削宽度比主切削 刀窄，切削效率较高。采用先 行刀可显著增加切削土体的流 动性，大大降低切削刀的扭矩， 提高切削刀的切削效率，减少 切削刀的磨耗。在松散体地层， 尤其是砂卵石地层和钙质结核 地层，先行刀的使用效果十分 明显。
土体
主切削刀 主超前刀
主超前刀
盾构前进方向
主切削刀与主超前刀协同切削土体示意图
o ZC 6
o7 2
=31
o7
=38 15.49 /30.00
41.05 40.55
N 63.5 =11
39.05 =21
37.05 =30
35.25
=31
o3 1
31.45
=49
o2 o3 o3 3
N (63.5) =44 28.25 =56
o4
27.05
=50
25.45
o5
23.75
N 63.5 =34
切削刀
土体
鱼尾刀
土体 鱼尾刀切削土体示意图
盘圈贝型刀
砂卵石地层采用滚刀效果不好，改用盘圈贝型刀较好地解决了盾构机切削砂 卵石的难题。盘圈贝型刀示意图如下。
较成功案例基本情况
北京地铁五号线18标和四号线14标，均采用土压平衡盾构机施工，刀盘为 辐条式，开口率大，在刀具高差上配置了先行刀和副切削刀（如下图）。
=41
26.10
23.07 21.67 /24.20
o5 2
24.40 23.70
N 63.5 =27
22.80
21.80
o7 2
18.60
o7
15.60 /30.00
K47 45.55
DN200上水标高43.64
DN300污水标高42.86 K48
45.49
DN200上水标高44.3
DN600污水标高43.6 K49
刀盘
圆砾 层
22.05
粉质 粘土及 重粉 质粘土
盾构机所在位置地质横断面 (k9+124.52)
盾构刀盘所在位置断面图
停机前的掘进参数及其他特征
(1)刀盘扭矩值一直居高不下，而且波动幅度较小。 (2)刀盘过载频繁，扭矩过大。 (3) 推进时间延长，泡沫和膨润土用量增大，渣土含水 量增大。 (4) 千斤顶推力增大。 (5) 排出渣土变热。 (6) 至289环时推进时，刀盘扭矩急剧上升无法继续推 进。
283 338.40 3256 10682 1.37 4216.57 6465KN 79min
284 339.60 3342 12356 1.39 4278.12 8078KN 104min
285 340.80 3437 9792 1.33 4093.46 5699KN 105min
286 342.00 3425 8635 1.54 4739.79 3895KN 88min
33.80
30.00
26.30 25.80
21.60 19.50
14.30 /30.10
标纵断面图
★刀盘大部分位 于圆砾层中 可预见其磨损 将相当严重
地面,45.55
41.05 39.35 36.35 34.45
33.95 31.15
26.95
粘质 粉土 素填土
粘质 粉土 砂质 粉土
粉细 砂层 粉质粘 土及 粘质粉 土 粉细 砂层 中粗 砂
N 63.5 =17
38.76
=21
=23
34.79 =33
34.66 34.26
o3
=43
30.89
N (63.5) =30 30.16 (=) 99.7.21
=28
31.56 30.36 29.06
26.99 26.19
24.79
25.76 25.06
22.09 18.39
21.66 ZC
20.16 /24.50
287 343.20 3350 9113 1.48 4555.12 4558KN 219min
管片拼 装时间
[min] 37 min 53 min 99 min 68 min 55 min 77 min 88 min 75 min 67 min 88 min
14000
12000
10000
8000
284环时推力已急剧上升
14.89 /30.00
K54 44.82
K55 44.48
o1 1 o1
40.82
o2
39.32
N 63.5 =30
o4 2 o4
o5
=28
35.82 =30
o3
FX
=37
o 32.82 33
31.82
=27
30.62 ZC
N (63.5) =32
28.82
o3 1 ZC
27.12 24.32
=40
53min 77min
