磨耗系数 103mm /km
土压 平衡 式盾 构机
粘土 4-15 2-7.5
砂
砂砾
刀头材 质
15-25 25-45 E-5
7.5-12.5 12.5-22.5 E-3
1.37-5.17 5.17-8.6 8.6-15.5 E-2
3.3 刀具磨损检测方法——掘进参数法
• 掘进过程中总推力、总扭矩与掘进速度之间的 关系，计算如下式所示
• 盾构施工时，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。
4 、刀具的布局及配置
• 4.1阿基米德螺线布置
刀具在刀盘上的布置方式主要有阿基米德螺线
布置法和同心圆布置法，但目前采用较多的是
2.2 滚刀受力分析
对于在砂卵石地层
掘进时，由滚动受
力示意图可以看出，
阻止滚刀转动的力
矩主要由三部分组
成，土仓内渣土的
摩擦阻力力矩，刀
箱内渣土的阻力力
矩和滚刀的启动力
矩(大小为30～
50N·m)。
T阻T 土仓 T 刀箱 T启动
2.3 滚刀破岩过程
• a 挤压/起裂过程
• b 破碎阶段
3、刀具磨损分析
• （3）鱼尾刀
采用大刀盘全断面切削土 体，布置在刀盘不同位置 的切削刀，从刀盘外周至 中心，运动圆周逐渐减小， 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)不能布置切削 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。
• （4）仿形刀
3.1 滚刀的磨损形式
• 盾构施工中，滚刀的磨损分 为两大类：正常磨损和非正 常磨损。
刀圈移位
正常磨损
刀圈偏磨
刀圈断裂
3.2 刀具寿命计算
• 通常盾构刀盘外圈刀具的磨损量δ由下式计 算：
1K••D•N•L/V
10
式中，
δ——磨损量(mm)；
K——磨耗系数(mm/km)；
D——盾构刀盘外径(m)； N——刀盘的转动速度(r/min)； L——掘进距离(m)； V——掘进速度(cm/min)。
• （1）刮刀 刮刀用来切削各种砂土、粘土等较松散的 地层及全风化岩层等其它未固结的土体， 刮刀上装有碳化钨刀刃，目的是为了更好 的防止掘进过程中产生的磨损。边缘刮刀 则用来校准盾构的开挖直径。
• （2）超前刀（或先行刀） 顾名思义，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。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。
• （5）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。采用盘圈型刀，将其布置在 刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石。采 用盘圈贝型刀可较好地解决盾构机切削土 体的难题。
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。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。
齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采
用切刀(或刮刀)。
洪积土
(砂质土)
(10<N<25)
标准贯入锤击数
卵石层(N>40)
砂砾卵石 (10<N<40)
冲击粘土 (0<N<10)
刮刀
先行刀 盘圈贝型刀 周边刮刀
齿刀
齿刀
滚刀
周边刮刀
正面区刮刀 超挖刀
边缘刮刀
双刃齿刀 双刃滚刀 单刃齿刀
2.1 各种刀具介绍
Tt T0T1•Wt •
n vT2•
v n
W0
T2 T1
式中：T t 为总扭矩，W t 为总推力，ν 为掘进速 度，n 为刀盘转速，W 0为阻力，T 0 、T1、T 2为待求
参数。采用回归方法求出 T 0 、T1 、T2 ,代入式得
到：
vn•(T(T1W t t TT0)22)2
3.4 减少刀具磨损的措施
盾构刀具磨损分析
主要内容
• 研究背景 • 盾构刀具类型及切削机理 • 刀具磨损分析 • 刀具的布局及配置 • LabVIEW分析刀具布局及寿命 • 结论与展望
1、研究背景
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。
3.4.1 换刀条件： 1）达到磨损极限： 2）刀圈断裂、平刀圈、刀体漏油、 刀 圈剥落、挡圈断裂或脱落、刀轴或 刀体损伤 3）相邻刀具的磨损量之差大于15mm时
3.4.2 减少刀具磨损的措施
• (1)改善刀盘与刀体的耐磨性 • (2)施工工艺措施 ：
①选择合适的添加剂改良材料 ； ②适当调整掘进速度及转速等； ③合理的交替使用刀盘正、反转 ； ④自立性好的地段采用适当的减压施工措施； ⑤采用长、短刀(主、副刀)具并用法切削土体； ⑥选择恰当的盾构刀具几何参数，恰当的刀具 布置方式
（6）齿刀
在岩石较软的情况下掘进时，由于盘形 滚刀与岩石掌子面之间不能产生一定的 附着力，因此应将部分盘形滚刀更换成 齿刀，利用齿刀进行破岩。由于齿刀上 装有2个切削刃，因此刀盘正反转时齿 刀都能进行破岩。
• （7）滚刀
• 滚刀按照刃的数量不同可分为单刃滚刀、 双刃滚刀和三刃滚刀，常用于各类软、 硬岩石及砂卵石地层的隧道开挖。
• 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。
2、盾构刀具类型及切削机理
• 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