试论盾构刀盘选型的设计与应用
盾构机械刀盘设计中的材料与优化分析
盾构机械刀盘设计中的材料与优化分析盾构机械刀盘是在地下工程中使用的重要工具，它承担着掘进、支护和排土的任务。
在盾构机械刀盘设计中，材料的选择和优化分析是关键的因素之一。
本文将对盾构机械刀盘设计中涉及的材料和优化分析进行详细探讨。
1. 材料选择在盾构机械刀盘的设计中，一般采用高强度、高耐磨性的材料来确保其在复杂地质环境下的可靠性和耐久性。
以下是在盾构机械刀盘设计中常用的材料：1.1 钢材：一般选择优质的耐磨钢，如国内的42CrMo等，具有高强度、高硬度和良好的耐磨性能。
1.2 合金材料：常用的合金材料有硬质合金和高速钢。
硬质合金具有高硬度、高耐磨性和较好的韧性，适用于切削和磨损较大的部位；高速钢具有高硬度、高切削性能和较好的韧性，适用于切削和磨损较小的部位。
1.3 复合材料：复合材料由两种或更多种材料组合而成，具有材料各自优点的综合性能。
可以根据具体的工程要求选择合适的复合材料，如钢与陶瓷的复合材料、钢与橡胶的复合材料等。
2. 材料优化分析在盾构机械刀盘的设计中，材料的选择之外，还需要进行优化分析，以确保刀盘在使用过程中的稳定性和效率。
以下是一些常用的材料优化分析方法：2.1 综合性能评价：通过评估材料的硬度、韧性、耐磨性、耐蚀性等综合性能，选择最适合的材料。
可以使用材料试验和数值模拟等方法进行综合性能评价。
2.2 材料强度分析：通过材料的强度参数（如抗拉强度、屈服强度等）和应力分析，评估材料在工作环境下的稳定性。
可以使用强度理论和有限元分析等方法进行材料强度分析。
2.3 优化设计：在材料选择和刀盘结构设计时，综合考虑材料的机械性能、梁端受力和变形等因素，以最小化刀盘的质量和尺寸，提高刀盘的效率和使用寿命。
同时，盾构机械刀盘的设计还要考虑与其他部件的匹配、制造和维修的方便性等因素。
只有在材料选择和优化分析的基础上，才能设计出安全可靠、高效耐用的盾构机械刀盘。
总结起来，盾构机械刀盘设计中的材料选择和优化分析是确保盾构机械刀盘能够在复杂地质环境下安全、高效工作的关键因素。
有关盾构刀具配置于刀盘设计的研究
有关盾构刀具配置于刀盘设计的研究摘要本文主要针对盾构的主要部件刀盘，进行了理论分析和机理的研究，根据不同的地质地表结构所选用的不同刀盘形式以及具体刀具的布置情况，通过实际施工过程中的试验实例进行说明刀具和刀盘设计的重要性，文章指出刀具不是是否合理是直接导致盾构设计成功的关键所在。
关键词盾构机；地质条件；刀具中图分类号p5 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）54-0153-02随着我国地铁隧道工程的快速发展，盾构挖掘隧道与铺设都得到了全面的发展。
盾构在掘进施工过程中对刀具的选择显得尤为重要，刀具选择的成功与否会直接影响到整个工程效益和施工期限。
根据笔者工作经验来看，隧道盾构施工过程中对刀具的选用一定要和当地的水文和地质条件紧密结合起来，针对一些特殊的地质地层，应该合理科学地对刀具做出选择。
所以说，如何才能做到最恰当的选择刀具和最合理地布置刀盘是技术人员必须考虑的问题。
1 刀具的工作原理分析盾构机的掘进切削装置都是由刀盘和刀具两个部分所组成。
盾构机最前方是切削刀盘，刀盘的功能就是切削土体以及对施工地层进行支撑，这样就能确保掘进面上的稳定性。
切削刀具主要功能就是进行切削掘进面上的土，通常情况下刀具都是安装在刀盘的正侧两面，刀具跟随刀盘的转动而转动，这样就实现了对土体的不断切削。
切削刀具最常见的有两种：第一种是刮刀（也有的是固定式齿刀）；第二种是盘形的滚刀。
滚刀是依据切削的运行轨迹和实际间距，具体安装在刀盘中，安装在刀盘上的滚刀要比刀盘面多出来几十公分。
