中铁隧道集团有限公司
盾构刀盘刀具管理与不同地层 刀盘刀具应用
李凤远
盾构及掘进技术国家重点实验室
2014年06月 郑州
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盾构及掘进技术国家重点实验室
纲要
一、盾构刀盘刀具概述 二、盾构刀盘刀具管理 二、盾构刀盘刀具及地质适应性 三、盾构刀盘刀具管理 四、盾构滚刀选型与损坏分析 五、刀盘动态掘进实验试验分析 六、盾构带压进仓技术
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5、盾构刀具的受力机理 2）软岩刀具破岩原理 软岩的切削主要是刀具直接对土层进行剪切破坏
来进行切削的。
软土刀具切削机理示意图
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二、盾构刀盘刀具及地质适应性
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（一）软土刀盘刀具地质适应性
对于如上海地区、天津、西安、郑州等均一的软 土地层，通常只使用刮刀类刀具就可以了。这类刀 盘结构相对简单，通常称为辐条式刀盘。
但磨损较快。
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4、硬岩滚刀刀圈分类
盾构机滚刀具按刀圈外径规格一般分为12英寸， 15.5英寸，17英寸，19英寸等系列，目前国内地铁盾 构机所用刀具主要为17英寸，以下是四种系列刀具的 特征参数。
刀具尺寸
12英寸 15.5英寸 17英寸
19英寸
（刀圈外径） （305mm）（394 mm）（432 mm） （483 mm）
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中国中铁6、16号与西安的黄土及砂层地质
CREC No.16 盾构直径
6280mm
驱动类型
Frequency Converter
驱动功率
660Kw
总推力 最高日进度
37000KN 13.5m
CREC No. 6 盾构直径
6280mm
驱动类型
Hydraulic
驱动功率 总推力 最高日进度
软岩刀盘：轮辐型刀盘可减低刀具实际负载力矩， 有利于渣土的流动，并可将土仓内土压有效传递到 作业面。 复合型刀盘：
针对复合地层，刀具互，基本为面板式刀盘。
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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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一、盾构刀盘刀具概述
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1、一般盾构刀盘分类
按照掘进机纵向形状一般分类： 目前使用的掘进机的刀盘形状,根据掘进机纵剖 面的形状,可分为垂直平面型,锥型和弓型三类： 垂直平面型刀盘掘进中是呈平面对掌子面进行作 业开挖的,作业平面可使掌子面稳定。
锥型刀盘即刀盘形状类似麻花钻,刀盘中心有一 突出的钻头,此种形状可保持开挖方向性,提高开挖 效率。
弓型刀盘用于硬岩掘进机,适合砾石层和微风化岩 层的开挖。
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1、一般盾构刀盘分类
掘进机的刀盘根据前部面板形状分面板型和轮辐 型两种。
硬岩刀盘：面板型刀盘可防止过多德坍塌，有利 于掌子面的稳定；
630Kw 37000KN
15m
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沈阳无水砂卵石地层：
• 地层以粒径0～20MM,20～40mm中粗砂、砂砾、 圆砾石为主；
• 地下水水位在掘进断面以下1m左右.
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3、刀具类型
仿形刀 用于局部扩大隧道断面
单刃滚刀 用于硬岩掘进 刀刃距刀盘面175mm，可换装齿刀。
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4、硬岩滚刀刀圈分类
刀具的种类
平头型刀具
楔型刀具A
楔型刀具B
形状
特征
从新品到报废刀刃 适用于龟裂少的硬岩 适用于石灰岩、泥岩 都保持一定的宽度。及混有卵石的岩层。 等磨损较少的堆积岩 能用于多种岩石。 使用初期切入性很好，等。
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。
135~180
180~210
应用范围 (断面直径）
2~3m
3~5m
5m以上 8m以上
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5、盾构刀具的受力机理 1）滚刀滚压原理 由于刀盘推力和驱动扭矩的存在，刀圈轴向受力
挤压岩层，刀盘推力使刀具隧道轴向承受推力，只 要达到岩石的强度极限，便可挤压破岩；同时刀具 的驱动回转力矩使刀具滚动径向受力，从而克服来 自掌子面的摩擦力矩。
双刃滚刀
双刃中心刀
用于硬岩掘进
用于硬岩掘进，在软土中
刀刃距刀盘面175mm，可换装齿
可以换装齿刀。
刀。
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。
切刀 软土刀具。 同时可用做硬岩掘进中的刮渣。
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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• 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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3、刀具类型
刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层 的开挖，主要刀具按刀具结构分常见类型有：单刃 滚刀，双刃滚刀、中心滚刀、齿刀、切刀、弧形刮 刀和仿形刀。
刀具也主要以软土切削型刀具为主，适用于未固 结成岩的软土地层和某些全风化或强风化的软岩地 层，一般破岩能力在单轴抗压强度20Mpa以下。
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西安老黄土、砂第砾二石部地分层：复合盾构施工技术
特点：老黄土密实，水含量少；砂砾石粒径 小（0.1～30mm），水含量少，粘性颗粒少。