盾构刀具磨损分析
盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速度的影响
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；. 盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速度的影响
摘要:土压平衡式盾构机的刀盘具有切削、支撑、搅拌、土体改良等功能，因此在控制掘进效率、保持开挖面的稳定等方面起着决定性的作用。盾构选型时必须结合地层的特殊性和通用性来确定刀盘型式、刀具的布置形式以及他们之间的组合方式。刀盘结构的改造是为充分发挥不同地层条件下辐条式刀盘和面板式刀盘的独特优势，实现两者间的转换。将面板式刀盘的六块面板的装配形式改为栓接加焊接的形式。刀具布置形式优化是根据刀具的作用和运动轨迹对刀具的位置、形状进行合理的优化布置，增强刀具的切削能力、降低土体对刀具磨损进而达到保护刀盘本体，为盾构长距离掘进提供保障。
关键词:辐条式刀盘;面板式刀盘;刀盘结构设计;刀具布置形式
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；. 前言
伴随着我国城市化进程的加快，城市建设快速发展，城市规模不断加大，城市交通呈急剧增长的态势，21世纪将是中国城市轨道交通的新纪元，经济发展将会伴随更大的都市化，地铁交通的建设将促使城市的发展，甚至成为一个急迫的任务。
盾构机在隧道施工中，通过刀盘刀具对前方土体进行切削，刀具与土体的适应程度至关重要。盾构是集液、电、气于一体的大型机械化专用施工设备，目前应用最广泛的是闭胸式盾构，主要分为泥水式和土压平衡式。土压平衡式盾构机在复杂多变的地质条件下，其刀盘的结构型式、刀盘的支撑形式、刀具的选型、刀具的布置将直接影响到设备掘进的效果。刀盘刀具于前方土体不适应，将使盾构掘进非常缓慢甚至寸步难行，直接影响到盾构机的工作效率、工程进展及工程的经济效益。
由于刀具是易损件，消耗量大，如果只是依靠进口刀具不仅供货期长，而且成本高，所以使用国产刀具势在必行。
在掌握盾构刀具切削机理和深刻认识刀具磨损相关因素的基础上，针对不同的施工地质进行刀盘刀具的选择、刀具的布置等盾构掘进设备最关键、最核心的问题，进而实现盾构机的国产化就显得尤为必要。
1 刀盘的布置
针对不同的地层情况以及设备等情况，盾构的刀盘形式有很多，其主要功能为以下儿点：
复合地层中盾构机刀具磨损原因分析及更换案例
科技信息 。建筑与工程Ｏ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１０年第５期
复合地层中盾构机刀具磨损 原因分析及更换案例
王永喜 （中铁七局三公司 陕西 西安７１００００） 【摘要】本文通过对复合地层中盾构机掘进时刀具磨损严重、造成被动停机的经过分析，查找出了刀具磨损的原因，叙述了刀具更换的方 法，并总结了其中的经验教训，以便为同行业人员提供参考。 【关键词】盾构机；刀具磨损；原因分析；更换
１ 工程概况及地质描述４前两次刀具更换情况 工程处于深圳地铁５号线，区间长度１２７８ｍ，管片拼装８５２环。该 标段位于深圳市宝安区，所在地区为海积平原、冲洪积平原，地形略有 起伏，沿线地面建筑物较多（上有大规模住宅小区、酒店及立交桥），道 路两侧存在密集的电力、电信、雨水、上水、污水、燃气、路灯等地下管 线管道，地下管线管道的走向与道路平行，局部斜交。施工干扰因素较 多、技术难度较大。 该区间主要穿越的是砾质黏性土和全风化花岗岩．局部进入中风 化、微风化花岗岩（基岩），而且花岗岩风化土中不均一存在花岗岩风 化残留体（孤石）。另外，存在多处孤石和近８０ｍ硬岩突起，岩石强度 在４５．４ＭＰａ～１９１．５ ＭＰａ之间，孤石大小各异，厚度在Ｏ．７ｍ一１．８ｍ之间， 其中最大孤石尺寸为７．８ｍ￣２．５ｍ￣１．８ｍ（长×宽×高），基岩侵入隧道高度 在０—４ｍ之间。隧道顶部覆土厚度仪为１０．９ｍ～２３．６ｍ。 ２不良地段的预处理措施 区段地质复杂，对勘探出的不良地段进行＿『预处理。