盾构机刀盘的控制特点及布刀方式
盾构机刀盘设计要点探究
盾构机刀盘设计要点探究盾构机刀盘设计五花八门，主要设计依据是盾构隧道的地质条件。
但针对相同地质条件，各制造厂家基于各自的理念设计出的刀盘又不尽相同。
作为使用单位，在进行设计联络、设计评审时，如何入手，如何判定优劣呢？刀盘设计的适应性判断是考虑问题的出发点。
刀盘结构外形的差异并不重要，只要结构强度满足力学要求，即满足极限条件下的推力、扭矩的要求即可。
我们需要关心的是另外几方面的问题：一、刀盘开口率刀盘开口率是指刀盘留空面积占整个刀盘面积的百分比。
这部分留空面积，是切削渣土的运动通道。
渣土脱离土体后，在重力及刀具刮削作用下，沿刀盘开口流动到土仓。
搅拌后，从土仓底部螺旋输送机排出。
开口率的大小对应的是渣土排放的效率。
若取值过小，破碎（切削）的渣土不能及时进入土仓，滞留在刀盘前方，跟随刀盘做摩擦运动，随着温度升高，会固结在刀具、辐条等部位形成泥饼。
因此，在结构强度允许的情况下，开口率尽可能地取较大的值较好。
开口率的取值对应刀盘的常态转速。
开口率的计算公式：K=1/（r+1）其中：K——开口率（%）r——刀盘转速（rpm）刀盘转速是一个从0到Rmax的范围值。
通常是连续可调的。
但刀盘的开口率是固定的，一经设计、制造成型就不可更改。
因此，确定刀盘开口率需要预先评估针对隧道地质条件下刀盘的经常工作状态，根据刀盘的常态转速来确定刀盘的开口率。
岩土硬度高、结理发育差的地层，刀盘转速应较大。
相应的，对刀盤开口率要求就小。
这与高硬度岩土开挖效率低，出渣量小的施工形态是对应的。
反之，岩土硬度低、结理发育丰富地层（如全、强风化地层），刀盘转速应较小。
对刀盘开口率要求就大。
例如，我单位施工的莞惠城际轨道交通GZH-6项目隧道地质主要是弱风化混合片麻岩，岩体较硬。
对于这类地层，施工时刀盘常态转速的经验值在1.5～2rpm之间。
据此，计算出开口率的值K在40%～33%范围内。
根据强度优先的原则，采用辐条+面板的结构形式。
结合刀具的布置等其它因素，刀盘开口率最后结果值是31%。
盾构刀具简介
盾构刀具简介吕志峰，刘玉海，刘学红山东天工岩土工程设备有限公司，山东聊城252000)摘 要：盾构刀具是盾构机切削岩土的工 具。
本文介绍了盾构机用刀具的分类，扼要叙述了盾构机 的切削 刀具和滚压刀具的功能、形状、用材及制造工 艺，对盾构机用刀具的使用者与管理者有借鉴作用。
关键词：盾构刀具；切削刀分类；滚刀结构；刀具焊接 中图 分类号：TD421.2+5 文献标志码：BIn troductio nto Shield Machi neCutterLU Zhi-feng, LIU Yu-hai, LIU Xue-hong(Shandong Techgongeotechnica Engineering Equipment Co., Ltd, Liaocheng 252000 Shandong ProvincChina)Abstract: The shield machine cutter is a type of tool employed by a shield machine to cut n&cSoil. The paper describes the category of shieldmachinecutters and focuses on