加泥加泡沫系統(tǒng)外，還應(yīng)在刀具的布置上采用以下兩項(xiàng)措施：

(1)設(shè)計主切削刀最大切削軌跡外徑略大于盾構(gòu)機(jī)外徑，既減少盾構(gòu)機(jī)刀盤盤圈和盾構(gòu)機(jī)外周的摩擦阻力，又不會影響盾構(gòu)機(jī)控制土體沉降的能力和效果。8413減少盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)阻力的措施根據(jù)不同地

(2)調(diào)整刀具切削土體深度，合理設(shè)置刀盤盤圈刀具(貝型刀)，減少切削阻力。根據(jù)刀盤盤圈刀具切人土體深度的計算公式，可計算出刀具切入土體的深度。85(2)調(diào)整刀具切削土體深度，合理設(shè)置刀盤

由上表可知，刀具布置可顯著影響刀具切削土體的深度。為減少推進(jìn)阻力、切削噪音和切削振動，應(yīng)選擇合適的刀具切削深度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)機(jī)高速推進(jìn)時，切削深度以10～15mm為好；一般速度推進(jìn)時，切削深度則以4～8mm為好。故在刀盤盤圈上布置5～7把刀具較為理想。刀具切入土體深度86刀具8614小節(jié)本節(jié)主要介紹了以下內(nèi)容：

1.刀具的分類；

2.刀具的材料;

3.刀具的選擇；

4.刀具的作用及切削機(jī)理;

5.刀具布置與配置及實(shí)例；

6.盾構(gòu)刀具磨損機(jī)制概述及實(shí)例分析；

7.減少盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)阻力的措施等。

8714小節(jié)本節(jié)主要介紹了以下內(nèi)容：

1.刀具的分類；

2.刀二、盾構(gòu)開挖面分析

本節(jié)簡要介紹國內(nèi)普遍采用的土壓式盾構(gòu)施工中支護(hù)壓力控制引起的開挖面變形與破壞問題。88二、盾構(gòu)開挖面分析本節(jié)簡要介紹國內(nèi)普遍采用的土壓式盾

盾構(gòu)施工過程中由于對土體的開挖和撓動破壞了土體的原始應(yīng)力狀態(tài)，使土體單元產(chǎn)生了應(yīng)力增量，引起周圍地層的位移。盾構(gòu)隧道的施工變形是一個不斷累加的過程，以隧道軸線地表點(diǎn)的經(jīng)時變位曲線為例，地表點(diǎn)的地層移動經(jīng)歷五個階段。1盾構(gòu)掘進(jìn)對周圍地層的擾動89盾構(gòu)施工過程中由于對土體的開挖和撓動破壞了土體的原始應(yīng)力狀a.先期沉降，盾構(gòu)尚未到達(dá)該點(diǎn)時的變位，表現(xiàn)為地表下沉。對于砂質(zhì)土，其可能是由于地下水下降引起，對于極軟粘性土，則沉降可能是由于開挖面過量取土引起的；盾構(gòu)通過時地基變形的分類90a.先期沉降，盾構(gòu)尚未到達(dá)該點(diǎn)時的變位，表現(xiàn)為地表下沉b.開挖面前方地基變位，盾構(gòu)機(jī)前方刀盤即將到達(dá)之前發(fā)生的變位，表現(xiàn)為地表隆起或下沉。其主要是由于盾構(gòu)機(jī)對開挖面土層施加的支護(hù)壓力過大或過小，致使開挖面失去平衡狀態(tài)，從而發(fā)生地基變位；盾構(gòu)通過時地基變形的分類91b.開挖面前方地基變位，盾構(gòu)機(jī)前方刀盤即將到達(dá)之前發(fā)生c.盾構(gòu)機(jī)通過時地基變位，指從盾構(gòu)開挖面到達(dá)該地表點(diǎn)的正下方開始，直至盾尾即將脫離該點(diǎn)為止的發(fā)生的地基變位，表現(xiàn)為地表隆起或下沉。產(chǎn)生這部分地基變位的原因，主要是盾殼對土體的摩擦力，破壞了土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，另外超挖及盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的非水平也加劇了地基變位；盾構(gòu)通過時地基變形的分類92c.盾構(gòu)機(jī)通過時地基變位，指從盾構(gòu)開挖面到達(dá)該地表點(diǎn)的正下d.盾構(gòu)機(jī)尾部脫離時變位，指盾尾空隙形成至注漿結(jié)束為止的那段時間內(nèi)的下沉或隆起。管片從盾尾脫離之前，盾殼對土體有一約束力，方向指向土體，一旦盾尾脫離，盾構(gòu)機(jī)殼土體之間產(chǎn)生空隙，如果在盾尾脫離后未能及時注漿或填充率不足，則空洞斷面就會向內(nèi)縮小，引起應(yīng)力釋放力，產(chǎn)生地表沉降，相反，如果注漿壓力過大，則會導(dǎo)致地表隆起；盾構(gòu)通過時地基變形的分類93d.盾構(gòu)機(jī)尾部脫離時變位，指盾尾空隙形成至注漿結(jié)束為止的那e.后期沉降，指從注漿結(jié)束開始，直到下沉停止的那部分下沉，引起這部分沉降的原因，主要是蠕變變形與固結(jié)變形，在軟粘土地基表現(xiàn)尤為明顯。盾構(gòu)通過時地基變形的分類94盾構(gòu)94