掘进的时候，滚刀第一时间接触到地层，随着刀盘的不停旋转，就会对土体连续切削，由于刀盘受到正侧两个方向的切力压力，因此切力就会被动地进行旋转，从而就实现了对整个土体的挤压松动和切削。
1.1刮削刀具的工作机理由于受到刀盘的推力作用，当刮刀嵌如了岩层或岩渣中之后，刀盘就会带动整个刀具进行转动而不断地刮削前面的岩层，这样就能在在掌面出现一个个犁沟，其主要特点就是刀盘的转动过程中阻力比较大，如果是在一些软土地层或者是在滚刀已经破碎之后的渣土中进行刮刀开挖，渣土就会随着刮刀的正面不断进入到渣槽，所以刮刀不但具有切削的使用功能还同时具有装载的使用功能。
盾构刀盘结构设计与分析
关键词：盾构；刀盘；结构设计；发展
中图分类号：U455.43
文献标识码：A
doi：10.13244/ki.jiwhr.20190158
1 研究背景
盾 构 是 以 土 质 为 主 地 质 条 件 下 ， 隧 洞（道）全 断 面 开 挖 的 地 下 施 工 机 械 装 备 ， 广 泛 用 于 水 利 水 电 隧洞、铁路公路隧道、城市地铁、市政等工程的施工。盾构刀盘属于钢结构焊接件，安装在盾构最 前端，是掘削刀具安装的载体。在盾构施工中，盾构刀盘连同其上的刀具一起推进并旋转，刀盘将 推力和转矩传递给每把刀具，使刀具对掌子面土体产生切削力并进行切削作业。刀盘刀具在地下施 工过程中会遇到不同种类的地质，如黏土、砂土、淤泥、卵砾石等多种地质的混合土体，作业条件 复杂恶劣，从而给盾构刀盘及刀具提出了严苛要求。由于盾构施工隧道地质地层的不同、隧道断面 形状和不同生产厂商秉承设计理念的不同等，出现了各式各样的盾构刀盘结构。因此，分析盾构刀 盘结构、刀具刀座、刀具布置和其它刀盘功能结构等的发展和面临的挑战，为盾构刀盘结构设计创 新发展提供借鉴就显得非常必要。
2 刀盘结构分析
2.1 刀盘三大功能 目前隧道施工使用的盾构刀盘主要包括三大功能：开挖功能、稳定功能和搅拌 功 能［1］。 刀 盘 结 构 设 计 过 程 中 ， 前 两 大 功 能 是 刀 盘 设 计 需 重 点 考 虑 的 首 要 因 素 ， 对 刀 盘 结 构 设 计 也 有 非常大的影响，而搅拌功能则是刀盘旋转切削地层时的附加功能，对结构设计影响较小。盾构刀盘 结构设计合理与否直接影响着盾构的开挖效果和掌子面稳定情况，三大功能也成为刀盘结构设计的 出发点。刀盘结构形式与隧道地质状况密切相关，为了实现刀盘的三大功能，不同地层应采用不同 的且与之相适应的刀盘结构设计形式。
天津地铁2号线施工中盾构机的选型及应用
用于北方地 区其他 地铁 隧道 的掘进 ，从 而确定 盾 构机 各
３ ２ ２ 刀 盘 驱 动 ．．
组成部分及参数 设定 。工 程最 终选 用 由大连 重 工 ・起重
集团公司与 日本 川崎 重工株 式会 社合 作制 造 的土 压平衡 盾构机 。盾构 机 直径 为 ６ ３ｍ，总 长约 ７ ｍ，其 中盾体 ．４ ７ 长 ９４ ．ｍ，后 配套设 备 长 ６ ｍ，总配置 功 率 １ ４ ｋ ，最 ７ ０５Ｗ
３ １ 盾 体 ．
盾体 主要 包 括前 盾 、中盾和 尾盾 三部 分 ，形 状是 管
状筒体 ，其外径是 ６ ３ ｍ。 ．４
３ １１ 前盾 ．
阀 ，方便人员进 出。 在人行闸 内安 装与 盾构 机 、隧道 内联 系 的电话 机等 信号设 备 ，以便 于操 作员 直接 与盾 构机 内和隧 道 内操作
刀盘 的设计 和刀具 的布 置可 有效 应对 本项 目地质 和 地层岩性条件 。刀盘 可双 向旋 转 ，并 有硬 质堆 焊层 作 耐 磨保护 。
所 有 切 刀 均 采 用 螺 栓 连 接 ，可 以在 开 挖 舱 内 进 行 拆
