盾构刀具大解析

某刀盘实物照片

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某 刀 盘 主 驱 动
刀 盘 驱 动 系 统 示 意 图
主 轴 承
刀 盘 搅 拌 结 构
搅拌棒
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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。

刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常
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海瑞克周边刀的刃口主要承受高应力 的磨粒磨损，周边刀迎土面钎焊有球齿， 球齿材料为硬质合金，主要用于承受砂 砾、卵石的磨粒磨损与冲击。
超 硬 钢 的 种 类 及 特 性 特性值 种 类 硬度 抗弯强度 (HRA) (MPa) E1 E2 E3 E4 E5 >90 >89 >88 >87 >86 >1200 >1400 >1600 >1700 >2000 化学成份（%） W C0 C 用途
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(6) 滚刀
根据广州及深圳地铁建设经验，随着城市轨道路网 的延伸及建设力度的加大，盾构区间不仅需穿越常见的 软弱地层，同时还需在部分硬岩地段中通过。因此在刀 具选择上既要考虑在软岩中开挖的需要，也要考虑在硬 岩中的要求。一般认为刮刀适用于土层及部分软岩，盘 形滚刀适用于硬岩，其中单刃滚刀能用在强度很高的岩 石中，国外曾有在抗压强度超过200 MPa岩石中应用的工 程记录。
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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。
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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。
按运动方式分类 按安装方式分类
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按安装位置分类
1-8号中心齿刀
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刀具按掘削目的、设置位置和用途的分类 种类名称 固定刀具 旋转刀具 超前刀具 导向钻头 外沿保护刀具 修边刀具 背面保护刀具 加泥嘴保护刀具 掘削障碍物刀具
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盘圈贝型刀实物照片
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盘圈贝型刀示意图
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(4) 鱼尾刀
采用大刀盘全断面切削土体，布臵在刀盘不同位 臵的切削刀，从刀盘外周至中心，运动圆周逐渐减小， 中心点理论上可以视为零，相应土体流动状态也是越 来越差。而且中心支撑部位(直径约1.5 m)不能布臵 切削刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可 考虑在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。
鱼尾刀切削土体示意图
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(5) 仿形刀
盾构机一般设计两把仿形刀(一把备用)，布臵在辐条的 两端。施工时，可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从辐 条两端径向伸出和缩回仿形刀，达到仿形切削的目的。仿形 刀伸出最大值一般在80～130mm之间。盾构机在曲线段推进、 转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削土体创造所需空间，保证 盾构机在超挖少、对周边土体干扰小的条件下，实现曲线推 进和顺利转弯及纠偏。
Q235钢的化学成分和力学性能
化学成分 等 级 C Mn Si (≦) S (≦) P (≦) 脱氧方法 抗拉强度 δb/MPa 伸长率 δz(%) 硬度 (HB)
A
B C D
0.14- 0.300.22 0.65
0.050
0.045 F,b，Z 375-400 0.040 TZ Z 21-26 180220
超前刀刀具形状及与切削刀协同切削土体的示意图见左
下图。
超 前 刀
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(3) 盘圈贝型刀
盘圈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 体属松散体，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。采 用盘圈贝型刀，将其布臵在刀盘盘圈前端面，专用于切 削砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石)的难 题。
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其它进口盾构刀具在材料方面由两至 三种构成，即基体材料、硬质合金材 料、刀具刃口堆焊材料等复合制成。 下表为一种用于盾构机刀具刃口的铁 基堆焊材料的化学成分和性能。
堆焊
镶铸
一种铁基刀具刃口堆焊材料的化学成分和性能
硬度 化学成分 （HRC） C Cr Ni Si Mn Mo Fe 0.1-0.3 5-10 1-3 <1 0.5-2 <0.5 余量 50-55
三棱刮刀
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切削刀为盾构机开挖非岩质地层的基本刀具，其形状、 布局将对开挖效果有重要影响。切削刀切削土体的示意 见下图。对于软土地层或经滚刀破碎后的碴土将通过切 刀和刮刀进行开挖。碴土随切刀、刮刀正面进入碴槽， 因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有装载的功能。
切削刀切削土体示意图
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用途 掘削掘削面 掘削掘削面 超前掘削 破碎地层 保护刀盘外沿 减小推进阻力 保护背面面板 保护加泥嘴 掘削障碍物
设置部位 面板正面 面板正面 面板正面 面板正面 面板正面外沿 面板外沿 面板背面 加泥嘴部位 面板正面外围
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滚刀的示意图和实物照片
a) 盘形 滚刀 示意 图
b) 盘形滚刀圈
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87～90 4～8 5～6 85～89 5～10 5～6 83～87 7～12 5～6 盾构刀具 82～86 8～13 5～6 盾构刀具 78～85 9～17 5～6 砂层刀具 13
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海瑞克齿刀由刀体、端部硬质合金刀片和背部 球齿构成。
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海瑞克刮刀是用硬质合金钢做为刀头，高耐 磨合金钢作为刀体。
盘形滚刀圈 盘形滚刀
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安装在刀盘上的盘形滚刀在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。滚刀在刀盘的推力、扭矩作用下，在掌子面上切 出一系列的同心圆沟槽。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，形成压碎区和放射状 裂纹;进一步加压，当滚刀间距S满足一定条件时，相邻滚刀间 岩石内裂纹延伸并相互贯通，形成岩石碎片而崩落，盘形滚刀 完成一次破岩过程。
重要的内容。刀具布置方式及刀具形状是否
适合应用工程的地质条件,直接影响到盾构
机的切削效果、出土状况和掘进速度。
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2 盾构刀具的分类

