常见盾构刀盘型式及选用
盾构刀盘刀具使用与管理
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（一）刀具类型与结构形式
（4）周边刮刀
周边刮刀（也称铲刀）采用背装式设计安装于刀盘外
圈，可从土仓内进行更换，用于清除边缘部分开挖渣
土，防止渣土沉积，确保刀盘开挖直径以及防止刀盘 外缘间接磨损。
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（一）刀具类型与结构形式
（4）周边刮刀
周边刮刀的切削面上设有一排连续的碳钨合金齿和一
（3）先行刀
耐磨性结构设计：先行刀按刀盘双向转动设计，齿刀
和撕裂刀可安装在一个特殊设计的刀箱中，并允许根
据刀盘转动方向做适当微动。这种微动的结构设计主 要用来减少先行刀侧面的磨损。必要时，齿刀和撕裂 刀的刀座可设计成与滚刀可互换的结构。此外，先行 撕裂刀也可采用类似的双层耐磨设计，并可在刀具背 部设有双排碳钨合金柱齿。
（一）刀具类型与结构形式
单刃滚刀的安装结构
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（一）刀具类型与结构形式
双刃滚刀的安装结构
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（一）刀具类型与结构形式
（2）切刀
切刀（也称刮刀），用于切削未固结土壤和软岩地层
，并将切削渣土刮入土仓中，既可用于软土盾构刀盘
，如面板式刀盘和辐条式刀盘，也可用于卵砾石地层 及风化岩地层盾构刀盘。 切刀主要由矿山用硬质合金刀刃和刀体组成。其中， 刀刃焊接在刀体上。根据刀刃焊接方式不同可分为附 着式和嵌入式。
个双排碳钨合金柱齿，用于增强刀具耐磨性，以确保 即使在掘进几公里之后刀盘仍然有一个正确的开挖直 径。对周边刮刀而言，单排连续碳钨合金刀齿是足够 的，因为周边刮刀仅其端部切削地层，而切刀在整个 宽度范围切削地层。
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（一）刀具类型与结构形式
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。
不同地质条件下的盾构TBM选型
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土压平衡盾构结构原理
• 土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾 壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装 机、推进油缸、同步注浆系统等组成。
不同地质条件下的盾构TBM选型
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• 刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘 开口进入土仓，泥土落到土仓底部后，通过螺旋输 送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的 碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。 盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用， 承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及将地 下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾 壳的掩护下进行。
不同地质条件下的盾构TBM选型
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土压平衡盾构的概念
土压平衡盾构是在机械式 盾构的前部设臵隔板，在 刀盘的旋转作用下，刀具 切削开挖面的泥土，破碎 的泥土通过刀盘开口进入 土仓，使土仓和排土用的 螺旋输送机内充满切削下 来的泥土，依靠盾构千斤 顶的推力通过隔板给土仓 内的土碴加压，使土压作 用于开挖面以平衡开挖面 的水土压力。
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不同地质条件下的盾构TBM选型
刀盘支承
• 刀盘支承方式有3种： 1）中心支承式（适用于中小型直径盾构） 2）中间支承式（适用于中大型直径盾构） 3）周边支承式（适用于小型直径盾构）
①中心支承方式
②中间支承方式
③周边支承方式
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不同地质条件下的盾构TBM选型
膨润土添加系统及泡沫系统
膨润土添加系统和泡沫系统是盾构掘进的
不同地质条件下的盾构TBM选型
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软土盾构
• 软土盾构是指适用于未固结成岩的软土、 某些半固结成岩及全风化和强风化围岩条 件下的一类盾构。 • 软土盾构的主要特点是刀盘仅安装切刀和 刮刀，无需滚刀。
盾构刀盘刀具在在不同地层刀盘刀具应用