螺 旋输 送机旋 转速 度可 调 ，与可 调 的出渣 闸 门形成 密封 ，使得 开挖 出的渣料 能够 连续 性地 在挖 掘受 压模 式
土压 计 。．
两个方 向旋 转。开挖 面土 压可按 设 定 的 目标 值进 行 自动
控制 和 手 动 控 制 ，并 可 根 据 情 况 转 换 。 排 土 能 力 按 ４０ ／ ０ ｍ３ｈ设计 ，排出砾石最大尺寸达 ２ ｍｉｘ５ ４ ０ ｎ ６ ｍｍ。
螺旋输送机使用 寿命 不小于 ］ｋ ０ ｍ掘进距离 （ 叶片堆 焊耐 磨 材 料 ） ，并 装 设 两 个 辅 助 材 料 注 入 口 和一 个 观
盾构机刀具选型及布置
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。
盾构刀具选择详述
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。
盾构机刀盘材料选择与性能评价
盾构机刀盘材料选择与性能评价随着城市化进程的加速，地下隧道建设日益增多。
盾构机作为地铁、隧道等地下工程施工的主要设备，其刀盘材料的选择及性能评价对于施工质量和效率起着重要作用。
本文将对盾构机刀盘材料的选择和性能评价进行详细讨论。
一、盾构机刀盘材料的选择在盾构机刀盘材料的选择中，主要考虑以下几个因素：1. 强度和硬度盾构机刀盘在施工过程中需要承受巨大的压力和冲击，因此材料的强度和硬度是选择的重要指标。
通常情况下，碳钢和合金钢是常用的刀盘材料。
碳钢具有较高的韧性和可塑性，但相对硬度较低；合金钢则强度和硬度相对较高，但韧性较差。
选择刀盘材料时需要根据具体的工程环境、土壤条件和切削要求进行综合考虑。
2. 耐磨性和耐腐蚀性盾构机在地下施工过程中，刀盘与土壤、岩石不断摩擦，容易产生磨损。
因此，耐磨性是选择刀盘材料时需要考虑的重要因素之一。
钢材表面的硬化处理、涂层材料的选用以及刀具设计的优化都可以提高刀盘的耐磨性。
此外，如果施工环境中存在腐蚀物质，如酸碱等，刀盘材料还需要具有一定的耐腐蚀性能。
3. 刀具可更换性刀盘材料的选择还需要考虑刀具可更换性。
由于盾构机刀盘的使用寿命有限，因此需要设计可更换的刀具。
合理设计刀具安装与拆卸结构，选用便于更换的材料，可以提高盾构机的施工效率。
二、盾构机刀盘材料性能评价对于盾构机刀盘材料的性能评价主要是通过实际的使用情况和试验数据进行分析。
以下为常用的性能评价指标：1. 切削效率切削效率是衡量刀盘材料性能的重要指标。
切削效率高意味着材料切削能力强，刀具寿命长，从而可以提高施工效率和降低成本。
2. 磨损速度磨损速度是盾构机刀盘材料性能评价中的重要指标之一。
通过测量刀具的磨损量以及使用时间，可以评估刀具的耐磨性能。
磨损速度低的材料具有更长的使用寿命，减少了因频繁更换刀具而造成的时间和成本的浪费。
3. 断裂强度断裂强度是刀盘材料的基本性能之一。
通过试验测定材料的断裂强度，可以判断刀具是否具有足够的强度来承受施加在其上的压力和冲击力。
盾构机械刀盘及刀具设计与优化
盾构机械刀盘及刀具设计与优化随着城市地下空间的不断开发和利用，盾构机械在地铁、隧道等工程领域中得到了广泛应用。
盾构机械的刀盘及刀具是决定其施工质量和效率的重要因素之一。
本文将重点讨论盾构机械刀盘及刀具的设计与优化。
1. 刀盘设计1.1 刀盘结构设计刀盘是盾构机械的核心部件之一，其结构设计的合理性对盾构机械的工作效果有着重要的影响。
刀盘的结构设计应该考虑以下几个方面：1.1.1 刀盘刚度设计刀盘的刚度设计直接影响到刀具在施工过程中的稳定性和耐久性。
应该根据盾构机械的工作条件和土壤的物理特性，合理选择刀盘的材料和结构尺寸，确保刀盘具有足够的刚度。
1.1.2 刀盘模块化设计刀盘的模块化设计可以极大地提高刀具更换的效率，并且便于维护和保养。
