损的最外周刀具安装半径， 如表 １ 所示。
表 １ 各刀具安装半径
刀具种类和位置 安装半径（ ｍ） 每条轨迹刀具数
Ｖ— ——掘进速度（ ｃｍ／ｍｉｎ）
切削刀具（ 内周部）
１．６０
１把
为了确定当刀盘磨损达到刀具限定磨耗量时，
切削刀具（ 中间部）
２．３２
２把
盾构所能掘削推进的距离， 即确定刀具的掘削距离
寿命 Ｌ， 可对式（ １） 作适当变化：
刀具损坏的主要形式有刀具的磨耗和脱落。刀
定值（ ｍｍ）
具的磨耗受刀片的材质、硬度、刀片上作用的推力以
Ｒ— ——刀 具 中 容 易 磨 损 的 最 外 周 刀 具 安 装 半
及 地 质 条 件（ 砾 石 粒 径 、密 度） 和 刀 具 切 入 深 度 、速
径（ ｍ）
度、时间的影响； 刀具脱落主要与安装方法（ 焊接或 螺栓连接） 有关， 施工时也受刀柄的磨耗和砾石、障
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摘 要： 通过对盾构刀具磨损的原因分析和寿命计算， 可以预测盾构在隧道开挖区间刀
具是否需要更换以及需要更换的次数。并通过算例说明刀具寿命预测的分析方法。
（ ｃｍ／ｒ） λ— ——刀具转动距离寿命， 即达到 刀 具 限 定 磨
计
在刀盘上的安装位置有关， 并且随着刀具掘削里程
算 的增加而增大。布置在刀盘周边的刀具由于线速度
损量时， 边掘削开挖面边转动的可能距 离（ ｋｍ）
大， 切削路线长， 因而磨损快、易折断、寿命短。
ｔ— ——限 定 磨 损 量 ， 即 刀 具 磨 损 量 δ的 最 大 限
刀具磨损量是按最大直径处切削轨迹 １ 把刀计 算， 当刀具布置数量超过 １ 把时， 由于每把刀具的切 削厚度降低， 使切削力减小。因此磨耗系数 Ｋ 也相 应减小， 如计算中的盾构中间部 １ 条掘削轨迹上配 置 ２ 把切削刀及外周部 １ 条掘削轨迹配置 ３ 把切削 刀（ 见表 １） ， 可减少刀具磨损。刀具的实际磨耗系 数 Ｋｎ 可参考日本公司施工实绩推算：
关键词： 盾构 刀具 磨损 寿命
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在城市地铁工程所用盾构的方案选型中， 刀盘 的 结 构 、刀 具 类 型 的 选 择 、刀 具 的 布 置 和 磨 损 问 题 常 成为选型的重点内容。尤其是盾构在砂或砂卵石地 层中掘进， 刀具的磨损问题更为突出， 因此需要对刀 具的掘削距离寿命进行预测。
体地层， 尤其是砂卵石地层使用效果十分明显。 为保证盾构在超挖少、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， 盾构需设置 仿形刀。仿形刀一般布置在辐臂上。施工时， 可以根 据超挖多少和超挖范围的要求， 从辐臂一端径向伸 出和缩回仿形刀， 达到仿形切削的目的。
为加强刀具磨损量的管理， 防止刀盘和刀具因 过度磨损而损坏， 刀盘上常设置有磨耗检测刀具。常 用的检测刀具有通电式磨耗检测刀具和超声波式磨 耗检测刀具等。通电式磨耗检测刀具见图 １（ ａ） ， 其原 理是： 在刀具制作时先将电线埋入刀具中， 随着盾构 的掘进， 当刀具磨耗达到限定磨耗量时， 通电电线将 被磨断， 于是电路断路。操作人员可根据电路通断情 况 对 刀 具 的 磨 耗 做 出 判 断 。 该 法 的 特 点 是 简 单 、直 接， 但不能连续检测刀具磨耗进展情况， 难以掌握换 刀时机； 超声波式磨耗检测刀具如图 １（ ｂ） 所示， 其检 测原理是： 在磨耗检测刀具中事先安装好与超声波 监测器相连接的超声波探头， 利用超声波来探测刀 具的磨耗情况。其特点是技术相对复杂， 成本较高， 但能连续检测刀具的磨耗情况， 有利于根据刀具磨 损进展进行刀具换刀前的准备和更好地把握换刀时 机。
切削刀具条件： 材质为 Ｅ－ ３（ 日本钢材） ， 刀具限
在粉细粘土中掘进 １ ｋｍ， 刀具依旧完好无损。在北 定磨损量 ２０ ｍｍ。
京地铁 ５ 号线施工中， 在粉质粘土和卵砾石结合地 ４．２ 计算方法
层中掘进 ６２５ ｍ 更换一次刀具， 而在粉细砂与卵砾
刀具的掘削距离寿命 Ｌ 按式（ ３） 计算， 式中各量
表 ３ 刀具寿命计算结果
设
计
切削刀具 切削刀具 切削刀具
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刀具种类及位置
（ 内周部） （ 中间部） （ 外周部）
计
限定磨损量 （ｔ ｍｍ）
２０
２０
２０
算
得到， 如表 ２ 所示。
表 ２ 摩耗系数
×１０－３ ｍｍ／ｋｍ
土压
粘土
平衡
４￣１５
式盾 ２￣２．７５
构
１．３７￣５．１７
砂
１５￣２５ ７．５￣１２．５ ５．１７￣８．６