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制造商海瑞克盾构机面板式刀盘
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制造商NFM公司盾构机面板式刀盘
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制造商维尔特TBM面板式刀盘
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辐条式刀盘（日本小松、IHI）
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2、刀盘支撑的形式
隧道掘进机刀盘支撑的形式一般有中心轴式，中 间支撑方式，周边支撑方式等几种。 1）中心轴式一般使用于小直径的盾构机； 2）中间支撑方式一般实用于大中型直径的掘进 机，此种方式一般采用双数横梁进行支撑，广州地 铁二、三号线的德产“先锋号”盾构机就使用了这 种支撑方式，此方式缺点是在软岩条件下，容易在 横梁中间形成泥饼，影响刀具机械性能和掘进速度； 3）周边支撑方式，刀盘由框架支撑，机内中间 空间大，有利于大块岩石和障碍物的处理，此种国 内所使用的掘进机基本少见。
双刃滚刀 双刃中心刀 用于硬岩掘进 ， 在软土中 可以换装齿刀。 刀。 用于硬岩掘进 刀刃距刀盘面175mm，可换装齿
中心齿刀 用于软土掘进，替换滚刀， 更换后可以增加刀盘中心部分的 开口率。
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3、刀具类型
正齿刀
用于软土掘进。 软土刀具。
切刀
弧形刮刀
软岩刀具。 同时在硬岩掘进下可用作刮 渣。
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其中第二次遇孤石损坏：(未提前祥勘处理造成后果)
刀盘前方靠外部出现高强度高达156Mpa，最大外形尺寸达到 2500mm（掘进方向长度）×2700mm（宽）×1800mm（高） 不规则形状的孤石。 刀盘面板14处被磨穿；滚刀遭到严重的弦磨和损坏，其中外 围的滚刀刀体弦磨超过200mm；所有刮刀、外部切刀损坏。
盾构机分类及选型课件
压缩空气辅助盾构机
适用于含水地层掘进，通过压缩空气在切削刀盘前方形成一道气幕，防止泥水 进入切削仓。同时，压缩空气还能起到排土和平衡压力的作用。
按排渣方式分
机械排渣盾构机
盾构机工作原理
盾构机在工作时，首先通过刀盘旋转将地层切削下来，然后 由运输设备将切削下来的土渣运出隧道，接着由拼装机将预 制的混凝土管片拼装成隧道衬砌，最后通过注浆系统将隧道 固定。
盾构机在工作时需要配合使用多种辅助技术，如地层加固、 泥水加压、气压保护等，以保证施工安全和隧道质量。
盾构机发展历程
适用于中小型隧道掘进，通过螺旋输 送机将切削下来的土体排出。机械排 渣盾构机结构简单、维护方便，但排 渣能力有限。
泥水加压盾构机
适用于大断面隧道掘进，通过泥水加 压将切削下来的土体通过泥浆管路输 送到地面处理。泥水加压盾构机排渣 能力强，适用于大断面、长距离掘进 。
按适用地层分
硬岩盾构机
适用于岩石地层掘进，通过硬岩 刀具切削岩体。硬岩盾构机切削 效率高，但刀具磨损较大，需要 定期更换。
果和经济效益。
专家评估
邀请盾构机专家或顾问 对不同型号的盾构机进 行评估，提供专业意见
和建议。
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盾构机应用实例
开敞式盾构机应用实例
开敞式盾构机主要用于挖掘隧道和地下通道，其工作原理 是通过旋转刀盘切割土体，同时将切削下来的土体排出， 形成隧道。这种盾构机适用于地层较为单一、岩石较少的 地区，如河床、平原等。
工期要求
根据施工计划和工期要求，选 择能够满足工期要求的盾构机 型号。
Ф6840 mm土压平衡盾构机复合刀盘
随着现代城市的发展，类似开挖隧道的工程也在不断增多，如各种地下管道的工程、地铁工程和跨海隧道等，盾构机以其机械化程度高、安全可靠、不受地表状况影响，工作环境良好，施工进度快等诸多优点在隧道工程建设中得到广泛应用。
土压平衡盾构机（Earth pressure balance shield machine ，简称EPB ），是隧道建设及地下空间开发领域广泛应用的一种现代化工程机械装备[1]。
它是通过控制推进速度和排土量来保持密封舱内的水土压力和开挖面水土压力之间的平衡，从而维持开挖面的稳定性，有效防止地表变形，主要适用于软土、砂砾或含水等混合地层中的隧道掘进。
刀盘布置在盾构机的最前方（见图1），负责对土体进行掘削，同时对掘削面有一定的支撑和稳定作用，刀盘上中心鱼尾刀负责搅拌土体，保证土体的流动性。
以前的刀盘设计大多数只针对单一地质情况，但是许多地区地质情况复杂，比如大量软土中夹杂坚硬石块等，这时需要既能开挖软土也能破碎岩石的刀盘。
为此，本文专门设计了一种复合式刀盘，该刀盘集中心刀、滚刀、撕裂刀和刮刀于一体，可以充分适应复杂的地质情况。
1刀盘的结构刀盘分为面板式、辐条式和辐板式三种。
本文的盾构机采用辐板式刀盘，它同时兼有面板式和辐条式的优点，能够保持开挖面的稳定，而且掘进扭矩较小。
刀盘的支撑形式分为三种：中心支撑、中间支撑和周边支撑。