the function, shape, material, and manufacturing process of cutters and rolling cutters used on the shieldachine. It can function as a referencfor the usersand keepers of shield machinecutters.Key words: shield machine cutterthe category of shield machine cutters; the structure of rollingutters;the cutter welding经历了从依赖进口到平分国内市场 ，到部分产品 出口的过程。
盾构机刀盘的变频控制
计 算机 光盘 软件 与应 用
２ １ 第 ４期 ０ ２年
Ｃｍ ｕ ｅ Ｄ Ｓ ｆｗ ｒ ｎ ｐ ｌ ｃ ｔ ｏ ｓ ｏ ｐ ｔ ｒＣ ｏ ｔ ａ ｅａ ｄＡｐ ｉ ａ ｉｎ 工 程 技 术
盾构机刀盘的变频控制
李 驰 ，朱 岩 北方重 工集团有 限公 司盾构机 分公司 ，沈 阳 Ｉ０ ４ ） １１ １
ｃ ｉ ｄ ｒ ｏｐ ｈ， ｔ ｅｓ ｌ ｉ ｅｉ ｃ ｎ ｂ ｉｄ ｔｅｒｎｇ ｙｌｎ ｅ ｓｔ ｕｓ ａ ａｎｅｔｍ ｔ ａ ｕ ｌ ｈ ｉ ，ｍａ ｅａｃ ｍ ｐ ｅｅｔ ｎ １ Ｏｎｔ ｅｍ ａ ｈｉｅ ｔ ｅｃ ｔｅ ｅ ｄｉ ｒ ｍｐｏ ｔｎ ， ｈ ｔ ｋ ｏ ｌｔ ｕｎ ｅ ． ｈ ｃ ｎ ， ｕ ｒｈ ａ ｓｖｅｙ ｉ ｈ ｒａ ｔ
［ 朝
备 。具有 开挖 速度 快 、质 量高 、人 员 劳动 强度 小 、安全 性高 、对
地表 沉 降和 环境 影 响小等 优 点 ，与传 统 的钻爆 法 隧道 施工 相 比具
AVN2440DS泥水平衡式盾构机刀盘控制系统简述
１ 概
述
ＡＶＮ２ ４ ＤＳ泥 水 平 衡 式 盾 构 机 是 从 德 国 海 瑞 克 公 司 引 进 的ｏ。盾 构 机 内 径 ２ ４ ｍｍ、外 径 ４０ ４０ ３ ６ ｍｍ，４ 主机 全长 １ ． ９ ｍ，７节 拖 车共 长 ５ ． ｍ。主 要 由 刀 盘 驱动 、推 进 、导 向 、管 片 安 装 、 １０ 节 ４ ６６ ６３
信 号模 块 可供 ８路模 拟信号 的输入 输 出 。控 制 系统 集成 度 与 准确 度 非 常高 ，Ｐ Ｃ之 间采 用 Ｐ ｏｉｕ 联 Ｌ ｒｆ ｓ ｂ 系通信 ，最长通 信距 离可 达 １ ｋ ５ ｍ。下 面 主要对 电气控 制 系统和 液压控 制 系统进行 介绍 。
２ １ 电气 控 制 系统 ．
２ 控 制 系统
该 盾构 机控制 系统 分 为 电气控 制 系统 、液 压控 制 系统 、激 光 导 向测 量 系统 和 Ｐ Ｃ （ 编 程逻 辑 控 Ｌ 可 制 器 ）系统 。Ｐ Ｃ为西 门子 ｓ —０ Ｌ ７３ ０型 ，每个输 入输 出模块 都可 供 ３ 路 数字信 号 的输入 输 出 ，还有 模拟 ２
２ 刀盘油 泵 电机 启动 盾构 司机 按下 １ —Ｓ （ 动 ／ 止 ）向 Ｐ Ｃ — ６ ２ ３ ． ） ３７ ２ 启 停 Ｌ ９２ Ｄ Ｅ ６ ３发 出启 动指 令 （ ９ １ ） １ ８ 一 ，男 ，２ ０ ０ ２年华北航天工业学院毕业 ，工程师，长期从事盾构 施工技术管理工作。