2盾構(gòu)掘進(jìn)開挖面支護(hù)壓力控制原理

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，通過各方面信息的反饋，控制盾構(gòu)機(jī)完成從隧道的開挖至襯砌安裝一系列過程，作為施工主體盾構(gòu)機(jī)的控制是工程成敗的關(guān)鍵，盾構(gòu)機(jī)控制主要涉及以下幾個方面:開挖控制、軸線控制、注漿控制及襯砌安裝（管片拼裝）控制。

952盾構(gòu)掘進(jìn)開挖面支護(hù)壓力控制原理盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，通過各開挖面支護(hù)壓力對盾構(gòu)掘進(jìn)的施工效果影響極為重要。

開挖控制主要為開挖面支護(hù)壓力管理，控制壓力艙內(nèi)泥土壓力穩(wěn)定在要求的目標(biāo)范圍內(nèi)，它是一個動態(tài)的過程，一方面提供支護(hù)壓力的渣土不斷在刀盤切削下進(jìn)入壓力艙，然后由排土裝置排出，另一方面又要恒定地維持壓力艙內(nèi)的泥土量來提供支護(hù)壓力，支護(hù)壓力的控制通過螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速控制調(diào)整壓力艙內(nèi)泥土量的多少來得以實(shí)現(xiàn)。96開挖面支護(hù)壓力對盾構(gòu)掘進(jìn)的施工效果影響極為重要。開挖控制主土壓平衡式盾構(gòu)的開挖面支護(hù)壓力管理，目的在于控制開挖面的穩(wěn)定，為此必須使地層的水土壓力和壓力艙內(nèi)的泥土壓力相當(dāng)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時支護(hù)壓力及螺旋輸送機(jī)的取土量與開挖面穩(wěn)定控制之間的關(guān)系參下圖。壓力控制、體積控制與開挖面穩(wěn)定之間的協(xié)調(diào)關(guān)系97土壓平衡式盾構(gòu)的開挖面支護(hù)壓力管理，目的在于控制開挖面的穩(wěn)3砂土地層開挖面變形與破壞數(shù)值分析以下簡介利用有限元對砂土地層開挖面變形與破壞進(jìn)行的分析。假定隧道開挖直徑(D)為6m，隧道埋深(C)為12m，模型尺寸如下圖所示，模型除地表面為自由面外，四周采用變形約束條件。計算中土體為莫爾－庫侖材料。計算模型示意圖983砂土地層開挖面變形與破壞數(shù)值分析以下簡介利用有限元對砂土引入支護(hù)應(yīng)力比的概念，由下式定義：99引入支護(hù)應(yīng)力比的概念，由下式定義：99不同支護(hù)壓力下開挖面附近土體位移及塑性區(qū)開展