刀盘的模块化设计应该考虑到刀具的安装和拆卸便捷性，同时也要保证刀具的工作性能。
1.1.3 刀盘防护设计刀盘的防护设计不仅能够保护刀具，在施工过程中还能够减少对环境的影响。
刀盘的防护设计应考虑到刀具的精度和平衡性，同时也要与盾构机械的其它部件协调配合。
1.2 刀盘传动系统设计刀盘传动系统是盾构机械的另一个重要部分，其设计的合理性对盾构机械的运行效果至关重要。
刀盘传动系统设计应该考虑以下几个方面：1.2.1 传动效率设计传动效率直接关系到盾构机械的工作效率。
刀盘传动系统的设计应该尽可能地提高传动效率，降低能量损耗。
1.2.2 齿轮设计齿轮是刀盘传动系统中常用的传动元件，其设计应考虑到负载分配、噪声控制等方面的需求。
合理选择齿轮的材料和结构尺寸，可以提高刀盘传动系统的可靠性和耐久性。
1.2.3 传动稳定性设计传动稳定性是刀盘传动系统设计时需要充分考虑的因素，合理选择传动比、减小晃动等措施，可以提高刀盘传动系统的稳定性。
2. 刀具设计与优化2.1 刀具材料选择刀具材料的选择直接影响到刀具的硬度、韧性和耐磨性等性能。
应根据盾构机械工作的土壤条件和设计要求，选择适合的刀具材料，以确保刀具有良好的工作性能和寿命。
盾构机刀具布置技术及应用
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。
盾构机刀盘设计与优化
盾构机刀盘设计与优化盾构机刀盘是盾构机的重要组成部分，其性能直接影响到盾构机在地下工程中的施工效率和质量。
本文将从盾构机刀盘的设计和优化两个方面进行探讨。
一、盾构机刀盘设计1. 刀盘类型选择：盾构机刀盘根据工程需求和地质条件的不同，可以选择机械刀盘、压平刀盘和混合刀盘。
机械刀盘适用于较硬地层，压平刀盘适用于软土地层，混合刀盘则具备两种刀盘的特点。
2. 刀盘结构设计：刀盘的结构设计要考虑到刀盘的强度和刚度，以及刀片的布置和固定方式。
刀盘应具有良好的刚性和稳定性，刀片的布置要合理，以保证工作时的稳定和高效。
3. 刀片选择：刀片的选择要根据地层的性质和刀盘的工作条件来确定。
常见的刀片材料有硬质合金、高速钢等，刀片的形状和尺寸应根据地层状况和刀盘速度来选择。
4. 刀盘动力系统设计：刀盘的动力系统包括电机、减速器等，要保证刀盘具有足够的动力和可靠性。
电机的功率和转速应根据刀盘的工作条件来确定，减速器的传动比要满足刀盘的工作要求。
二、盾构机刀盘优化1. 刀片布置优化：通过对刀片的布置进行优化，可以减小切削力的影响，提高刀盘的稳定性和切削效率。
合理的刀片布置可以避免刀片之间的相互干扰和碰撞，延长刀片的使用寿命。
2. 刀片材料和形状优化：选择合适的刀片材料和形状可以提高刀片的硬度和耐磨性，延长刀片的使用寿命。
同时，优化刀片的形状和尺寸可以降低切削力的消耗，提高切削效率。
3. 刀盘动力系统优化：优化刀盘的动力系统可以提高刀盘的工作效率和可靠性。
通过选择合适的电机功率和转速，减小传动系统的能量损耗，提高动力输出效率。
4. 刀盘结构优化：优化刀盘的结构可以提高其刚性和稳定性，降低刀盘的振动和噪音。
通过采用新型的材料和加强结构的设计，使刀盘在工作过程中能够更好地适应地层变化和工作条件的变化。
综上所述，盾构机刀盘的设计与优化对于盾构机的工作效率和质量具有重要影响。
通过合理的刀盘设计和优化，可以提高刀盘的稳定性、切削效率和使用寿命，进而提高盾构机在地下工程中的施工效率和质量。
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试论盾构刀盘选型的设计与应用
摘要：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，因而刀盘选型和刀具的选择成为了盾构的关键技术。
