盾构机刀具选型及布置
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盾构机刀具如何选型与制造 0盾构机刀具如何选型与制造........................................................................................................ ⑥盾构机刀具配置.. (13)盾构机刀具如何选型与制造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。
浅谈盾构机刀具造型及其布置安排
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
盾构机刀具盾构机刀具北京固本科技有限公司 胡建平关于盾构机刀具这里主要介绍盾构机掘削地层的刀具。
盾构机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,直接影响到盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。
1 盾构机刀具的选择对于不同地层的开挖，盾构的刀具通常采用不同型式: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)。
2 盾构机刀具防磨损的措施2(1 严格刀具制造流程刀具生产加工必须制定一套科学合理的制造工艺，刀具制造工艺是控制刀具质量的关键。
2(1(1 滚刀的制造盾构机滚刀完全按照掘进地质选用碳钢经表面渗碳处理 ，刀圈采用热煅一次滚压成型工艺，使刀具材料内部金相组织结构更加均匀致密，减少刀圈的断裂 ，同时在表面形成一定厚度的硬化层，具有高耐磨、抗冲击性能。
选用优质热膨胀系数小的润滑油脂，同时在刀具内部安装有润滑油补偿装置，在一定温度变化范围内确保刀具的正常润滑与油脂的补充。
经使用对比效果显著。
由于滚刀在掘进过程中承受比岩石层抗压强度高8MPa,12MPa ，当岩石硬度超过 60MPa 时 ，刀圈硬度 HRC65,70，如果刀圈采用合金材料制造时，其内外硬度是一致的，具有较好的耐磨性，但抗冲击性能明显下降，不利于 TBM 的破岩。
根据经验总结及材料机理分析，当岩石抗压强度达到或超过 55MPa 时，刀具材料应选用高碳钢，表面采用高温气体渗碳达到相对硬度，形成外硬内软，具有较好耐磨性、抗冲击性能，而不适于选用合金钢作为刀圈制造材料或刀圈采用中碳钢表面镶嵌合金齿，以满足破岩性能的要求。
2(1(2 刮刀的制造根据进 口刮刀在使用中易造成变形，通过物化性能分析，刮刀基材为 45中碳钢或 20低碳钢加工而成，表面硬度 HRC22,28，未作任何表面处理 ，因此在受到岩石或卵石冲击时极易产生变形。
在国产刮刀生产时，做了以下制造工艺调整:材料由原来的低碳钢改为中碳钢，基材表面硬度 HRC32,36;在冲击面与棱角部位补焊 0(25-0(32耐磨合金层。
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。
盾构机刀具布置方法
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。
【最新】盾构机刀具如何选型与制造1
1、盾构机选型依据 0盾构机刀具如何选型与制造............................................................................. ③盾构机刀具配置................................................................................................. ⑩1、盾构机选型依据地铁区间，线路总长：隧道埋深9～13米。
隧道洞身大部分处于残积层中，局部地段穿越花岗岩、辉绿岩全、强风化带或断层破碎带，结构松散，易软化、变形，产生坍塌。
花岗岩层面起伏大，存在差异风化现象。
地下水按赋存条件分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，砂层中具承压性。
主要补给来源为大气降水。
地下水埋深5.2～8.4米。
盾构隧道内径：5400mm，管片厚度：300mm，隧道外径：6000mm。
标准管片宽度：1200mm，分块数：6块。
本盾构隧道区间采用两台盾构机。
盾构机由站西端下井始发，推进至站东站起吊出井。
隧道地质情况、工程要求、环境保护要求、经济比较、地面施工场地大小等因素是盾构选型的基本依据。
根据国内外盾构施工经验与实例，我们认为，盾构机的选型必须满足以下几个要求：必须确保开挖空间的安全和稳定支护；保证隧道土体开挖顺利；保证永久隧道衬砌的安装质量；保证隧道开挖碴土的清除；确保盾构机械的作业可靠性和作业效率；保证地面沉降量在要求范围内；满足施工场地及环保要求。
2、不同开挖模式的工作原理2.1 盾构机的型式与工作特点目前世界上流行的盾构机按开挖模式主要可以分为两大类：敞开式与密闭式。
敞开式指盾构机的开挖面与机内的工作室间无隔板或隔板的某处设置可调节开口面积的出土口。
开挖面基本依靠开挖土体的自立保持稳定。
敞开式适用于地层条件简单、自立性好且无地下水的地层。
密闭式盾构机是在盾构机的开挖面与机内的工作室间设置隔板，刀盘旋转将开挖下来的碴土送入开挖面和隔板间的刀盘腔内，由泥水压力或土压或气压提供足以使开挖面保持稳定的压力。
北京砂卵石地层盾构机刀具选型
砂卵石地层盾构刀具选型盾构机刀具的配置，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，直接影响盾构机刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况和掘进速度。
