某刀盘实物照片

北京铁城建设监理有限责任公司
3
某 刀 盘 主 驱 动
刀 盘 驱 动 系 统 示 意 图
主 轴 承
刀 盘 搅 拌 结 构
搅拌棒
北京铁城建设监理有限责任公司
4

关于盾构机的刀盘、驱动机构等将在后边介 绍，因此这里主要介绍盾构机掘削地层的刀 具。

刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常
北京铁城建设监理有限责任公司
ห้องสมุดไป่ตู้
海瑞克周边刀的刃口主要承受高应力 的磨粒磨损，周边刀迎土面钎焊有球齿， 球齿材料为硬质合金，主要用于承受砂 砾、卵石的磨粒磨损与冲击。
超 硬 钢 的 种 类 及 特 性 特性值 种 类 硬度 抗弯强度 (HRA) (MPa) E1 E2 E3 E4 E5 >90 >89 >88 >87 >86 >1200 >1400 >1600 >1700 >2000 化学成份（%） W C0 C 用途
北京铁城建设监理有限责任公司
25
(6) 滚刀
根据广州及深圳地铁建设经验，随着城市轨道路网 的延伸及建设力度的加大，盾构区间不仅需穿越常见的 软弱地层，同时还需在部分硬岩地段中通过。因此在刀 具选择上既要考虑在软岩中开挖的需要，也要考虑在硬 岩中的要求。一般认为刮刀适用于土层及部分软岩，盘 形滚刀适用于硬岩，其中单刃滚刀能用在强度很高的岩 石中，国外曾有在抗压强度超过200 MPa岩石中应用的工 程记录。
19
(2) 超前刀(也称先行刀)
顾名思义，超前刀即为先行切削土体的刀具。超前刀在设计中主 要考虑与切削刀组合协同工作。刀具切削土体时，超前刀在切削刀 切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好 的切削条件。据其作用与目的，超前刀断面一般比切削刀断面小。 采用超前刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀 的扭矩，提高刀具切削效率，减少切削刀的磨耗。在松散体地层， 尤其是砂卵石地层使用效果十分明显。
北京铁城建设监理有限责任公司
28
2) 起裂阶段：沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉强度或抗剪
强度时，便产生张拉裂缝。该裂缝是滚刀能否破岩的先诀条件。 在应力核心区下层是应力过渡区，该区为应力衰减区，对岩体裂 缝的产生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂缝，由于其 方向与破岩方向一致，因此也不能显著地提高破岩效率，但能加 大下个循环中压入阶段应力范围。
按运动方式分类 按安装方式分类
北京铁城建设监理有限责任公司
6
按安装位置分类
1-8号中心齿刀
北京铁城建设监理有限责任公司
7
刀具按掘削目的、设置位置和用途的分类 种类名称 固定刀具 旋转刀具 超前刀具 导向钻头 外沿保护刀具 修边刀具 背面保护刀具 加泥嘴保护刀具 掘削障碍物刀具
北京铁城建设监理有限责任公司
盘圈贝型刀实物照片
北京铁城建设监理有限责任公司
盘圈贝型刀示意图
22
(4) 鱼尾刀
采用大刀盘全断面切削土体，布臵在刀盘不同位 臵的切削刀，从刀盘外周至中心，运动圆周逐渐减小， 中心点理论上可以视为零，相应土体流动状态也是越 来越差。而且中心支撑部位(直径约1.5 m)不能布臵 切削刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可 考虑在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。
鱼尾刀切削土体示意图
北京铁城建设监理有限责任公司
24
(5) 仿形刀
盾构机一般设计两把仿形刀(一把备用)，布臵在辐条的 两端。施工时，可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从辐 条两端径向伸出和缩回仿形刀，达到仿形切削的目的。仿形 刀伸出最大值一般在80～130mm之间。盾构机在曲线段推进、 转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削土体创造所需空间，保证 盾构机在超挖少、对周边土体干扰小的条件下，实现曲线推 进和顺利转弯及纠偏。
Q235钢的化学成分和力学性能
化学成分 等 级 C Mn Si (≦) S (≦) P (≦) 脱氧方法 抗拉强度 δb/MPa 伸长率 δz(%) 硬度 (HB)
A
B C D
0.14- 0.300.22 0.65
0.050
0.045 F,b，Z 375-400 0.040 TZ Z 21-26 180220
超前刀刀具形状及与切削刀协同切削土体的示意图见左
下图。
超 前 刀
北京铁城建设监理有限责任公司
20
北京铁城建设监理有限责任公司
21
(3) 盘圈贝型刀
盘圈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 体属松散体，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。采 用盘圈贝型刀，将其布臵在刀盘盘圈前端面，专用于切 削砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石)的难 题。
15
北京铁城建设监理有限责任公司

