图2 盘形滚刀破岩示意图
刀具之间的间距是刀具布置轨迹确定的重要因 素。根据图2所示，设盾构上的第i和第i+1把盘形滚刀 在刀盘推力作用下切入岩石深度为h。则当刀盘旋转一 周，盘形滚刀的切削深度为h，则L为：
L = 2htanθ 要使同一安装半径上的盘形滚刀在刀盘每转一周 的切深相等，且破岩量相同，则两盘形滚刀之间不允 许形成累积岩脊，即刀盘转动多周(两周及以上)而未出 现连通的岩脊。可表示为：
5 应用实例
应用于珠三角穗莞深城际轨道交通建设的φ8780 土压平衡盾构机，工程地质条件是以粉砂质泥岩、粉 质粘土及砾砂岩为主的复合式地层，岩石的天然单轴 极限抗压强度最高值为200MPa。在盾构机刀盘的设置 上既考虑了对硬岩高强度的开挖，也兼顾了泥岩粘性 对盾构机掘进的影响，根据表1与表2中各类刀具对不 同地质情况的适用性，对该地区的盾构刀具采用滚刀 与切削刀的组合刀具如表5所列。
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儈ᓖᐞ 20mm 35mm>25mm 35mm>25mm
4.4 刀具磨损 在盾构掘进中，刀具磨损是不可避免的，各类刀
具根据使用方式的不同产生的磨损情况也有所区别。 刀具磨损后将导致相邻刀具之间所受推力的不平
衡，而这种不平衡力有时可能是承受正常受力的10 倍，增加刀具的损坏概率。同时，由于刀具磨损后与 岩石接触面积增大，引起刀具对岩石的挤压应力减 小，降低掘进效率。
Key words: cutter; cutter configuration; altitude of cutters; cutter wear
1 引言 近年来，随着科学技术的不断发展，人们可利用
的地上空间越来越少，对地下空间的开发逐渐成为国 内外各大城市的重要目标。隧道掘进机是最主要的地 下空间开发工具，是集机械、电气、自动化控制、光 学等多学科综合技术为一体的成套设备。
(2) 刀盘刀具受力平衡，保证合力通过刀盘中心， 不产生倾覆力矩和偏载。
刀具自身重力及转动中的离心力是引起刀盘径向 载荷、振动的主要原因。为了保证刀盘受力的均匀
55
Design & Development 设计开发
性，使刀盘不受到径向载荷的作用，则刀具安装后所 受重力及离心力的合力必须通过过刀盘圆心。根据这 一特点对刀具进行受力分析，以刀盘回转中心为原 点，盾构机前进方向为坐标Z轴，建立直角坐标系，则 以盘形滚刀为例，其受力情况如图3所示。
磨的现象。
（下转第36页）
56
Summary 综述
项研究来寻求真正原因和机理，试图找到更有效减小 RCS的新方法。 4.2.3 波传播指示技术
此技术是利用计算机来预测雷达波在大气层中的 传播情况。大气层温度、湿度等的变化能使雷达波的 作用距离发生变化，使雷达覆盖范围产生盲区。同时 雷达波在大气层里传播时会形成“传播波道”，其绝 大部分能量集中于此。若舰载突防兵器能在盲区和 “波道”以外通过，就可顺利避开敌方雷达的探测。 4.3 综合运用多种隐身技术
面对多维探测技术或多种探测系统的探测，现代 舰艇隐身技术正向着综合运用、权衡性能、扩展频率 范围、降低成本等方向发展。为达到理想的隐身效 果，必须综合运用各种隐身技术实行全方位、多功能 隐身，即不仅要综合运用反雷达、反红外、反电子、 反声波、反可见光等隐身技术，而且在运用每种隐身 技术时也要考虑综合采用多种技术措施。
a：钢齿滚刀 b：球齿滚刀 c：钢刀圈滚刀 d：球齿刀圈滚刀 图1 滚动类刀具形状
根据安装位置不同分为：正滚刀、中心滚刀、边 滚刀、扩孔滚刀。目前常用的滚刀类型为盘形滚刀。 盘形滚刀根据刀刃数分为单刃滚刀、双刃滚刀和多刃 滚刀。根据刀刃外径的大小又分成13、15、17、19等
作者简介：吴艳华（1985-），女，工程师。主要从事中型机械技术工作。 刘德全（1979-），男，工程师。主要从事机电设备工作。
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4.2 刀具布置方式 为了保证盾构刀盘的正常运转，减少结构引起的
偏磨、振动、附加弯矩等，刀具布置在满足刀间距要 求的同时，还需要考虑下列因素：
(1) 刀盘刀具破岩时负载相等，刀刃两侧侧向反力 平衡；
表5 虎门地铁火车站至商业城区间刀具布置
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150mm 150mm 150mm
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110mm 290mm
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刀具的研磨。滚刀刀具与切削刀具的高度差值过小
时，会增大刀盘主轴承的负载，也会加速刀具的磨
损，缩短刀具的使用寿命。而过大时则会使刀具切入
深度过大引起崩裂。结合国内盾构机使用情况，刀具
高度与岩土体结构关系如表4所列。
表4 不同岩土体中刀具高度情况