a.不同支護(hù)壓力下開挖面附近土體位移及塑性區(qū)開展

100不同a.不同支護(hù)壓力下開挖面附近土體位移及塑性區(qū)開展100不同支護(hù)壓力下開挖面附近土體位移及塑性區(qū)開展

101不同101不同支護(hù)壓力下開挖面附近土體位移及塑性區(qū)開展

由圖可知，隨著開挖面支護(hù)應(yīng)力的減少，開挖面前方土體的位移量不斷增加，開挖面前方塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，其發(fā)展由開挖面頂部往地表不斷發(fā)展。102不同由圖可知，隨著開挖面支護(hù)應(yīng)力的減少，開挖面前方土體由不同支護(hù)應(yīng)力比下的塑性區(qū)開展情況可知，塑性區(qū)的開展情況在支護(hù)壓力接近極限支護(hù)壓力階段時(支護(hù)應(yīng)力比0.15－0.1)表現(xiàn)開始敏感，當(dāng)開挖面支護(hù)壓力接近極限支護(hù)壓力時，開挖面塑性區(qū)發(fā)展到地表面，開挖面失穩(wěn)，同時可以發(fā)現(xiàn)，隨著開挖面失穩(wěn)，塑性區(qū)保持不變，區(qū)域內(nèi)土體的位移量急劇增大。103由不同支護(hù)應(yīng)力比下的塑性區(qū)開展情況可知，塑性區(qū)的開展情b.支護(hù)應(yīng)力大小對地表沉降影響

下圖為不同支護(hù)應(yīng)力下開挖面前方2.7m地表橫向點(diǎn)沉降曲線，由圖可見，地表沉降曲線符合Peck沉降槽理論，而且隨著開挖面支護(hù)應(yīng)力的減小，地表點(diǎn)沉降量逐漸增大。

支護(hù)應(yīng)力與地表橫向點(diǎn)沉降槽關(guān)系104b.支護(hù)應(yīng)力大小對地表沉降影響下圖為不同支護(hù)應(yīng)力下開挖面c.開挖面變形與破壞影響因素分析

盾構(gòu)施工中，隧道的直徑、埋深及地層條件等都對開挖面支護(hù)應(yīng)力引起的開挖面變形與破壞問題產(chǎn)生一定的影響。1)隧道埋深的影響同樣隧洞直徑下，隨著埋深的增大，開挖面極限支護(hù)應(yīng)力不斷增加，當(dāng)埋深增大到一定程度時，開挖面極限支護(hù)應(yīng)力增加隨埋深不明顯；105c.開挖面變形與破壞影響因素分析盾構(gòu)施工中，隧道的直徑

2)隧道直徑的影響計算結(jié)果表明：同樣的埋深條件下，隨著隧洞直徑的增大，開挖面極限支護(hù)應(yīng)力呈線性增大。

3)土層材料的影響

內(nèi)摩擦角是反應(yīng)砂土材料的一個關(guān)鍵參數(shù)，砂土材料性質(zhì)對開挖面穩(wěn)定的影響研究主要側(cè)重于內(nèi)摩擦角的影響分析。由計算可知，同樣的隧道條件下，隨著內(nèi)摩擦角的增大，開挖面極限支護(hù)應(yīng)減小。1062)隧道直徑的影響106

本節(jié)主要講述了如下內(nèi)容：1）盾構(gòu)掘進(jìn)對周圍地層的擾動；2）盾構(gòu)掘進(jìn)開挖面支護(hù)壓力控制原理；3）砂土地層開挖面變形與破壞數(shù)值分析。

4小節(jié)107本節(jié)主要講述了如下內(nèi)容：4小節(jié)107THEENDTHANKYOU!108THEEND108謝謝大家！謝謝大家！盾構(gòu)機(jī)刀具的使用磨損1）污水干管一般沿道路布設(shè)，簡潔順直，盡可能在管線較短、埋深較淺情況下，讓最大區(qū)域內(nèi)的污水自流排出，降低工程造價，減少運(yùn)行成本。盾構(gòu)機(jī)刀具的使用磨損盾構(gòu)機(jī)刀具的使用磨損1）污水干管一般沿道路布設(shè)，簡潔順直，盡可能在管線較短、埋深較淺情況下，讓最大區(qū)域內(nèi)的污水自流排出，降低工程造價，減少運(yùn)行成本。目錄一、盾構(gòu)刀具二、盾構(gòu)開挖面的變形與破壞分析2盾構(gòu)機(jī)刀具的使用磨損1）污水干管一般沿道路布設(shè)，簡潔順直，盡盾構(gòu)機(jī)刀具的使用磨損課件一、盾構(gòu)刀具對于盾構(gòu)機(jī)來說,掘削系統(tǒng)即是掘削刀盤及其驅(qū)動系統(tǒng)。掘削系統(tǒng)對于盾構(gòu)機(jī)的施工效果有著決定性的影響,而且選擇的差異對盾構(gòu)機(jī)造價也有著很大的影響,刀盤選型可以影響到總造價的4％～8％,尤其掘削設(shè)備的裝備扭矩是盾構(gòu)機(jī)最基本的參數(shù)之一。盾構(gòu)機(jī)掘削刀盤即作轉(zhuǎn)動或搖動的盤狀掘削器，由掘削地層的刀具，穩(wěn)定掘削面的面板，出土槽口，轉(zhuǎn)動或搖動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，軸承機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。