本文刀盘采用中间支撑，这种支撑方式多用于直径较大的刀盘，容易满足面板所需载荷强度，土仓中土砂流动性好，进仓作业空间充分。
本刀盘主体由辐板、面板、围板、盲板和法兰焊接而成（见图2）。
其所有外表面均堆焊耐磨层或焊接耐磨板，以增强刀盘表面的耐磨性能。
本刀1.一重集团大连工程技术有限公司工程师，辽宁大连1166002.大连中集特种物流装备有限公司工程师，辽宁大连116600Ø6840mm 土压平衡盾构机复合刀盘张晶1，高兴2摘要：以Ø6840mm 土压平衡盾构机为例，介绍土压平衡盾构机刀盘的功能及组成，各种掘削刀具的结构和作用，指出刀盘设计的难点和重点。
盾构机的刀盘
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 所示。
刀盘
耐磨复合钢板
hardox500
焊接耐磨层
8、刀具
目前使用的刀具一般有两类：一是切削类刀具， 二是滚动类刀具 1）、切削类刀具 刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具， 刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的切削 刀具类有边刮刀、、切刀、齿刀、先行刀、仿形刀、 等。
切刀、边刮刀
撕裂刀
例如：北京直径线，使用NFM的泥水盾构，由于刀盘结构及刀具配置不 合理，造成刀盘刀具的过度磨损，在推进67米后停机。
3、个性化 盾构在施工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。刀盘刀具不 可能是千篇一律的，必须根据工程地质情况进 行个性化设计。
4、多样化 随着城市建设的加快，土地资源越来越珍贵， 为了节省空间，越来越多的异形盾构出现，刀 盘也随之变得各式各样。
沈阳
成都
辐条式刀盘，开口率68%，中间 支撑，中空式连接法兰，设有泡 沫和膨润土注入口。耐磨设计采 用耐磨焊条堆焊耐磨层方式。 配有94把重型切刀，36把撕裂 刀，周边保径撕裂刀6+12把， 中心鱼尾刀1把，仿形刀2把。 刀具布置也是遵循内少外多的原 则，保证刀具磨损的均匀性并利 于保径、防止刀盘过度收敛。
刀盘简介
卓兴建
一、概述
1、作用 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、重要性 刀盘是盾构机的关键部件之一，刀盘及刀 具的选择是否合适直接影响盾构掘进机的切削 效果和掘进速度，甚至关系到盾构施工的成败。
2）盘形滚刀工作原理 刀盘在纵向油缸施加的推力作用下，使其上的盘形滚刀压入岩石；刀盘在 旋转装置的驱动下带动滚刀绕刀盘中心轴公转，同时各滚刀还绕各自的刀轴 自转，使滚刀在岩面上连续滚压。刀盘施加给刀圈推力和滚动力（转矩）， 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）
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单刃滚刀也叫盘形滚刀，用于硬岩地层的掘进，刀圈高于刀盘面板175mm,其刀圈可以更换，根据岩石的强度可以选用破岩能力不同的刀圈。
掌子面与刀盘面间碴土空间大，利于流动，可根据开挖地层的条件与齿刀实现互换，所以它们的刀座相同。
盾构选型及参数计算方法
盾构选型及参数计算⽅法盾构选型及参数计算⽅法1.1、序⾔盾构是⼀种专门⽤于隧道⼯程的⼤型⾼科技综合施⼯设备，它具有⼀个可以移动的钢结构外壳（盾壳），盾构内装有开挖、排⼟、拼装和推进等机械装置，进⾏⼟层开挖、碴⼟排运、衬砌拼装和盾构推进等系列操作，使隧道结构施⼯⼀次完成。
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，从松散软⼟、淤泥到硬岩都可应⽤，在相同条件下，其掘进速度为常规钻爆法的4～10倍。
较长地下⼯程的⼯期对经济效益和⽣态环境等⽅⾯有着重⼤影响，⽽且隧道⼯程掘进⼯作⾯⼜常常受到很多限制，⾯对进度、安全、环保、效益等这些问题，使⽤盾构机⽆疑是最好的选择。
些外，对修建穿越江、湖、海底和沼泽地域隧道，采⽤盾构法施⼯，也具有⼗分明显的技术和经济优势。
采⽤盾构法施⼯，盾构的选型及配置是隧道施⼯中关键环节之⼀，盾构选型应根据⼯程地质⽔⽂情况、⼯期、经济性、环境保护、安全等综合考虑。
盾构的选型及配置是⼀种综合性技术，涉及地质、⼯程、机械、电⽓及控制等⽅⾯。
1.2盾构机选型主要原则1.2.1盾构的选型依据盾构选型主要应考虑以下⼏个因素：1）⼯程地质、⽔⽂条件及施⼯场地⼤⼩。
2）业主招标⽂件中的要求。
3）管⽚设计尺⼨与分块⾓度。
4）盾构的先进性、适应性与经济性。
5）盾构机⼚家的信誉与业绩。
6）盾构机能否按期到达现场。
1.2.2 盾构的型式1）敞开式型盾构敞开式型盾构是指盾构内施⼯⼈员可以直接和开挖⾯⼟层接触，对开挖⾯⼯况进⾏观察，直接排除开挖⾯发⽣的故障。
这种盾构适⽤于能⾃⽴和较稳定的⼟层施⼯，对不稳定的⼟层⼀般要辅以⽓压或降⽔，使⼟层保持稳定，以防⽌开挖⾯坍塌。
有⼈⼯开挖盾构、半机械开挖盾构、机械开挖盾构。
2）部分敞开式型盾构部分敞开式型盾构是在盾构切⼝环在正⾯安装挤压胸板或⽹格切削装置，⽀护开挖⾯⼟层，即形成挤压盾构或⽹格盾构，施⼯⼈员可以直接观察开挖⾯⼟层⼯况，开挖⼟体通过⽹格孔或挤压胸板闸门进⼊盾构。