盾构机刀具可根据运动方式、布置位置和方式及形
状等进行分类。按切削原理划分，盾构机的刀具一
般分为切削刀和滚刀两种，其余形式的刀具为辅助 刀具。切削刀又分为齿刀、刮刀和先行刀等。
2) 耐磨性:本指标直接关系到盾构机掘进效率，是承包商
进行刀具寿命及备品估算、工期筹划的主要依据。根据国外资 料统计在耐磨性小的岩石中，更换刀具时间占总停工时间的3%， 而在高耐磨性岩石中有20%之多；以每掘进1米时间计算，耐磨 性小的岩石为0.02~0.05 hr/m，而高耐磨性岩石则可高达0.2hr/m。
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硬岩滚刀破岩主要分为以下几个步骤：
1) 挤压阶段：滚刀在高推力作用下，切入岩石表面(切入深
度1～10/15mm，取决于岩体强度)，同时岩面产生局部变形及很 高的接触应力。并在此应力作用下，刀刃与岩石接触部分的岩体 产生粉碎区，即应力核心区。此核心区深度越深、范围越大对提 高破岩效率越明显。
c) 盘形滚刀
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切削刀的实物照片
a) 周边刮刀
b) 周边刮刀(背面)
c) 周边刀安装位置
d) 齿刀
方柄齿刀
f) 齿刀
g) 中心齿刀
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切削刀的实物照片
k) 牛角刀
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l) 羊角刀
m）三棱刮刀
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3 刀具的材料
海瑞克周边刀的刀体是德国产钢号为St52-3的钢 材，其性能相当于国产的低碳钢Q235，Q235钢的化学 成分和力学性能见下表。由表可知，该材料的韧性较 好但硬度较低。
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5 刀具的作用及切削机理

(1) 切削刀 切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀一 般形状如左下图所示。一般情况下，β(前角)与 α(后角)值随切削地层特性不同变化，取值范围在 5～20度之间，粘土地层稍大，砂卵石地层稍小。
切削刀一般形状示意图
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3)破碎阶段：当相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互
连通时，表面部分岩体便被裂缝分割，形成碎片并脱离开挖面。
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影响裂缝能否形成的直接因素有： 1) 岩石硬度： 在刀具挤压阶段，必须保证刀具硬度