1綜述某刀盤實(shí)物照片

112一、盾構(gòu)刀具對于盾構(gòu)機(jī)來說,掘削系統(tǒng)即是掘削刀盤及其驅(qū)動系統(tǒng)攪拌棒某刀盤主驅(qū)動主軸承刀盤驅(qū)動系統(tǒng)示意圖刀盤攪拌結(jié)構(gòu)113攪拌棒某主刀刀4關(guān)于盾構(gòu)機(jī)的刀盤、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等將在后邊介紹，因此這里主要介紹盾構(gòu)機(jī)掘削地層的刀具。刀具布置和刀具形狀在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計中是非常重要的內(nèi)容。刀具布置方式及刀具形狀是否適合應(yīng)用工程的地質(zhì)條件,直接影響到盾構(gòu)機(jī)的切削效果、出土狀況和掘進(jìn)速度。114關(guān)于盾構(gòu)機(jī)的刀盤、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等將在后邊介紹，因此這里主要介紹盾盾構(gòu)機(jī)刀具可根據(jù)運(yùn)動方式、布置位置和方式及形狀等進(jìn)行分類。按切削原理劃分，盾構(gòu)機(jī)的刀具一般分為切削刀和滾刀兩種，其余形式的刀具為輔助刀具。切削刀又分為齒刀、刮刀和先行刀等。

2盾構(gòu)刀具的分類按運(yùn)動方式分類按安裝方式分類115盾構(gòu)機(jī)刀具可根據(jù)運(yùn)動方式、布置位置和方式及形狀等進(jìn)行分類。按

按安裝位置分類

1-8號中心齒刀116按安裝位置分類1-8號中心齒刀7種類名稱用途設(shè)置部位固定刀具掘削掘削面面板正面旋轉(zhuǎn)刀具掘削掘削面面板正面超前刀具超前掘削面板正面導(dǎo)向鉆頭破碎地層面板正面外沿保護(hù)刀具保護(hù)刀盤外沿面板正面外沿修邊刀具減小推進(jìn)阻力面板外沿背面保護(hù)刀具保護(hù)背面面板面板背面加泥嘴保護(hù)刀具保護(hù)加泥嘴加泥嘴部位掘削障礙物刀具掘削障礙物面板正面外圍刀具按掘削目的、設(shè)置位置和用途的分類117種類名稱用途設(shè)置部位固定刀具掘削掘削面面板正面旋

滾刀的示意圖和實(shí)物照片b)盤形滾刀圈c)盤形滾刀a)盤形滾刀示意圖118滾刀的示意圖和實(shí)物照片b)盤形滾刀圈

切削刀的實(shí)物照片a)周邊刮刀b)周邊刮刀(背面)c)周邊刀安裝位置

d)齒刀方柄齒刀f)齒刀g)中心齒刀119切削刀的實(shí)物照片a)周邊刮刀

切削刀的實(shí)物照片

h)先行刀i)先行刀j)先行刀

k)牛角刀l)羊角刀m）三棱刮刀120切削刀的實(shí)物照片

11

注：等級A、B、C、D，從左至右，質(zhì)量依次提高；脫氧方法F表示沸騰鋼，Z表示鎮(zhèn)靜鋼，b表示半鎮(zhèn)靜鋼，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼；Q235-A，Q235-B沸騰鋼含錳量上限為0.60%。3刀具的材料