一、刀具分类及工作原理目前使用的刀具一般分为两大类:刮削刀具、滚动刀具1.1.1刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具.1.1.2刮削类刀具的工作原理在推力的作用下，刮刀嵌如岩渣或岩层中，刀盘带动刀具转动时刮削岩层，在掌子面形成一环环犁沟，特点是效率高，刀盘转动阻力大。
在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过刮刀进行开挖，渣土随刮刀正面进入渣槽。
1.2.1滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀具。
1.2.2滚刀工作原理滚刀在推力和滚动力（转矩）的作用下，推力使刀圈压入岩体，滚动力使刀圈滚压岩体。
通过滚刀对岩体的挤压和剪切使岩体发生破碎，在岩面上切出一系列的同心圆（见图）。
二、根据九号线地层进行刀具的选型2.1 北京地铁九号线04标丰六区间地质概况根据北京城建勘察设计院2008年10月提供的《北京地铁九号线工程（丰台北路站～六里桥西站区间）岩土工程勘察报告》，本工程的工程地质与水文地质概况分为9层，盾构施工地层主要为卵石⑤层和卵石⑦层，为砂卵石复合地层：卵石⑤层：杂色，密实，湿，低压缩性，最大粒径不小于420mm，一般粒径20~80mm，粒径大于20mm颗粒含量约为总质量55~75%，亚圆形，中粗砂充填，局部大于200mm的漂石含量约为15-45%。
卵石⑦层：杂色，密实，湿饱和，低压缩性，最大粒径不小于600mm，一般粒径30-120mm，粒径大于20mm颗粒含量约为总质量的60-85%。
亚圆形，中粗砂充填，局部大于200mm的漂石含量约为25-45%。
实际掌子面照片2.2 根据地层情况和刀盘刀具的位置，以刮刀、滚刀和中心刀重点分析。
2.2.1 刮刀（齿刀）刮刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，盾构机向前推进的同时，刮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。
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。
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图2 盘形滚刀破岩示意图
刀具之间的间距是刀具布置轨迹确定的重要因 素。根据图2所示，设盾构上的第i和第i+1把盘形滚刀 在刀盘推力作用下切入岩石深度为h。则当刀盘旋转一 周，盘形滚刀的切削深度为h，则L为：
L = 2htanθ 要使同一安装半径上的盘形滚刀在刀盘每转一周 的切深相等，且破岩量相同，则两盘形滚刀之间不允 许形成累积岩脊，即刀盘转动多周(两周及以上)而未出 现连通的岩脊。可表示为：
5 应用实例
应用于珠三角穗莞深城际轨道交通建设的φ8780 土压平衡盾构机，工程地质条件是以粉砂质泥岩、粉 质粘土及砾砂岩为主的复合式地层，岩石的天然单轴 极限抗压强度最高值为200MPa。在盾构机刀盘的设置 上既考虑了对硬岩高强度的开挖，也兼顾了泥岩粘性 对盾构机掘进的影响，根据表1与表2中各类刀具对不 同地质情况的适用性，对该地区的盾构刀具采用滚刀 与切削刀的组合刀具如表5所列。
࠰ާᐳ㖞儈ᓖ 160mm 140mm 175mm 140mm 175mm 140mm
儈ᓖᐞ 20mm 35mm>25mm 35mm>25mm
4.4 刀具磨损 在盾构掘进中，刀具磨损是不可避免的，各类刀
具根据使用方式的不同产生的磨损情况也有所区别。 刀具磨损后将导致相邻刀具之间所受推力的不平
衡，而这种不平衡力有时可能是承受正常受力的10 倍，增加刀具的损坏概率。同时，由于刀具磨损后与 岩石接触面积增大，引起刀具对岩石的挤压应力减 小，降低掘进效率。
Key words: cutter; cutter configuration; altitude of cutters; cutter wear
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。
(2) 刀盘刀具受力平衡，保证合力通过刀盘中心， 不产生倾覆力矩和偏载。
刀具自身重力及转动中的离心力是引起刀盘径向 载荷、振动的主要原因。为了保证刀盘受力的均匀
55
Design & Development 设计开发
性，使刀盘不受到径向载荷的作用，则刀具安装后所 受重力及离心力的合力必须通过过刀盘圆心。根据这 一特点对刀具进行受力分析，以刀盘回转中心为原 点，盾构机前进方向为坐标Z轴，建立直角坐标系，则 以盘形滚刀为例，其受力情况如图3所示。
磨的现象。
（下转第36页）
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Summary 综述
项研究来寻求真正原因和机理，试图找到更有效减小 RCS的新方法。 4.2.3 波传播指示技术
此技术是利用计算机来预测雷达波在大气层中的 传播情况。大气层温度、湿度等的变化能使雷达波的 作用距离发生变化，使雷达覆盖范围产生盲区。同时 雷达波在大气层里传播时会形成“传播波道”，其绝 大部分能量集中于此。若舰载突防兵器能在盲区和 “波道”以外通过，就可顺利避开敌方雷达的探测。 4.3 综合运用多种隐身技术
面对多维探测技术或多种探测系统的探测，现代 舰艇隐身技术正向着综合运用、权衡性能、扩展频率 范围、降低成本等方向发展。为达到理想的隐身效 果，必须综合运用各种隐身技术实行全方位、多功能 隐身，即不仅要综合运用反雷达、反红外、反电子、 反声波、反可见光等隐身技术，而且在运用每种隐身 技术时也要考虑综合采用多种技术措施。