采用什么样的刀盘结构和刀具配置才能够满足盾构机在北京地区隧道掘进过程中达到最小的刀具磨损、最少的换刀次数，甚至中途不换刀的目的，使盾构机的性价比达到较高水平，这是我们应该深入研究的问题。
关键词：盾构；刀盘选型；设计；应用
abstract: shield cutterhead structure and engineering geological situation is closely related to the different strata should be used to the different structure of the cutterhead, thus the cutterhead selection and tool selection has become the key technology of the shield. the cutterhead structure and tool configuration what shield machine to be able to meet the minimum tool wear in the beijing area tunneling minimum number of tool changes, and even half-way without tool change the purpose, so that the value for money of the shield machine reaches a higher level, we should study the issues in depth.
keywords: the shield; cutterhead selection; design; application
中图分类号：s611文献标识码：a文章编号：
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。
盾构在施工中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。
在掘进过程中作为盾构机关键部件之一的刀盘受力复杂，工作环境恶劣。
刀盘的结构关系到盾构工程的成败、开挖效率、使用寿命及刀具费用。
即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，因而刀盘选型和刀具的选择成为了盾构的关键技术。
1．刀盘选型
1.1盾构机刀盘形式
刀盘的功能是开挖、稳定掌子面和搅拌碴土。
刀盘的结构形式有面板式和辐条式两种，具体应用时应根据施工条件和土质条件等因素决定。
泥水盾构采用面板式刀盘；土压平衡盾构根据土质条件可采用面板式或辐条式。
对于土压平衡盾构，采用面板式刀盘时，由于泥土流经刀盘面板的开口土仓，盾构掘进时土仓内的土压力与开挖面的土压力之间产生压力降，且压力降的大小受面板刀开口的影响不易确定，从而使得开挖面的土压力不易控制。
辐条式刀盘仅有几根辐条，切削下来的土体直接进土仓，没有压力损失，同时在辐条后设有搅拌叶片，土、砂流动顺畅，土压平衡容易控制。
因此幅条式刀盘对砂、土等单一软土地层的适应性比面板式刀盘较强。
针对北京的地质条件以及本工程地铁隧道埋深不超过25m的情况，
采用什么形式的刀盘将直接影响盾构机的掘进效果，而且造价相差约为盾构机造价的4%～8%。
根据北京地铁6号线一期一标所处的地质条件，我们与盾构机生产厂家共同研究如何进行刀盘选型。
既能够适应本工程地质条件，同时又能适应螺旋输送机正常出土允许最大尺寸的石碴；刀盘的开口率能适应不同地质条件快速掘进的要求；在容易塌方的地段施工，工作人员需在刀盘作业面施工时，由于面板的抵挡土体作用较强，在这种情况下，适于选用面板式刀盘形式。