海瑞克周邊刀的刀體是德國產(chǎn)鋼號為St52-3的鋼材，其性能相當(dāng)于國產(chǎn)的低碳鋼Q235，Q235鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見下表。由表可知，該材料的韌性較好但硬度較低。Q235鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能等級化學(xué)成分脫氧方法抗拉強(qiáng)度δb/MPa伸長率δz(%)硬度(HB)CMnSi(≦)S(≦)P(≦)A0.14-0.220.30-0.650.0350.0500.045F,b，Z375-40021-26180-220B0.12-0.200.30-0.650.045C0.180.30-0.650.0400.040ZD0.170.035TZ121注：等級A、B、C、D，從左至右，質(zhì)量依次提高；脫氧方法F

海瑞克周邊刀的刃口主要承受高應(yīng)力的磨粒磨損，周邊刀迎土面釬焊有球齒，球齒材料為硬質(zhì)合金，主要用于承受砂礫、卵石的磨粒磨損與沖擊。種類特性值化學(xué)成份（%）用途硬度(HRA)抗彎強(qiáng)度(MPa)WC0CE1>90>120087～904～85～6E2>89>140085～895～105～6E3>88>160083～877～125～6盾構(gòu)刀具E4>87>170082～868～135～6盾構(gòu)刀具E5>86>200078～859～175～6砂層刀具超硬鋼的種類及特性

122海瑞克周邊刀的刃口主要承受高應(yīng)力的磨粒磨損，周邊刀

海瑞克齒刀由刀體、端部硬質(zhì)合金刀片和背部球齒構(gòu)成。123海瑞克齒刀由刀體、端部硬質(zhì)合金刀片和背部球齒構(gòu)成。

海瑞克刮刀是用硬質(zhì)合金鋼做為刀頭，高耐磨合金鋼作為刀體。124海瑞克刮刀是用硬質(zhì)合金鋼做為刀頭，高耐磨合金鋼作為其它進(jìn)口盾構(gòu)刀具在材料方面由兩至三種構(gòu)成，即基體材料、硬質(zhì)合金材料、刀具刃口堆焊材料等復(fù)合制成。下表為一種用于盾構(gòu)機(jī)刀具刃口的鐵基堆焊材料的化學(xué)成分和性能。

一種鐵基刀具刃口堆焊材料的化學(xué)成分和性能化學(xué)成分硬度（HRC）CCrNiSiMnMoFe0.1-0.35-101-3<10.5-2<0.5余量50-55鑲鑄堆焊125其它進(jìn)口盾構(gòu)刀具在材料方面由兩至三種構(gòu)成，即基體材料、硬質(zhì)合對于不同地層的開挖，盾構(gòu)的刀具通常采用不同型式：開挖地層為硬巖時，采用盤形滾刀；地層為較軟巖石時，采用齒刀；地層為軟土或破碎軟巖時，可采用切刀(或刮刀)。4刀具的選擇卵石層(N>40)砂礫卵石(10<N<40)洪積土(砂質(zhì)土)(10<N<25)沖擊粘土(0<N<10)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)126對于不同地層的開挖，盾構(gòu)的刀具通常采用不同型式：開挖地層為硬5刀具的作用及切削機(jī)理(1)切削刀切削刀是盾構(gòu)機(jī)切削開挖面土體的主刀具，切削刀一般形狀如左下圖所示。一般情況下，β(前角)與α(后角)值隨切削地層特性不同變化，取值范圍在5～20度之間，粘土地層稍大，砂卵石地層稍小。

切削刀一般形狀示意圖

三棱刮刀

1275刀具的作用及切削機(jī)理(1)切削刀切削刀一般形狀示意圖

切削刀為盾構(gòu)機(jī)開挖非巖質(zhì)地層的基本刀具，其形狀、布局將對開挖效果有重要影響。切削刀切削土體的示意見下圖。對于軟土地層或經(jīng)滾刀破碎后的碴土將通過切刀和刮刀進(jìn)行開挖。碴土隨切刀、刮刀正面進(jìn)入碴槽，因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有裝載的功能。

切削刀切削土體示意圖

128切削刀為盾構(gòu)機(jī)開挖非巖質(zhì)地層的基本刀具，其形顧名思義，超前刀即為先行切削土體的刀具。超前刀在設(shè)計中主要考慮與切削刀組合協(xié)同工作。刀具切削土體時，超前刀在切削刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切削刀創(chuàng)造良好的切削條件。據(jù)其作用與目的，超前刀斷面一般比切削刀斷面小。采用超前刀，一般可顯著增加切削土體的流動性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，減少切削刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層使用效果十分明顯。