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
作者简介：吴艳华（1985-），女，工程师。主要从事中型机械技术工作。 刘德全（1979-），男，工程师。主要从事机电设备工作。
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4.2 刀具布置方式 为了保证盾构刀盘的正常运转，减少结构引起的
偏磨、振动、附加弯矩等，刀具布置在满足刀间距要 求的同时，还需要考虑下列因素：
(1) 刀盘刀具破岩时负载相等，刀刃两侧侧向反力 平衡；
表5 虎门地铁火车站至商业城区间刀具布置
࠰ާ㊫ර ࠰ާᮠ䟿 ࠰ާо࠰ⴈ儈ᓖᐞ ࠰䰤䐍 ࠰ާᐳ㖞ᯩᔿ ࠰ާ卜ᦏ㊫ර
ѝᗳ࠰ާ ↓┊࠰ 䗩┊࠰
4
31
12
150mm 150mm 150mm
89~110mm 89mm 89~4mm 㷪㓯
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࠷ࡺ࠰ 144
110mm 290mm
--↓ᑨ卜ᦏǃፙ㻲
刀具的研磨。滚刀刀具与切削刀具的高度差值过小
时，会增大刀盘主轴承的负载，也会加速刀具的磨
损，缩短刀具的使用寿命。而过大时则会使刀具切入
深度过大引起崩裂。结合国内盾构机使用情况，刀具
高度与岩土体结构关系如表4所列。
表4 不同岩土体中刀具高度情况
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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。
图3 盘形滚刀在刀盘上的受力示意图
每个滚刀在受到重力Fg作用的同时，在刀面上受 到刀盘转动引起的离心力Fω作用。这些载荷可分解为 刀盘受力的竖直方向Fv和平面方向Fi（Fx和Fy），前 者引起刀盘的倾覆力矩，后者引起刀盘的径向载荷。 因此在布置刀具时需要考虑的力学平衡为：
磨损；滚动刀具的高度应满足破岩要求，并减小切削
ዙ൏䘲ᓄᙗ ዙ㜭࣋ᕪˈѫ㾱⭘Ҿ⺜ዙ ᧈ䘋ˈਟᦒ㻵喯࠰DŽ
䘲⭘Ҿ䖟⺜ዙᧈ䘋
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ዙ㜭࣋
བྷҾ 80MPa
ሿҾ 80MPa བྷҾ 30MPa ਼ৼ࠳┊࠰
਼অ࠳┊࠰
2.2 切削类刀具
刀具只随刀盘转动不具备自转的破岩刀具统称为
切削类刀具，这类刀具通过刮削、撕裂达到破岩及装
刀具是刀盘切削岩土的直接工具，只有在刀具 对掌子面实现完全切削后刀盘刮刀才能顺利的把岩 土刮入土仓内。相反，刀具布置不能完全覆盖刀盘 时，切削的岩土会出现岩脊，进而引起刀盘及刮刀 的快速磨损，降低刀盘的掘进效率，甚至引起断刀 等严重损坏。
目前，刀具在刀盘上的布置方式主要有单螺旋线 式、双螺旋线式和同心圆式三种布置方法，其中螺旋 线式布置法应用的更为广泛。 4.3 刀具高度
Abstract: From engineering point, the most important part of shield system lies in the selection and configuration of cutters. It influence to tunneling excavate effect that whether it suit the geological condition. This paper analysis the selection and collocation of cutter head with the view of the factors of cutter, such as the kind of cutters, collocation of cutters and cutter configuration.
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< L 不出现累积岩脊 > L 出现累积岩脊
刀盘上盘形滚刀的刀间距应该尽量等于L，此时盘
形滚刀为最佳切削效率。
刀具间距大小的确定与岩土层硬度有关，在软岩
中刀间距取值最大，硬岩中刀间距取值最小。刀间距
与工程地质关系如下表3所示。
表3 不同地层对刀间距的要求
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和刀具组合，以便盾构开挖的顺利进行。对软土地 层，一般只需要配置切削型刀具。对于含有岩石的复 合岩土地层，刀盘除配置切削型刀具外，还需要配置 盘形滚刀，以此达到对岩土体的掘进效果。对于分段 地层，可选择安装刀座相同的滚刀和齿刀，在滚刀破 岩效果不是很好时，可以利用滚刀刀座安装齿刀进行 破岩，齿刀轨迹完全与滚刀相同，齿刀刀刃是对称 的，因此刀盘正反转时都可以很好破岩。
关键词：刀具；刀具布置；刀具高度；刀具磨损
Analysis of the Selection and Collocation of the Cutter head
WU Yanhua, LIU Dequan, SHENG Shaoqin
(Guangzhou Shipyard International Company Limited, Guangzhou 510382 )
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。
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110~150mm 㹼〻 40mm
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根据地层中岩石单轴极限抗压强度，确定滚刀刀
间距选择为89~110mm，并采用螺旋线方式布置；在