280 334.80 3155 9941 1.45 4462.79 5478KN 70min
281 336.00 3348 11016 1.50 4616.68 6399KN 59min
282 337.20 3411 11084 1.45 4462.79 6621KN 65min
掘进时间图
刀具磨损状况
外周边刀已 完全磨损
第一排齿刀 （切削刀） 严重磨损
刀具磨 损状况
刀具磨损系数及分析
刀具的磨损系数采用公式：K＝δ/L计算
代入量测数据经计算得磨损系数：k＝0.491mm/km
如此高的磨损系数，如不想办法降低，土压平衡盾构在北京砂 卵石地层将无法施工。
辐条式刀盘及耐磨刀具配置
=31
o5
21.05 N (63.5) =32
19.05
=41
=55
15.25 /30.00
41.35 40.05
o2 3
38.55 37.65
35.06 33.95 32.95 31.75
26.45 25.85
24.85
o5 2
20.65 19.55 /25.50
o7
40.89
40.86
39.19 38.79 38.39
o4 3
N 63.5 =28 24.32
o5 1
=23
43.78 41.68 38.78
32.48 30.08 28.18 25.98 22.98 /21.50
o6
20.82
N (63.5) =35
18.82
ZC =39
=44
o7 =42
13.32
K56 44.40
o2 2
40.50
38.90 38.20
31.02
o2 2
ZC
o4
26.95
o5 2 o5 1
22.05 21.35 20.55 /25.00
o5 o6
ZC
=35
26.99 26.29 25.69
=26 N 63.5 =18
23.69
21.69
=37
N 63.5 =60
19.39
N (63.5) =29
26.62
o4 3
24.02 22.42 /23.00
北京地区砂卵石地层盾构掘进
如何解决砂卵石地层盾构掘进问题 是北京盾构选型的关键问题
盾构所经地 层的砂卵石
粒径超过200mm
影响掘进的主要是刀盘刀具磨损
（1）盾构刀具（刀盘）磨损的因素； （2）盾构刀具磨损特征研究； （3）砂卵石地层刀具磨损系数及不换刀能掘进的最长距离； （4）从机械和土性改良两方面研究减少刀具（刀盘）磨损的方法；
盾构机停止前各环掘进参数一览
刀盘扭矩居高不 下，推力增大，
推进时间长
刀盘扭矩
Push Cylinders
摩擦力 推进时间
位置
推力 土压 土压力
[m] [KNm] [KN] [bar] [KN] [KN] [min]
278 332.40 279 333.60
3468 3196
7634 9035
1.21 3724.12 3910KN 1.46 4493.57 4541KN
接近顶峰，只好降低速度，
6000
缓慢推进
4000
2000
0
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
推力变化图
250 推进时间曲线
200
288环时推进 时间剧增 无法掘进
推进时间(min)
150
100
50
0
环号
273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288
切削刀的开挖方式与土的破坏机理
切削刀的基本切削过程是：切削刀通过刀刃的切削作用和前刀面的推挤作用使 得被开挖土体产生应力与变形。其中刀刃的切削作用使切削层土体沿刀刃方向产生 分离。前刀面的推挤作用使得已分离的土体产生变形而与母体分离形成土屑。
刀具切削时，通常做两个方向的 运动：① 沿开挖面的运动，它起 着分离岩土的作用；② 切入开挖 面的运动，它改变切削的厚度， 如图3.10。
（2）先行刀磨损量的量测 测量了先行刀的磨损量，并计算出了各自的磨损系数。
（3）切削刀磨损量的量测 测量了切削刀的磨损量，并计算出了各自的磨损系数。
同时对其宽度方向的磨损量也进行了量测，还对刀头的缺损、 脱落以及刀具母材的磨损程度进行了详细记录。
对上述量测结果进行统计分析，作一元线性回归，并绘各刀具 磨损量与切削轨迹关系图如下.
切削刀的刀头种类及其工作原理 主切削刀
旋转切线方向
后刀面 δ
t 切入深度