超前刀刀具形狀及與切削刀協(xié)同切削土體的示意圖見左下圖。

(2)超前刀(也稱先行刀)超前刀129顧名思義，超前刀即為先行切削土體的刀具。超前刀在

13021

盤圈貝型刀實(shí)質(zhì)上是超前刀，盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時，若采用滾刀型刀具，因土體屬松散體，在滾刀掘進(jìn)擠壓下會產(chǎn)生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時甚至喪失切削破碎能力。采用盤圈貝型刀，將其布置在刀盤盤圈前端面，專用于切削砂卵石，可較好地解決盾構(gòu)機(jī)切削土體(砂卵石)的難題。

(3)盤圈貝型刀盤圈貝型刀實(shí)物照片盤圈貝型刀示意圖131盤圈貝型刀實(shí)質(zhì)上是超前刀，盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層，

采用大刀盤全斷面切削土體，布置在刀盤不同位置的切削刀，從刀盤外周至中心，運(yùn)動圓周逐漸減小，中心點(diǎn)理論上可以視為零，相應(yīng)土體流動狀態(tài)也是越來越差。而且中心支撐部位(直徑約1.5m)不能布置切削刀，為改善中心部位土體的切削和攪拌效果，可考慮在中心部位設(shè)計一把尺寸較大的魚尾刀。

(4)魚尾刀魚尾刀示意圖

132采用大刀盤全斷面切削土體，布置在刀盤不同位置的切削刀，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，魚尾刀的設(shè)計和布置可應(yīng)用兩個技巧：其一讓盾構(gòu)機(jī)分兩步切削土體，利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面(直徑約1.5m)土體，而后擴(kuò)大到全斷面切削土體，即將魚尾刀設(shè)計與其他切削刀不在一個平面上，一般魚尾刀超前600mm左右，保證魚尾刀最先切削土體；其二是將魚尾刀根部設(shè)計成錐形，使刀盤旋轉(zhuǎn)時隨魚尾刀切削下來的土體，在切向、徑向運(yùn)動的基礎(chǔ)上，又增加一項(xiàng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(如同犁地一般)：這樣既可解決中心部分土體的切削問題和改善切削土體的流動性，又大大提高盾構(gòu)機(jī)整體掘進(jìn)水平。魚尾刀切削土體示意圖

133根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，魚尾刀的設(shè)計和布置可應(yīng)用兩個技巧：其一讓盾構(gòu)機(jī)分兩(5)仿形刀

盾構(gòu)機(jī)一般設(shè)計兩把仿形刀(一把備用)，布置在輻條的兩端。施工時，可以根據(jù)超挖多少和超挖范圍的要求，從輻條兩端徑向伸出和縮回仿形刀，達(dá)到仿形切削的目的。仿形刀伸出最大值一般在80～130mm之間。盾構(gòu)機(jī)在曲線段推進(jìn)、轉(zhuǎn)彎或糾偏時，通過仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構(gòu)機(jī)在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下，實(shí)現(xiàn)曲線推進(jìn)和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏。134(5)仿形刀

盾構(gòu)機(jī)一般設(shè)計兩把仿形刀(一把備用

根據(jù)廣州及深圳地鐵建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，隨著城市軌道路網(wǎng)的延伸及建設(shè)力度的加大，盾構(gòu)區(qū)間不僅需穿越常見的軟弱地層，同時還需在部分硬巖地段中通過。因此在刀具選擇上既要考慮在軟巖中開挖的需要，也要考慮在硬巖中的要求。一般認(rèn)為刮刀適用于土層及部分軟巖，盤形滾刀適用于硬巖，其中單刃滾刀能用在強(qiáng)度很高的巖石中，國外曾有在抗壓強(qiáng)度超過200MPa巖石中應(yīng)用的工程記錄。

