盾构机刀具(第四章)备课讲稿.ppt

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1、盾构机刀具(第四章)一、盾构刀具一、盾构刀具v对于盾构机来说对于盾构机来说,掘削系统即是掘削掘削系统即是掘削刀盘及其驱动系统。掘削系统对于盾刀盘及其驱动系统。掘削系统对于盾构机的施工效果有着决定性的影响构机的施工效果有着决定性的影响,而且选择的差异对盾构机造价也有着而且选择的差异对盾构机造价也有着很大的影响很大的影响,刀盘选型可以影响到总刀盘选型可以影响到总造价的造价的4 48 8,尤其掘削设备的装尤其掘削设备的装备扭矩是盾构机最基本的参数之一。备扭矩是盾构机最基本的参数之一。v盾构机掘削刀盘即作转动或摇动的盘盾构机掘削刀盘即作转动或摇动的盘状掘削器，由掘削地层的刀具，稳定状掘削器，由掘削地层

2、的刀具，稳定掘削面的面板，出土槽口，转动或摇掘削面的面板，出土槽口，转动或摇动的驱动机构，轴承机构等构成。动的驱动机构，轴承机构等构成。1 1 刀盘综述刀盘综述石家庄铁道学院某刀盘实物照片 Shijiazhuang railway institute 2石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 搅拌棒某刀盘主驱动主轴承刀盘驱动系统示意图 刀盘搅拌结构3vv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。vv刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常重要的内容。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

3、果、出土状况和掘进速度。石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 4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。石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 2 盾构刀具的分类盾构刀具的分类按运动方式分类按安装方式分类5Shijiazhuang railway institute 石家庄铁道学院按安装位置分类 1-8号中心齿刀6石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 种

4、类名称用途 设置部位固定刀具掘削掘削面面板正面旋转刀具掘削掘削面面板正面超前刀具超前掘削面板正面导向钻头破碎地层面板正面外沿保护刀具保护刀盘外沿面板正面外沿修边刀具 减小推进阻力面板外沿背面保护刀具保护背面面板面板背面加泥嘴保护刀具保护加泥嘴加泥嘴部位掘削障碍物刀具掘削障碍物面板正面外围刀具按掘削目的、设置位置和用途的分类7石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 滚刀的示意图和实物照片b)盘形滚刀圈 c)盘形滚刀a)盘形滚刀示意图8石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 切削刀的实物照片a)周边刮刀 b)周边刮刀(背面)c

5、)周边刀安装位置d)齿刀 方柄齿刀 f)齿刀 g)中心齿刀9石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 切削刀的实物照片h)先行刀 i)先行刀 j)先行刀k)牛角刀 l)羊角刀 m）三棱刮刀 10Shijiazhuang railway institute 注：等级注：等级A A、B B、C C、D D，从左至右，质量依次提高；脱氧方法，从左至右，质量依次提高；脱氧方法F F表示沸腾钢，表示沸腾钢，Z Z表示镇静钢，表示镇静钢，b b表示半镇静钢，表示半镇静钢，TZTZ表示特殊镇静钢；表示特殊镇静钢；Q235-AQ235-A，Q235-BQ235-B沸腾钢含锰量

6、上限为沸腾钢含锰量上限为0.60%0.60%。石家庄铁道学院3 刀具的材料 海瑞克海瑞克周边刀的刀体是德国产钢号为周边刀的刀体是德国产钢号为St52-3St52-3的钢材，的钢材，其性能相当于国产的低碳钢其性能相当于国产的低碳钢Q235Q235，Q235Q235钢的化学成分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。硬度较低。Q235钢的化学成分和力学性能等等级级化学成分化学成分脱氧方法脱氧方法抗拉强度抗拉强度b b/MPa/MPa伸长率伸长率z z(%)(%)硬度硬度(HB)(HB)C CMnMnSiSi()()S S()