在距始发点 ５０—１０４环段孤石及基岩采用深孔爆破技术进行地下爆破预处理，在 松动和破碎后，盾构机掘进通过。在距始发点２６０—３１７环微风化花岗 岩地段，采用地面开挖竖井进行矿山法施工，盾构机空推通过。 ３盾构机刀具配置 该项目盾构机为海瑞克ＥＰＢ６２５０型，刀具配置为中心双刃滚刀４ 把、单刃滚刀３１把、刮刀６４把、边缘铲刀１６把和超挖刀１把。滚刀设 计成１７”刀刃，滚刀安装高度为１７５ｒａｍ，刀间距１００ｎｕｎ，特点是，滚刀 在推力的作用下贯人岩石，同时在开挖面＿卜呈同心圆滚动，岩石被挤 压破碎．最终在刀盘推力作用下在切槽两边的岩石成片状破碎。刮刀 与单刃滚刀组合的布局方式，刮刀高度１４０ｍｍ，与滚刀高差为３５ｍｍ， 刮刀在刀盘的四个方向分两列布置，其宽度使得每把刀的切割滚迹在 对开挖面先行挤压破碎后由刮刀进行切削，完成间距内的切削效果。 边缘铲刀用来校准盾构的开挖直径。超挖刀用于盾构曲线施工时的超 挖及盾构姿态的调整。 该盾构机滚刀和刮刀、铲刀混合配置的组合方案设计，既能有效 开挖各种淤泥、砂土、粘土，又能适应各种全、强、中、微风化岩等，应对 复合地层非常合理，并且经过１６００米的掘进实际验证，也是非常成功 的。刀具布置如下图： 该区段始发后按预定计划实施了两次换刀，计划在到达矿山法竖 井时进行整体整修。 第一次在距始发点４８环位置．到达预先进行地面注浆加固区后。 常压开仓更换换单刃滚刀９把。检查其它刀具轻微磨损。更换的刀具 磨损、损坏情况如下表：
浅谈盾构刀具使用及维修管理
浅谈盾构刀具使用及维修管理
盾构机是现代城市地下工程中常用的一种重要设备，它能够在地下隧道开挖工程中发挥重要作用。而盾构机中的刀具则是其关键部件之一，直接影响到盾构机的施工效率和质量。对盾构刀具的使用和维修管理非常重要。本文将从盾构刀具的使用、维修和管理三个方面进行详细的介绍。
一、盾构刀具的使用
1. 刀具的选择
在选择刀具时，首先需要根据盾构机的工程要求和地质条件等因素进行分析，选择适合工程要求的刀具。一般来说，盾构刀具主要包括刀盘、刀架和刀齿等部件，需要确定刀具的类型、规格和材质等参数。
2. 刀具的安装
在安装刀具的过程中，需要注意刀具的装配顺序和位置，确保刀具的固定牢靠。还需要根据刀盘的旋转方向来确定刀具的安装方向，以确保刀具能够有效地进行开挖作业。
3. 刀具的使用
盾构刀具在使用过程中需要注意刀具的磨损情况，及时对磨损严重的刀具进行更换。在进行盾构作业时需要注意刀具的进刀速度和进刀深度，以确保刀具能够有效地进行开挖作业而不会出现卡刀或者切削质量差的情况。
1. 刀具的清洗
在进行盾构刀具的维修时，首先需要对刀具进行清洗，去除刀具表面的油污和杂质等物质。清洗刀具时需要选用适当的清洗剂和工具，以确保刀具清洗干净。
2. 刀具的修复
盾构刀具在使用过程中会出现不同程度的磨损和损坏，需要进行修复。刀具的修复主要包括磨削、焊接和涂覆等工艺，以恢复刀具的使用功能。
3. 刀具的保养
在盾构刀具的日常维护中，需要对刀具进行定期的润滑和保养，以延长刀具的使用寿命。还需要对刀具进行质量检测和磨损监测，及时发现刀具的异常情况并进行处理。
1. 刀具的库存管理 为了确保盾构刀具的正常使用，需要进行刀具的库存管理。在刀具的采购过程中需要定期进行库存盘点，及时补充库存中的不足之处，并做好刀具的使用记录和管理。
刀具的受力计算和磨损
一．
软土泥水盾构切削刀具的切削力计算模型：
刀具的磨损判断和计算模型：
上海长江隧道盾构机刀具磨损检测和更换 陈向科 黄忠辉
二．
盾构刀盘开口大小和位置的选择。刀具的合理配置，包括滚刀、切刀、齿刀的合理配置。
成都砂卵石地层盾构刀盘与刀具的选择 郭家庆
三．
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。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。
齿刀工作原理在岩石较软的情况下掘进时，如果盘形滚刀与岩石掌子面之间不能产生一定的附着力，使滚刀产生滚动，滚刀将会产生弦磨。滚刀不能滚动，将失去有效的破岩功能，此时在较软的岩层中可以采用齿刀进行破岩，齿刀安装方式同滚刀。由于齿刀上装有二个切削刃，因此刀盘正反转时齿刀都能进行破岩，见图3。