(6)滾刀盤形滾刀圈盤形滾刀135(6)滾刀盤形滾刀圈安裝在刀盤上的盤形滾刀在千斤頂?shù)淖饔孟戮o壓在巖面上，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，盤形滾刀一方面繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，同時繞自身軸線自轉(zhuǎn)。滾刀在刀盤的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圓溝槽。當(dāng)推力超過巖石的強(qiáng)度時，盤形滾刀刀尖下的巖石直接破碎，刀尖貫入巖石，形成壓碎區(qū)和放射狀裂紋;進(jìn)一步加壓，當(dāng)滾刀間距S滿足一定條件時，相鄰滾刀間巖石內(nèi)裂紋延伸并相互貫通，形成巖石碎片而崩落，盤形滾刀完成一次破巖過程。136安裝在刀盤上的盤形滾刀在千斤頂?shù)淖饔孟戮o壓在巖面上，隨著刀盤硬巖滾刀破巖主要分為以下幾個步驟：

1)擠壓階段：滾刀在高推力作用下，切入巖石表面(切入深度1～10/15mm，取決于巖體強(qiáng)度)，同時巖面產(chǎn)生局部變形及很高的接觸應(yīng)力。并在此應(yīng)力作用下，刀刃與巖石接觸部分的巖體產(chǎn)生粉碎區(qū)，即應(yīng)力核心區(qū)。此核心區(qū)深度越深、范圍越大對提高破巖效率越明顯。137硬巖滾刀破巖主要分為以下幾個步驟：1)擠壓階段：滾刀在高2)起裂階段：沿粉碎區(qū)周邊應(yīng)力大于巖體的抗拉強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度時，便產(chǎn)生張拉裂縫。該裂縫是滾刀能否破巖的先訣條件。在應(yīng)力核心區(qū)下層是應(yīng)力過渡區(qū)，該區(qū)為應(yīng)力衰減區(qū)，對巖體裂縫的產(chǎn)生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂縫，由于其方向與破巖方向一致，因此也不能顯著地提高破巖效率，但能加大下個循環(huán)中壓入階段應(yīng)力范圍。138293)破碎階段：當(dāng)相鄰滾刀的間距使起裂階段產(chǎn)生的裂縫相互連通時，表面部分巖體便被裂縫分割，形成碎片并脫離開挖面。1393)破碎階段：當(dāng)相鄰滾刀的間距使起裂階段產(chǎn)生的裂縫相互連通時

1)巖石硬度：

在刀具擠壓階段，必須保證刀具硬度要高于巖石硬度，才能切入巖石表面，形成必要深度的應(yīng)力核心區(qū)。

2)抗壓強(qiáng)度：刀具切入巖石表面后，當(dāng)應(yīng)力大于巖石抗壓強(qiáng)度(單向應(yīng)力條件)或抗壓強(qiáng)度與地層主應(yīng)力組合值(三向應(yīng)力條件)時才能形成粉碎區(qū)，以保證裂縫產(chǎn)生位置具有一定深度。

3)抗拉強(qiáng)度：是裂縫形成的力學(xué)原因。影響裂縫能否形成的直接因素有：

140

1)巖石硬度：在刀具擠壓階段，必須保證刀具硬度要高于巖根據(jù)以往工程實(shí)踐及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，影響破巖效率的因素有：

1)脆性/塑性:是對抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的綜合評價，適用于抗壓強(qiáng)度較大(小)，而抗拉強(qiáng)度較小(大)巖石。有關(guān)文獻(xiàn)資料顯示在同樣條件下，脆性巖體在擠壓階段所需時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于塑性巖體(約八分之一)。

2)耐磨性:本指標(biāo)直接關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率，是承包商進(jìn)行刀具壽命及備品估算、工期籌劃的主要依據(jù)。根據(jù)國外資料統(tǒng)計在耐磨性小的巖石中，更換刀具時間占總停工時間的3%，而在高耐磨性巖石中有20%之多；以每掘進(jìn)1米時間計算，耐磨性小的巖石為0.02~0.05hr/m，而高耐磨性巖石則可高達(dá)0.2hr/m。影響破巖效率的因素：141根據(jù)以往工程實(shí)踐及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，影響破巖效率的因(7)齒刀