7、()P P()()A A0.14-0.14-0.220.220.30-0.30-0.650.650.0350.0350.0500.0500.0450.045F,bF,b，Z Z375-400375-40021-2621-26180-180-220220B B0.12-0.12-0.200.200.30-0.30-0.650.650.0450.045C C0.180.180.30-0.30-0.650.650.0400.0400.0400.040Z ZD D0.170.170.0350.035TZTZ11Shijiazhuang railway institute 石家庄铁道学院 海瑞克海瑞克周

8、边刀的刃口主要承受高应力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的磨粒磨损，周边刀迎土面钎焊有球齿球齿，球齿材料为硬质合金，主要用于承受砂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。砾、卵石的磨粒磨损与冲击。种种类类特性值特性值化学成份（化学成份（%）用途用途硬度硬度(HRA)(HRA)抗弯强度抗弯强度(MPa)(MPa)W WC C0 0C CE E1 1909012001200878790904 48 85 56 6E E2 2898914001400858589895 510105 56 6E E3 3888816001600838387877 71212

9、5 56 6盾构刀具盾构刀具E E4 4878717001700828286868 813135 56 6盾构刀具盾构刀具E E5 5868620002000787885859 917175 56 6砂层刀具砂层刀具超超硬硬钢钢的的种种类类及及特特性性 12Shijiazhuang railway institute 石家庄铁道学院 海瑞克海瑞克齿刀由齿刀由刀体刀体、端部硬质合金刀片端部硬质合金刀片和和背部背部球齿球齿构成。构成。13Shijiazhuang railway institute 石家庄铁道学院 海瑞克海瑞克刮刀是用硬质合金钢做为刮刀是用硬质合金钢做为刀头刀头，高耐，高耐磨合金钢

10、作为磨合金钢作为刀体刀体。14v其它进口盾构刀具在材料方面由两至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。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。基堆焊材料的化学成分和性能。石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 一种铁基刀具刃口堆焊材料的化学成分和性能一种铁基刀具刃口堆焊材料的化学成分和性能化学成分化学成分硬度硬度（HRCHRC）C CCrCrNiNiSiSiMnMnMoMoFeFe0.1

11、-0.30.1-0.35-105-101-31-3110.5-20.5-20.540)(N40)砂砾卵石砂砾卵石(10N40)(10N40)洪积土洪积土(砂质土砂质土)(10N25)冲击粘土冲击粘土(0N10)标准贯入锤击数165 5 刀具的作用及切削机理刀具的作用及切削机理v(1)(1)切削刀切削刀v切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀一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，般形状如左下图所示。一般情况下，(前角前角)与与(后角后角)值随切削地层特性不同变化，取值范围在值随切削地层特性不同变化，取值范围在5 52020度之间，粘土地层稍大，砂卵

12、石地层稍小。度之间，粘土地层稍大，砂卵石地层稍小。Shijiazhuang railway institute 切削刀一般形状示意图 三棱刮刀 17 切削刀为盾构机开挖非岩质地层的基本刀具，其形状、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。刀、刮刀既具

13、有切削的功能又具有装载的功能。石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 切削刀切削土体示意图 18 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。采用超削条件。据其作用与目的，超前刀断面一般比切削刀断面小。

14、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，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。石地层使用效果十分明显。超前刀刀具形状及与切削刀协同切削土体的示意图超前刀刀具形状及与切削刀协同切削土体的示意图见左见左下图。下图。石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute(2)(2)超前刀超前刀(也称先行刀也称先行刀)超前刀19石家庄铁道学院Shijiazhuang railway insti

15、tute 20 盘圈贝型刀实质上是超前刀，盾构机穿越砂卵石地层，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，将其布置在贝型刀，将其布置在刀盘盘圈刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石，前端面，专用于切削砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石砂卵石)的难题。的难题。

16、石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute (3)(3)盘圈贝型刀盘圈贝型刀盘圈贝型刀实物照片盘圈贝型刀实物照片盘圈贝型刀示意图盘圈贝型刀示意图21 采用大刀盘全断面切削土体，布置在刀盘不同位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，置的切削刀，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。而且中心支撑部位来越差。而且中心支撑部位(直径约直径约1.5 m)1.5 m)不能布置不能布置切削刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，