其它进口盾构刀具在材料方面由两至 三种构成，即基体材料、硬质合金材 料、刀具刃口堆焊材料等复合制成。 下表为一种用于盾构机刀具刃口的铁 基堆焊材料的化学成分和性能。
堆焊
镶铸
一种铁基刀具刃口堆焊材料的化学成分和性能
硬度 化学成分 （HRC） C Cr Ni Si Mn Mo Fe 0.1-0.3 5-10 1-3 <1 0.5-2 <0.5 余量 50-55
三棱刮刀
18
切削刀为盾构机开挖非岩质地层的基本刀具，其形状、 布局将对开挖效果有重要影响。切削刀切削土体的示意 见下图。对于软土地层或经滚刀破碎后的碴土将通过切 刀和刮刀进行开挖。碴土随切刀、刮刀正面进入碴槽， 因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有装载的功能。
切削刀切削土体示意图
北京铁城建设监理有限责任公司
用途 掘削掘削面 掘削掘削面 超前掘削 破碎地层 保护刀盘外沿 减小推进阻力 保护背面面板 保护加泥嘴 掘削障碍物
设置部位 面板正面 面板正面 面板正面 面板正面 面板正面外沿 面板外沿 面板背面 加泥嘴部位 面板正面外围
8
滚刀的示意图和实物照片
a) 盘形 滚刀 示意 图
b) 盘形滚刀圈
北京铁城建设监理有限责任公司
87～90 4～8 5～6 85～89 5～10 5～6 83～87 7～12 5～6 盾构刀具 82～86 8～13 5～6 盾构刀具 78～85 9～17 5～6 砂层刀具 13
北京铁城建设监理有限责任公司
海瑞克齿刀由刀体、端部硬质合金刀片和背部 球齿构成。
14
北京铁城建设监理有限责任公司
海瑞克刮刀是用硬质合金钢做为刀头，高耐 磨合金钢作为刀体。
盘形滚刀圈 盘形滚刀
北京铁城建设监理有限责任公司
26
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。
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。
北京铁城建设监理有限责任公司
5
2 盾构刀具的分类

盾构机刀具可根据运动方式、布置位置和方式及形
状等进行分类。按切削原理划分，盾构机的刀具一
般分为切削刀和滚刀两种，其余形式的刀具为辅助 刀具。切削刀又分为齿刀、刮刀和先行刀等。
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。
27
北京铁城建设监理有限责任公司
硬岩滚刀破岩主要分为以下几个步骤：
1) 挤压阶段：滚刀在高推力作用下，切入岩石表面(切入深
度1～10/15mm，取决于岩体强度)，同时岩面产生局部变形及很 高的接触应力。并在此应力作用下，刀刃与岩石接触部分的岩体 产生粉碎区，即应力核心区。此核心区深度越深、范围越大对提 高破岩效率越明显。
c) 盘形滚刀
9
切削刀的实物照片
a) 周边刮刀
b) 周边刮刀(背面)
c) 周边刀安装位置
d) 齿刀
方柄齿刀
f) 齿刀
g) 中心齿刀
10
北京铁城建设监理有限责任公司
切削刀的实物照片
k) 牛角刀
北京铁城建设监理有限责任公司
l) 羊角刀
m）三棱刮刀
11
3 刀具的材料
海瑞克周边刀的刀体是德国产钢号为St52-3的钢 材，其性能相当于国产的低碳钢Q235，Q235钢的化学 成分和力学性能见下表。由表可知，该材料的韧性较 好但硬度较低。
北京铁城建设监理有限责任公司
17
5 刀具的作用及切削机理

(1) 切削刀 切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀一 般形状如左下图所示。一般情况下，β(前角)与 α(后角)值随切削地层特性不同变化，取值范围在 5～20度之间，粘土地层稍大，砂卵石地层稍小。
切削刀一般形状示意图
北京铁城建设监理有限责任公司
北京铁城建设监理有限责任公司
29
3)破碎阶段：当相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互
连通时，表面部分岩体便被裂缝分割，形成碎片并脱离开挖面。
北京铁城建设监理有限责任公司
30
影响裂缝能否形成的直接因素有： 1) 岩石硬度： 在刀具挤压阶段，必须保证刀具硬度