砂砾
刀头材质 （ 硬质合金）
２５￣４５
Ｅ－５
１２．５￣２２．５
Ｅ－３
８．６￣１５．５
Ｅ－２
摩耗系数 Ｋ（ｍｍ／ｋｍ） １２．５×１０－３ １２．５×１０－３ １２．５×１０－３
每条轨迹切削刀数 ｎ
１
２
３
Ｋｎ（ｍｍ／ｋｍ）
刀具转动距离寿命（ ｋｍ）
１２．５×１０－３ ９．９２×１０－３ ８．６３×１０－３ １ ６００ ２ ０１６ ２ ３０８
（ ａ） 通电式
（ ｂ） 超声波式
图 １ 磨耗检测刀具
２ 刀具磨损的原因和影响因素
在盾构推进力作用下刀具对开挖面土体产生一
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设
定压力。随着刀盘的旋转， 刀具与土砂磨料摩擦， 从
计
而产生磨损。刀具的磨损与地质条件、刀具材质及其
先行刀、仿形刀和磨耗检测刀具等是按照刀具 在刀盘上作用的不同分类的。
先行刀也称为超前刀。刀盘开挖时，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。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
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）
（ １）
回转速 Ｎ＝１．３ ｒ／ｍｉｎ， 则 Ｐｅ＝２．３ ｃｍ／ｒ。
（ ２） 刀具安装半径 Ｒ
刀具安装半径 Ｒ， 采用刀具各组合中最容易磨
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设 磨性。
计
（ ２） 考虑采用长短刀具并用法切削土体， 其基本
计
思想是利用长短刀具不同的切削高度差（ 高差值约
Ｋｎ＝Ｋ／ｎ０．３３３ 式中： Ｋｎ— ——ｌ 条轨迹配置 ｎ 把切削刀时的摩耗系数
Ｋ— ——１ 条轨迹配置 １ 把切削刀时的摩耗系数 即 １ 条轨迹配置 １ 把切削刀的摩耗系数 Ｋ 是 ｌ 条轨迹配置 ｎ 把切削刀时的摩耗系数 Ｋｎ 的 ｎ０．３３３ 倍。 例如， ｎ＝３ 的场合， 摩耗系数 Ｋｎ＝ Ｋ／ｎ０．３３３＝０．６９Ｋ， 此时 外 周 部 刀 具 转 动 距 离 寿 命 λ为 １ 把 切 削 刀 的 １／０．６９＝１．４５ 倍。 ４．３ 计算结果 根据以上方法进行计算的结果， 如表 ３ 所示。 从以上可以看出， 各掘削刀具的掘进距 离寿命 Ｌ 能满足一个区间隧道掘削距离（ ２ ０００ ｍ 左右） 的要求。并且， 对于与最外周 掘削刀具邻接的保径刀， 因为每 １ 轨迹配置 了 ６ 把， 所以根据上述计算结果， 可以得到 十分足够的掘进距离。 图 ２ 为刀具磨损量与掘进距离寿命的 预测曲线， 图中显示 ３ 种刀具掘进距离寿命
若盾构掘削的地层为砂卵石、砾石层 （ 材质取 Ｅ－ ３， Ｋ＝２２．５） ， 则刀具的寿命将大大减少， 计算后得 到 Ｌ＝１ ５５１ ｍ。因此盾构在区间隧道距离（ ２ ０００ ｍ） 内至少须更换一次刀具。以上计算方法可以预测盾 构刀具最长掘进长度， 计划换刀时机， 从而有利于盾 构的施工管理和提高掘进效率。
ｍｍ， 此时取 ２０ ｍｍ
Ｋ— ——根据切削刀具材质和地质条件所决定的
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摩耗系数（ ｍｍ／ｋｍ） 摩耗系数的定义为： 刀具每掘进 １ ｋｍ 时的刀具 磨耗量。显然磨耗量一定时磨耗系数越小， 可掘进的 距离越长。摩耗系数 Ｋ 根据日本公司盾构施工实绩
５ 提高刀具寿命降低刀具磨耗的建议
（ １） 使用硬度大、抗剪性好的超硬钢材制作刀 刃，在切削土砂（卵石）时， 可沿刀具向后流动所经过 的刀具表面实施硬化堆焊， 以便提高刀具自身的耐
图 ２ 刀具磨损量与掘进距离寿命的预测曲线
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单（ 双） 刃滚刀属于滚刀型刀具， 主要是依靠挤 压破岩，一般用于岩石地层的掘进。在盾构穿越松散 地层且有大粒径的砾石（粒径大于 ４００ ｍｍ） ， 以及当 砾石含量达到一定比例时，可采用滚刀型刀具。另外 在隧道地质条件复杂多变、岩石与一般土体交错频 繁出现的情况，也可在刀盘上布置一些滚刀型刀具。
切刀、刮刀、齿刀等属于切削型刀具， 切削型刀 具的切削原理是切刀随盾构向前推进的同时， 随刀 盘旋转的刀具对开挖面土体产生轴向剪切力及挤压 力和周向（刀盘旋转切线方向） 切削力，不断将开挖面 前方土体切削下来。切削型刀具一般适用于粒径小 的砂卵石、砂土、粘土等松散体地层。
刀具掘进距离寿命 Ｌ（ ｍ） ３ ６６２
３ １８２
２ ７７９