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2 刀具类型 刀具是盾构设备的开挖部件，在不同岩土体条件
下，盾构刀具也有所不同。目前常用的盾构刀具大体 可分为：滚动类刀具和切削类刀具。其中切削类刀具
又包括切刀、刮刀、先行刀等。 2.1 滚动类刀具
刀具在随刀盘转动的同时，还作自转运动的破岩 刀具统称为滚动刀具，又称为滚刀。滚动刀具均是通 过滚动和滑动产生的挤压、剪切、研磨等达到破岩的 目的。根据刀具形状的不同滚刀又分为：齿形滚刀(钢 齿和球齿)、盘形滚刀(钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀)， 如图1所示。
图3 盘形滚刀在刀盘上的受力示意图
每个滚刀在受到重力Fg作用的同时，在刀面上受 到刀盘转动引起的离心力Fω作用。这些载荷可分解为 刀盘受力的竖直方向Fv和平面方向Fi（Fx和Fy），前 者引起刀盘的倾覆力矩，后者引起刀盘的径向载荷。 因此在布置刀具时需要考虑的力学平衡为：
磨损；滚动刀具的高度应满足破岩要求，并减小切削
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བྷҾ 80MPa
ሿҾ 80MPa བྷҾ 30MPa ਼ৼ࠳┊࠰
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2.2 切削类刀具
刀具只随刀盘转动不具备自转的破岩刀具统称为
切削类刀具，这类刀具通过刮削、撕裂达到破岩及装
刀具是刀盘切削岩土的直接工具，只有在刀具 对掌子面实现完全切削后刀盘刮刀才能顺利的把岩 土刮入土仓内。相反，刀具布置不能完全覆盖刀盘 时，切削的岩土会出现岩脊，进而引起刀盘及刮刀 的快速磨损，降低刀盘的掘进效率，甚至引起断刀 等严重损坏。
目前，刀具在刀盘上的布置方式主要有单螺旋线 式、双螺旋线式和同心圆式三种布置方法，其中螺旋 线式布置法应用的更为广泛。 4.3 刀具高度
Abstract: From engineering point, the most important part of shield system lies in the selection and configuration of cutters. It influence to tunneling excavate effect that whether it suit the geological condition. This paper analysis the selection and collocation of cutter head with the view of the factors of cutter, such as the kind of cutters, collocation of cutters and cutter configuration.
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< L 不出现累积岩脊 > L 出现累积岩脊
刀盘上盘形滚刀的刀间距应该尽量等于L，此时盘
形滚刀为最佳切削效率。
刀具间距大小的确定与岩土层硬度有关，在软岩
中刀间距取值最大，硬岩中刀间距取值最小。刀间距
与工程地质关系如下表3所示。
表3 不同地层对刀间距的要求
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和刀具组合，以便盾构开挖的顺利进行。对软土地 层，一般只需要配置切削型刀具。对于含有岩石的复 合岩土地层，刀盘除配置切削型刀具外，还需要配置 盘形滚刀，以此达到对岩土体的掘进效果。对于分段 地层，可选择安装刀座相同的滚刀和齿刀，在滚刀破 岩效果不是很好时，可以利用滚刀刀座安装齿刀进行 破岩，齿刀轨迹完全与滚刀相同，齿刀刀刃是对称 的，因此刀盘正反转时都可以很好破岩。
关键词：刀具；刀具布置；刀具高度；刀具磨损
Analysis of the Selection and Collocation of the Cutter head
WU Yanhua, LIU Dequan, SHENG Shaoqin
(Guangzhou Shipyard International Company Limited, Guangzhou 510382 )
在整个盾构设备系统中，刀盘刀具是能否成功掘 进的关键，是影响掘进性能的决定性因素。其中，刀 具的配备和布置需要根据地质条件和施工要求进行合 理设计，属于复杂的工程系统设计问题，对刀具布置 技术的研究具有重要的工程意义。
针对这一情况，本文对复合地质下的刀具选型及 布置进行了相应的分析和优化，以实现对复合地层开 挖的性能要求。
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110~150mm 㹼〻 40mm
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根据地层中岩石单轴极限抗压强度，确定滚刀刀
间距选择为89~110mm，并采用螺旋线方式布置；在