盾构机刀盘冷冻施工工法
盾构机刀盘冷冻施工工法盾构机刀盘冷冻施工工法前言随着城市化的快速发展，地下空间的开发与利用越来越重要。
在地下隧道的建设中，盾构机技术得到了广泛应用。
盾构机刀盘冷冻施工工法是一种创新工法，通过对土层进行冷冻处理，以稳定地层，使盾构机顺利推进，减小地层沉陷，保证施工安全与质量。
工法特点盾构机刀盘冷冻施工工法的特点如下：1. 安全可靠：通过对地层进行冷冻处理，能够有效控制地层的沉陷和变化，减少地层的破坏，保证盾构机的安全推进。
2. 施工速度快：通过冷冻处理，地层的强度得到提高，可以加快盾构机的推进速度，缩短施工周期。
3. 形成稳定施工面：冷冻处理可以减少地层的水分含量，提高土壤的粘聚力，形成坚硬的施工面，便于盾构机的推进和定位。
4. 降低地下水位：冷冻处理可以降低地下水位，减少地下水对施工的干扰，保持工作环境的安全和稳定。
适应范围盾构机刀盘冷冻施工工法适用于以下情况：1.地质条件复杂的地层，如含有大量水分或含有松散物质的地层。
2. 需要保护地下管线或基础设施的地下工程。
3. 对施工周期有要求的工程，通过冷冻处理可以加快施工进度。
4. 施工现场有限的空间，需要通过冷冻处理来控制施工风险。
工艺原理盾构机刀盘冷冻施工工法是通过冷冻剂降低地下土壤的温度，使其中的水分冻结成冰，形成一道冻结墙来固化地层。
具体而言，冷冻剂通过管道输送到地下土壤中，冻结土层的水分形成冻结墙。
冻结墙的形成可以减低地层的水分含量，提高土壤的强度和抗变形能力，从而稳定地层，确保盾构机顺利推进。
施工工艺盾构机刀盘冷冻施工工法的施工过程主要分为以下几个阶段：1. 前期准备：包括勘测、设计、地面预冷、设备调试等工作。
2. 冻结墙施工：通过设置冻结井和冻结管道，将冷冻剂输送到地下，形成冻结墙，固化地层。
需要根据实际工程情况确定冻结墙的直径、深度和间距。
3. 盾构机推进：在冻结墙固化后，盾构机可以顺利推进。
在推进过程中，需要控制推进速度和土层的变形情况，确保施工质量和安全。
盾构刀盘驱动系统的原理
盾构刀盘驱动系统的原理盾构刀盘驱动系统是一种用于地下隧道掘进的大型机械设备。
它的工作原理是通过刀盘的旋转来推进掘进机，同时利用刀盘的破碎和掘进轨迹的稳定性来完成地下隧道的开挖工作。
盾构刀盘驱动系统由刀盘、刀盘驱动装置、刀盘液压系统和刀盘轨迹控制系统等部分组成。
刀盘是盾构机的核心部件，它由大量的刀具和刀齿组成。
在工作时，刀盘通过转动来破碎地质体，同时将破碎的土石等物料通过刀盘周围的物料间隙排出。
刀盘的转动速度和转向可以根据需要进行调整，以适应不同地质条件下的掘进工作。
刀盘驱动装置一般通过电机或液压系统来驱动刀盘的转动。
其中，电机驱动系统采用电动机作为动力源，通过齿轮减速机将电机的旋转速度转换为刀盘的旋转速度。
液压驱动系统则通过液压泵将液压油送入刀盘液压马达，产生马达的旋转力矩，从而推动刀盘的转动。
两种驱动方式可以根据需要进行选择，具有各自的特点和适用范围。
刀盘液压系统主要用于提供刀盘驱动所需的液压力和控制。
液压系统中的液压油通过泵站和管线输送到刀盘液压马达，产生马达的旋转力。
同时，液压系统还包括控制阀和传感器等部件，用于监测和调节液压油的流量和压力，从而实现对刀盘转动速度和力矩的控制。
刀盘轨迹控制系统是盾构机的关键部分，它的作用是确保刀盘的掘进轨迹稳定和准确。