切刀（刮刀）工作原理见图4，在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过切刀（刮刀）进行开挖，渣土随切刀（刮刀）正面进入渣槽，因此切刀（刮刀）既具有切削的功能也具有装载的功能。
土压平衡盾构刀盘结构探讨 何其平
四．
盾构机掘进中刀具损坏及维修措施探讨
盾构机掘进中刀具损坏及维修措施探讨
摘要：在盾构机掘进过程中当遇到一些硬岩地段时，极易造成刀具和刀盘的损坏，因此需要掌握换刀及刀盘修复技术。文中从盾构刀具损坏形式、刀盘刀具的检查和更换，以及刀具维修措施进行了具体的阐述。
关键词：盾构机掘进；刀具损坏；维修措施
引言
在隧道工程掘进过程中，盾构机以其遍效、安全和优质等优点，使用越来越广泛，但在具体掘进过程中盾构机会遇到各种复杂的地形，特别是底层具有较大的变化，因此需要根据地质条件来选择刀具，并进于刀盘的配置，这不仅有利于刀具的使用寿命，而且对工程的顺利进行也具有非常重要的意义。
一、盾构机掘进中刀具损坏形式
1、刀圈偏磨
这是刀具非正常损坏的主要形式，是指在掘进过程中刀圈表面被磨成一条或几条弦。刀圈偏磨主要是因为轴承损坏或浮动密封损坏，导致岩屑或铁屑进入刀体，使得轴承不能正常转动，进而刀圈也不能正常转动，引起刀圈的偏磨。
2、刀圈断裂
一般是由于在掘进过程中出现大块岩石掉落，砸到刀圈；或者由于刀盘其他零件（如铲齿等）脱落而卡在刀刃与岩壁或两个刀刃之间；或者由于隧道掌子面围岩变化较大都会导致刀圈因为局部过载而使得刀圈所受应力集中，产生断裂。在施工过程中应注意观察前往围岩情况，合理调节掘进参数，以减少出现大块岩渣掉落的情况。
3、刀圈卷刃
是指在隧道围岩比较坚硬，岩石抗压强度比较大时，为了顺利掘进，推进力增大，导致刀具受力过大，引起刀圈卷刃；或者因为刀圈材质软，韧性不够大而造成刀圈卷刃。针对此种损坏形式，一方面需要增强刀圈的韧性，硬度等特性使其适应更加坚硬的岩石；另一方面在掘进过程中遇到坚硬岩石时，应合理调节掘进参数，降低贯入度和刀盘转速并且降低刀盘推进力，这样就可以最大限度地降低刀圈卷刃的发生。
北京砂卵石地层盾构机刀盘磨耗分析及工程措施
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北京砂卵石地层盾构机刀盘磨耗分析及工程措施
Ｗｅａｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｈｉｅｌｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｃｕｔｔｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓａｎｄ ａｎｄ Ｇｒａｖｅｌ
Ｓｔｒａｔｕｍ ａｔ Ｂｅｉｊｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍｅａｓｕｒｅｓ
豳长春市轨道交通集团有限公司 李朝／ＬＩ Ｚｈａｏ 武汉地质勘察基础工程有限公司 龚艳霞／ＧＯＮＧ Ｙａｎｘｉａ 长春市轨道交通集团有限公司 林森／ＬＩＮ Ｓｅｎ张永Ｊ￣／ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇｑｉｎｇ赵国伟／ＺＨＡＯ Ｇｕｏｗｅｉ
摘 要：减小盾构机刀具磨损是保证盾构机能够长距离掘进的重要措施，对于砂卵石地层该项工作尤其受到重 视。本文以北京地铁１０号线石榴庄路到大红门区问盾构隧道施工为背景，依据刀盘的实际磨损情况，对盾构刀盘在砂卵 石地层施工时导致刀具、刀盘磨损的因素进行了分析，给出了提高盾构刀盘耐用性的工程措施，为城市地铁盾构机长距 离掘进施工提供了经验。
关键词：土压平衡盾构机 刀盘磨损 刀盘寿命耐用性
随着盾构法在国内地铁施工中的广泛使用，刀具磨
损已经成为一个影响盾构隧道施工质量和进度的关键 问题 ０］。刀盘作为盾构机的一个关键部件，在地下掘