考虑到安全因素，本次工程掘进距离较长,且要穿过砂卵地层,很可能需中途换刀，因此采购的盾构机刀盘选用面板和辐条相结合的刀盘型式，刀盘上分别留有六个外加剂注入口以满足土体改良需要。
1.2盾构的开口
根据本标段地层条件以砂卵石和粉质粘土为主，为使渣土易于流动，防止结泥饼，提高开口效率，刀盘开口槽设计为楔形结构，使刀盘中部开口逐渐变大，利于渣土向土仓内流动，本盾构机开口率为47%。
2．刀具的选择
刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常重要的内容。
刀具布置方式及刀具形状是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。
2.1刀具布置
对于全断面切削的辐条面板相结合式刀盘，从盾构机的发展历
史看，刀具布置有两种方式：第一种为刀具整体连续排列方式，因其切削阻力较大，盾构机密封舱内土体流动性差，现已很少使用，仅偶尔在切削阻力小的淤泥质地层中采用；第二种为刀具牙型交错连续排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌而被广泛使用。
目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。
我公司采购的盾构机，其刀具布置就是采用该方式。
根据北京市地铁隧道施工中可能碰到的三种主要地质条件，刀具布置时应按照牙型交错连续排列的原理，确保盾构机刀具的切削轨迹布满开挖全断面；另针对不同切削要求(包括不同地质的要求)，本标段盾构机设置齿刀（94把）、周边刮刀(12把)、先行刀(42把)、鱼尾刀（1把）、仿型刀（2把）。
2.2刀具的安装形式
根据刀片材质，考虑到本工程大多在软弱的土质中使用，特别是在粘土层中，并且参照许多同类土质的施工实例，因此采用韧性及耐磨性优越的e3材质，并且考虑盾构机的重复使用及切削刀磨损而进行更换的情况，在结构安装上齿刀考虑采用螺栓联接的形式，先行刀和中心鱼尾刀采用焊接形式以便在维修及切削刀具磨损较严重时，可以方便地更换。
为保证刀盘在长距离掘进过程中减小磨损，在刀盘面板上以及刀盘外圆周加焊耐磨条。
2.3刀具形状及其作用
刀具的形状必须适应施工地质的特点，并且刀具在切削断面不同的位置其作用及要求均不同，因此应对刀具进行设计。
针对北京
地铁隧道穿越三种主要地层的特点，刀具选型时应考虑以下几个要素：①刀具在砂、砂卵石地层中的切削效率，即如何减少切削阻力，保证切削土体的流动性。
②通过刀具形状的改变，减少刀具掘进磨损，提高刀具的耐久性。
③适应城市繁华地区施工的需要，尽可能减少刀盘旋转刀具切削土体过程对周边土体及环境的干扰，如振动、噪音等。
④材料和设计方面因素，对解决盾构机在砂卵石地层掘进时刀具的磨损(包括撞击掉块等)提出切实可行的措施，保证盾构机刀具长距离掘进的可靠性。
(1) 刀具的类型及切削原理
目前盾构机刀具按切削原理划分，一般公认有滚刀和齿刀两种类型(根据隧道围岩性质不同、切削目的不同，这两类刀具还可进一步细分)。
滚刀的切削原理主要是刀具依靠挤压破岩，一般用于岩石隧道的掘进。
当虽然穿越松散地层但有大粒径的砾石(粒径大于400mm)、并且含量达到一定比例时，也可采用滚刀型刀具。
另在隧道地质条件复杂多变、岩石(强度不算太高)与一般土体(或粘土或砂土)交错频繁出现的情况，也有可能采用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。
北京地区一般不需要采用滚刀型刀具，在西四环向东的北京市大部分地区不需要。