该系统主要由测量传感器、控制系统和液压控制单元组成。
测量传感器可以测量刀盘的位置和姿态，将数据传输给控制系统。
控制系统基于传感器的数据，计算并控制刀盘的转动速度、推进力和方向，使刀盘按照预定的轨迹掘进。
盾构刀盘驱动系统使用比较广泛，其原理是通过刀盘的转动来推进掘进机，并利用刀盘的破碎和掘进轨迹的稳定性来完成地下隧道的开挖工作。
通过刀盘驱动装置提供动力，液压系统提供液压力和控制，刀盘轨迹控制系统确保刀盘的轨迹稳定和准确。
这种驱动系统具有高效、稳定和可靠的特点，适用于各种地质条件下的地下隧道掘进工程。
盾构施工原理与特点
盾构施工原理与特点盾构，是一种较为先进的地下工程施工方法，具有许多独特的原理与特点。
下面将详细介绍盾构施工的原理与特点。
首先，盾构施工的原理是利用盾构机进行地下隧道的开挖和土方回填。
盾构机由主体机械部分和盾构壳体组成，壳体内设有刀盘和推进设备。
在施工过程中，盾构机通过刀盘的旋转和推进装置的作用，推进壳体向前穿行，同时利用刀盘进行土方的开挖。
开挖过程中，土方通过输送带或螺旋输送机送出隧道，然后实施隧道的支护和衬砌。
盾构施工的特点有以下几个方面。
首先，盾构施工的进度快。
盾构机可以同时进行开挖和衬砌，不受地质条件的限制，施工速度较快，尤其适用于长距离和大断面的隧道工程。
其次，盾构施工的质量稳定。
盾构机在开挖过程中可以进行实时监测，随时调整和控制施工参数，确保施工过程稳定，提高施工质量。
再次，盾构施工的环境影响小。
盾构机在地下施工，不会对地表环境产生破坏和污染，并且减少了施工对周围居民的干扰。
此外，盾构施工的安全性高。
盾构机设有多重安全装置，可以预防和处理各种施工风险，确保施工安全。
在进行盾构施工时，需要注意以下几点。
首先，要对地质条件进行详细的勘察和分析，确定盾构机的适用范围和施工参数，以确保施工的顺利进行。
其次，要进行合理的盾构机选择和配置，考虑到地下水位、土质和隧道断面等因素，选择适合工程要求的盾构机型号和刀盘类型。
再次，要加强施工管理和监测。
建立完善的施工管理制度，实施全方位的监测和调控，及时处理施工中的问题和风险。
最后，要重视施工人员的技术培训和安全教育，提高他们的专业水平和安全意识，确保施工人员的安全和工程的顺利进行。
综上所述，盾构施工是一种高效、稳定、环保和安全的地下工程施工方法。
在实际应用中，要充分发挥盾构施工的原理与特点，注重工程管理和安全控制，确保盾构隧道工程的顺利完成。
浅谈盾构机刀具的种类及其配置方式
浅谈盾构机刀具的种类及其配置方式作者：李健敏来源：《中国新技术新产品》2015年第17期摘要：在盾构法隧道穿越过程中，盾构机的刀具是盾构开挖的主要工具，且刀具的好坏决定了整个掘进过程。
所以选择正确的刀具，并在刀盘上对其进行合理布置是至关重要的。
本文着重介绍了刀具的种类及其配置方式。
关键词：盾构机；刀具；刀具配置中图分类号：U455 文献标识码：A一、刀具种类刀具是盾构机重要的部件，其直接影响着盾构施工进度。
所以必须根据工程地段岩石的不同强度和地质特点以及刀具在不同岩石中表现出的破岩机理来对刀具进行设计和选择。
为了适应从软土到硬岩不同地层的开挖，目前设计出多种刀具与之适应。
盾构机刀具类型分为两大类：滚刀和切削刀。
而切削刀的种类繁多，包括：切刀、齿刀、边刮刀、先行刀、仿形刀、鱼尾刀。