进过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层
到软岩及硬岩等，开挖过程中受力十分复杂，工作环
境恶劣，特别是在砂卵石地层，盾构刀具往往磨损严
重，容易破损、脱落，经常导致工程事故的发生，给
整个工程的工期、造价带来严重的影响，甚至威胁人的 生命。因此，研究如何减小盾构刀盘的磨损，探究引起
磨损的各项因素对延长盾构机掘进距离，提高盾构机
的工作效率具有重要意义。
１ 工程概况 北京地铁１０号线二期工程石榴庄路到大红门
区问隧道呈东向西布置，其左线区间起讫里程为
Ｋ３２＋２１４．２５１～Ｋ３３＋２９３．１３，隧道全长１ ０７５．８６５ ｍ，覆
土厚度６．５～２３．８ ｍ。区间隧道穿过地层主要为：卵石、
盾构机的刀盘
23 盾构机的刀盘
北京固本科技有限公司 胡建平
盾构机的刀盘是一种用于隧道暗挖施工 ,具有金属外壳 ,壳内装有整机及辅助设备 ,在钢壳体掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业 ,而使隧道一次成形的机械。盾构机按掘进方式分为人工、半机械和机械化形式。目前机械化盾构发展较快 ,它由刀盘旋转切削地层 ,采用螺旋输送机或泥浆管运送渣土 ,在壳体内拼装预制管片 ,依靠液压千斤顶推进。
一、盾构机的刀盘
1.刀盘布置及磨损分析
1.1刀盘布置
刀盘的结构既要考虑刀盘的开挖性能 ,又要考虑渣土的流动性及掌子面的稳定性。刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况。本工程中盾构主要穿越砂性土 ,砂性土摩擦阻力大 ,渗透性强,在盾构的推进挤压下水分很快排出 ,土体强度提高 ,故不仅盾构推进摩擦阻力大 ,而且开挖面土压力也较大 ,对刀盘的磨损会比较严重。另外 ,盾构土仓内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体 ,因此需要设置渣土改良设备。鉴于上述工程实际情况 ,本工程盾构机采用了如图 1所示的辐板式刀盘。盾构刀盘由钢结构件焊接而成 ,目前其主流形式有面板式、辐条式及介于二者之间的幅板式。辐板式刀盘兼有面板式和辐条式刀盘特点 ,由较宽的辐条和小块幅板组成 ,刀具分别布置在宽辐条的两侧和内部。辐板式刀盘不仅使得土压平衡更易于控制 ,土砂流动顺畅 ,不易堵塞刀盘开口 ,且刀盘扭矩阻力小 ,保证有较好的掘进性能 ,又能节省设备投资 ,而且较大的面板有利于布置较多的刀具 ,同时较小的开口率也有利于保护本工程中容易坍塌的砂性土围岩的稳定。
1. 2 盾构机磨损情况
盾构机到达重工街站后 ,立即对盾构机及刀盘进行清理、检查 ,发现盾构机刀盘外周磨损非常严重。盾构刀盘本体外缘侧板磨损在纵向方向上呈现中间大、两头小近似 V形 ,在
24 整个侧环面上形成一圈磨损凹槽 ,凹槽中部磨损平均为 22 mm,两侧磨损平均为 15 mm,如图 2 a 所示。刀盘本体外周边缘在纵向方向上磨损约为 160 mm,从外周边缘到刀盘中心径向方向上磨损约为 180 mm,以致在刀盘外周边缘形成一个近似三角形的磨损区 ,如图 2 b
硬岩地层盾构掘进刀具磨损趋势研究QC小组
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授课：XXX 硬岩地层盾构掘进刀具磨损控制技术QC小组
中铁五局大连地铁1号线103标 希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！
授课：XXX QC小组注册及课题登记表
QC小组名称 硬岩地层盾构掘进刀具磨损控制 所属部门 机械物资部
成立日期 年 月 日 登记日期 年 月 日 注册号
小组成员情况 顺序 姓名 性别 职称 文化程度 组内
职务 顺序 姓名 性别 职称 文化
程度 组内
职务
1 龚彬 男 工程师 本科 组长 5 彭冠润 男 助理工程师 本科 成员
2 顾国政 男 助理工程师 本科 副组长 6 周龙 男 助理工程师 本科 成员
3 蒋庆召 男 助理工程师 本科 组员
4 李吉 男 助理工程师 本科 组员