在巖石較軟的情況下掘進(jìn)時，由于盤形滾刀與巖石掌子面之間不能產(chǎn)生一定的附著力，將導(dǎo)致滾刀不能滾動而產(chǎn)生弦磨，滾刀不能滾動將失去有效的破巖功能。因此，在較軟的巖層中應(yīng)將部分盤形滾刀更換成齒刀，利用齒刀進(jìn)行破巖。由于齒刀上裝有2個切削刃，因此刀盤正反轉(zhuǎn)時齒刀都能進(jìn)行破巖。齒刀破巖機(jī)理圖142(7)齒刀

在巖石較軟的情況下掘進(jìn)時，由于盤形滾刀與巖刀具布置有兩種方式：第一種為刀具整體連續(xù)排列方式，因其切削阻力較大，盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)土體流動性差，現(xiàn)已很少使用，僅偶爾在切削阻力小的淤泥質(zhì)地層中采用；第二種為刀具牙型交錯連續(xù)排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封艙內(nèi)土體流動性好和易攪拌而被廣泛使用。目前世界上基本均采用牙型交錯連續(xù)排列方式。刀具選擇與布置：盾構(gòu)開挖性能主要通過刀具的選擇和布置來保證。根據(jù)不同地質(zhì)情況選用不同類型的刀具及刀具組合，實(shí)現(xiàn)刀具配置的靈便性，提高刀盤的開挖效率。目前盾構(gòu)機(jī)上常用的主要刀具有切刀、刮刀、齒刀、雙刃滾刀、單刃滾刀、擴(kuò)孔刀等。6刀具布置與配置143刀具布置有兩種方式：6刀具布置與配置34刀具的示意圖和實(shí)物照片滾刀

小

松

盾

構(gòu)

刀

盤

海

瑞

克

盾

構(gòu)

刀

盤

齒刀

刮刀

144刀具的示意圖和實(shí)物照片滾刀

小

松

盾

構(gòu)

刀

盤

海

瑞

7某盾構(gòu)施工的刀具配置

這里介紹廣州地區(qū)某大型地下工程盾構(gòu)法開挖過程中的刀具配置。選用盾構(gòu)機(jī)為德國海瑞克公司生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，刀盤為面板式，刀盤的開口面積占刀盤總面積的28%左右。刀盤采用液壓驅(qū)動，并配備了泡沫注入系統(tǒng)、膨潤土注入系統(tǒng)和壓縮空氣系統(tǒng)，具備良好的渣土改良功能。1457某盾構(gòu)施工的刀具配置這里介紹廣州地區(qū)某大型地下工程盾①軟土地層刀具配置

配置了3種軟土刀具:切刀64把、弧形刮刀32把、齒刀14把(齒刀與盤型滾刀可以互換安裝，但刀盤周邊的5把滾刀不能更換為齒刀)。

在粘土地層刀具壽命較長，在砂性地層壽命相對較短。

考慮到刀盤的受力均勻性，刀具布置具有對稱性，刀具安裝采用螺栓固定以便于更換，軟土地層刀盤結(jié)構(gòu)相對簡單。

切刀

滾刀

齒刀刮刀146①軟土地層刀具配置

配置了3種軟土刀具:切刀64把、弧

由于刀盤需要正反旋轉(zhuǎn)，因此切刀也布置在正反方向。同時，為了提高切刀的可靠性，在每個軌跡上布置了2把切刀。由于周邊工作量相對較大，磨損后對盾構(gòu)切口環(huán)尺寸影響較大，因此在刀盤周邊布置了較多的切刀和刮刀。

在切刀、刮刀刃口鑲嵌有合金耐磨材料以延長刀具的使用壽命，切刀的破巖能力為20MPa，可以順利通過加固地層的開挖。切刀伸出刀盤面板的高度可保證碴土的有效流動，防止刀盤面板與土艙間產(chǎn)生泥餅。

147由于刀盤需要正反旋轉(zhuǎn)，因此切刀也布置在正反方向。同時②上軟下硬復(fù)合地層刀具配置在區(qū)間含硬巖的復(fù)合地層，刀盤除配置切刀、刮刀、齒刀這些切削型刀具外，還配置了雙刃盤形滾刀，用于破碎硬巖，因而刀盤結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。雙刃盤形滾刀單個刀刃的允許承載能力為250KN，破巖能力相對于單刃滾刀而言較低，適應(yīng)破碎抗壓強(qiáng)度小于80Mpa的巖石。刀盤上配備了足夠數(shù)量的滾刀(1