其中，滚刀和齿刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型，两种刀具可以互换。
1 滚刀。
滚刀用于掘进纯岩地层；伴有大粒径的砾石（粒径大于400mm）并且含量达到一定比例的松散地层；岩石（强度不是太高）与一般土体（松土或砂土）交错频繁出现的复杂地层。
采用滚刀破岩时，其破岩原理是：刀盘旋转带动刀具扫过开挖面，此时滚刀挤压周边的岩石，使其表面形成裂纹继而与开挖面脱落，使得岩石成功破碎。
滚刀按刀具形状的不同分为：盘形滚刀和齿形滚刀；而根据安装位置不同分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀；按照刀圈的数量分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀。
在风化的砂岩和泥岩等软岩地层时，一般采用双刃滚刀；在较硬岩中采用单刃滚刀。
2 切刀。
切刀是盾构机切削开挖面上体的主刀具。
切刀用于开挖非岩质或软土地层；粒径小于400mm的砂、卵石、粘土等松散体地层。
切刀在切削和剥离土体时，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，使得切刀的刀刃和刀头插入到地层内部，从而不断将土体切削下来。
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盾构机刀盘的控制特点及布刀方式
摘要：随着国家对铁路和地铁的大力建设，盾构机已成为隧道挖掘过程中的不
可缺少的工具，目前国内对盾构机的研究相对落后，而刀盘作为盾构机中的关键
部件，其挖掘性能的好坏将直接影响到盾构机的掘进效率和刀盘的寿命。为了能
够让盾构机更好地服务铁路工程，本文通过分析刀盘以及布刀的方式，让大家对
盾构机有更深入的了解，也为后期盾构机的深入研发提供理论基础。
关键词：盾构机；刀盘；布刀方式
随着隧道工程以及城市地铁等地下工程的发展，盾构机已经成为我国城市建
设不可缺少的开挖设备。刀盘作为盾构机挖掘主要工作，影响盾构机的挖掘定向、
寿命、效率以及可靠性。盾构机作为地下开挖设备的主要工作，面对不同的地质
有不同的挖掘方式，示如硬质地层、粘土类地层等，这些不同种类的地层直接决
定盾构机的布刀方式以及刀盘选择的类型，所以我们在进行盾构机挖掘时，要掌
握好相关的性能，做好对盾构机的研究。
一、刀盘与刀具的结构
盾构机刀盘的结构影响盾构机的挖掘定向与工作的性能，而刀盘结构又与几
何参数、力学参数有关，所以我们要做好相关的资料调查，为盾构机的工作开展
打好基础。
刀盘是盾构机掘进的关键部位，一般采用钢结构焊接而成，具有开挖土体、
稳定撑子面、搅拌渣土等功能，目前的刀盘可以分为轮辐式、面板式以及轮辐面
板式。刀盘开口率主要指开口面积在整个刀盘面积中所占的比例，开口率的大小
直接决定了刀盘掘削土砂的难易度，实际工程中刀盘开口率多采用百分之十到百
分之七十，这一组数值是根据刀盘在单位时间内排除土砂量多少而得出的，这一
数值大于或等于刀盘的切削量。通过对像上海、广州等多座城市的地铁隧道工程
采样分析，我们能够得出一般隧道大小以及地层土质直径在6.28米左右的，开口
率通常为百分之二十九，采用辐条面板式刀盘。
二、刀盘的控制特点
盾构机刀盘驱动系统具有功率大且功率变化范围宽的特点。刀盘负载随着端