小组成员掌握（TQM）情况：一般 2 人；熟悉 4 人
获奖情况 年份 成果名称 级别 年份 成果名称 级别
课题名称 硬岩地层盾构掘进刀具磨损控制 课题起止日期 2011年8月～2012年4月 希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！
授课：XXX 选题理由 选题理由：
1、在硬岩地层采用盾构法施工，盾构机是其主要生产工具，盾构机的工作状态就很大程度上决定了整个工程的进度。盾构机既属于粗犷型设备又属于精密控制设备，特别是刀具系统，对隧道开挖起着直接作用，因此研究盾构机刀具磨损趋势，如何减少对刀具的磨损、防止不正常磨损以及如何加强对刀具的管理等技术措施对加快施工进度、降低施工成本以及保证施工安全都具有重要意义。
2、为以后在类似地质条件下盾构选型及改造有着积极的参考价值。
3、通过对此课题的研究，也能采集大量的作业数据，也为类似地质条件提供大量积极的参考价值。 希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！
授课：XXX 可行性分析 预期目标
经过对硬岩地层中采用盾构法施工技术的研究，预期达到的目标如下：
土压平衡盾构机刀盘结构介绍和维护
土压平衡盾构机刀盘结构介绍和维护
单位：中铁十四局隧道公司长株潭一工区 姓名：王岚
内容提要：本文介绍了盾构机刀盘的结构、刀具的类型、刀具破岩机理和维护。
关键词：盾构机；刀盘；刀具；刀具磨损；刀具维护
刀盘是盾构机的切削工具，是盾构机的主要工作部件。刀盘旋转时，刀具切削隧道掌子面的土体，对掌子面的地层进行开挖，开挖后的碴土通过刀盘的开口进入土仓；同时支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能；对于土压平衡盾构，刀盘对土仓内的碴土进行搅拌，使碴土具有一定的塑性，然后通过螺旋输送机将碴土排出。施工过程中，其工作条件极其恶劣，受力复杂，是盾构机检查维护的主要部件，其结构特点结合刀具布置形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.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.刀具的布置
刀具的布置有两种方式:
（1）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。
（2）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。
3.常用的主要刀具种类
盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。根据不同地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合，实现刀具配置的灵便性，提高刀盘的开挖效率。目前盾构机上常用的主要刀具有切刀、刮刀、齿刀、双刃滚刀、单刃滚刀等。
图1 刀具的示意图和实物照片
3.1滚刀
3.1.1滚刀的分类
滚刀分为单刃滚刀和双刃滚刀。
盘形滚刀刀圈 盘形滚刀
单刃滚刀 双刃滚刀
盾构机滚刀
- - 1 - - 盾构机滚刀
北京固本科技有限公司 胡建平
盾构机滚刀布置和盾构机滚刀说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 盾构机滚刀工作
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。
2 影响盾构机滚刀破岩效率的因素：
根据以往工程实践及试验数据，影响盾构机滚刀破岩效率的因素有：
1) 脆性/塑性:是对抗压强度、抗拉强度的综合评价，适用于抗压强度较大(小)，而抗拉强度较小(大)岩石。有关文献资料显示在同样条件下，脆性岩体在挤压阶段所需时间远远小于塑性岩体(约八分之一)。
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。 - - 2 - -