面土质的改变而改变，切削硬岩与切削软土需要的切削力矩以及转速变换很大，
当切削硬岩石需要有高速小扭矩，而切削软岩时需要调换成低速扭矩，所以刀盘
的速度变换我们要掌控好，在刀盘低速运转时，刀盘的扭矩可以保证在一个速率
上不变。当刀盘处在脱困的模式下，刀盘的转速与刀盘的转矩始终保持平衡，处
于恒定状态，一般情况下，刀盘被岩石泥土卡住不能旋转时，也需要采用这种方
式，所以我们也称为脱困模式。刀盘的运行时间不能过长，通常设定在30秒内，
超过30秒刀盘就会自动停止，停止后一分钟内不能够启动，等待刀盘回冷。
三、盾构机的布刀方式
根据岩石的切削与破碎机理，再结合刀具切削时所形成的空间力系特征，我
们能够得出，一般含有较多岩石的硬质地层，盾构机的刀盘适合布置滚刀、切刀、
周边刮刀以及仿形刀，布置在盾构机时主要以中心、正刀和边缘三个位置为主。
滚刀在布置安装时主要是以切削岩石为主，在切削过程中，滚刀受垂直力滚
动力、侧向力以及惯性力，为所有的切削工作起先导作用。切刀与滚刀相比较，
切刀主要起清理作用，在布置切刀时要保证切刀的运动轨迹始终为一个环面，每
一条轨迹上要有辐条数量一般的切刀轨迹，切刀在辐条两侧要相互对称，同时，
为了保证切刀的轨迹能够覆盖整个开挖面，工作人员要减少刀具的磨损，确保相
邻的轨迹中切刀有50——100毫米的重叠量。刀具在刀盘的位置通过前期确认后，
要建立刀盘模型，例如Solidworks软件中的刀盘模型主要以刀盘、刀架、滚刀还
有切刀以及仿形刀组成。滚刀是刀盘模型中较为复杂的，囊括了刀圈、刀圈卡环、
轴承、密封圈以及心轴，在装配时要注意各部件尺寸之间的协调。刀盘以及刀具
建立好后，要对刀盘建立一个虚拟样机装配，同样要保证配件之间不能互相干扰，
辅助后期的仿真工作的顺利开展。
刀盘的材料选择也极为重要，一般采用AISI 1045钢，弹性模量和泊松分别控
制在2.05x1011Pa和0.29，屈服应力以及切应力分别控制在530MPA和800MPA
之间，如果采用滚刀进行切削岩石，要保证滚刀的锋利，能够有较高的抗冲击韧
性，防止在切削时出现断裂，刀圈也要具有很高的耐磨性。岩石对刀圈的磨损比
较小的情况，一般采用21MnCr25，在弹性模量以及泊松比上，比AISI 1045钢小
一点。另外我们要注意刀具位置的排放，避免由于位置误差导致零件在装配过程
中因为受力不均、轴承间隙导致刀具受损。一旦发现有偏差，需要立刻停止工作，
调整刀具。如果碰到刀盘工作时出现的偏心对挖掘的影响，我们可以采取仿形刀
进行纠偏。为了保证刀盘受力均匀，我们要根据刀具的实际运用情况对刀具的制
造以及安装提前做好设计，确保刀具能够适应工作区域的环境。
四、结论
综上所述，盾构机中的布刀方式与刀盘的特点相关联，同时布刀方式有直接
影响盾构机的运行。要让盾构机更好的服务于我们的工作，首先我们要了解盾构
机刀盘的特点以及布刀的措施，并结合物理、数学等学科丰富盾构机的实用理论，
让盾构机能够更完美地运用到新的工作环境中，解决更多地下工作难题。
参考文献：
[1]盾构机刀盘驱动液压系统设计与仿真分析[D]. 蒋瑞祺.沈阳理工大学 2015
[2]岩土盾构机刀盘系统的动态优化设计及滚刀磨损机理研究[D]. 魏田华.东北
大学 2013
[3]盾构机刀盘驱动大轴承设计研究[D]. 陈沛.西南交通大学 2010
[4]盾构刀盘掘进过程数值仿真研究[D]. 程军.沈阳工业大学 2017