17、可切削刀，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。考虑在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute (4)(4)鱼尾刀鱼尾刀鱼尾刀示意图 22石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 根据经验，鱼尾刀的设计和布置可应用根据经验，鱼尾刀的设计和布置可应用两个技巧两个技巧两个技巧两个技巧：其一让盾构机分两其一让盾构机分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面(直径约直径约1.5 1.5 m)m)土体，而后扩大到全

18、断面切削土体土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其他切削，即将鱼尾刀设计与其他切削刀不在一个平面上，一般鱼尾刀超前刀不在一个平面上，一般鱼尾刀超前600 mm600 mm左右，保证鱼尾刀最先切削土体；左右，保证鱼尾刀最先切削土体；其二是将鱼尾刀根部设计成锥形其二是将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动(如同犁如同犁地一般地一般)：这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性，：这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体

19、的流动性，又大大提高盾构机整体掘进水平。又大大提高盾构机整体掘进水平。鱼尾刀切削土体示意图鱼尾刀切削土体示意图 23石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute(5)(5)仿形刀仿形刀 盾构机一般设计两把仿形刀盾构机一般设计两把仿形刀(一把备用一把备用)，布置在辐条的，布置在辐条的两端。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刀伸出最大值一般在8080130mm130mm之间。盾构机在曲

20、线段推进、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。进和顺利转弯及纠偏。24石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 根据广州及深圳地铁建设经验，随着城市轨道路网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。因此在刀软弱

21、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石中，国外曾有在抗压强度超过200 MPa200 MPa岩石中应用的工岩石中应用的工程记录。程记录。(6)6)滚刀滚刀盘形滚刀圈 盘形滚刀25石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 安装在刀盘上的盘形滚刀

22、在千斤顶的作用下紧压在岩面上，随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裂纹;进一步加压，当滚刀间距进一步加压，当滚刀间距S S满足一定条件时，相邻滚

23、刀间满足一定条件时，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。目前，破岩滚刀中使用较多的是盘形滚刀。完成一次破岩过程。目前，破岩滚刀中使用较多的是盘形滚刀。26石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 硬岩滚刀破岩主要分为以下几个步骤：硬岩滚刀破岩主要分为以下几个步骤：1)1)挤压阶段挤压阶段：滚刀在高推力作用下，切入岩石表面：滚刀在高推力作用下，切入岩石表面(切入深切入深度度1 110/15mm10/15mm，取决于岩体强度，取决于岩体强度)，同时岩面产生局部变形及

24、很高，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。破岩效率越明显。27石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 2)2)起裂阶段起裂阶段：沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉强度或抗剪：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。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

25、下层是应力过渡区，该区为应力衰减区，对岩体裂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。大下个循环中压入阶段应力范围。28石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 3)3)破碎阶段破碎阶段：当相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互：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

26、分割，形成碎片并脱离开挖面。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。29石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 1)1)岩石硬度：岩石硬度：在刀具挤压阶段，必须保证刀具硬度要在刀具挤压阶段，必须保证刀具硬度要高于岩石硬度，才能切入岩石表面，形成必要深度的应高于岩石硬度，才能切入岩石表面，形成必要深度的应力核心区。力核心区。2)2)抗压强度抗压强度：刀具切入岩石表面后，当应力大于岩石刀具切入岩石表面后，当应力大于岩石抗压强度抗压强度(单向应力条件单向应力条件)或抗压强度与地层主应力组合或抗压强度与地层主应力组合值值(三向应力条件三向应力条件)时

27、才能形成粉碎区，以保证裂缝产生时才能形成粉碎区，以保证裂缝产生位置具有一定深度。位置具有一定深度。3)3)抗拉强度抗拉强度：是裂缝形成的力学原因。是裂缝形成的力学原因。影响裂缝能否形成的直接因素有影响裂缝能否形成的直接因素有：30Shijiazhuang railway institute 根据以往工程实践及试验数据，影响破岩效率的因素有：1)脆性脆性/塑性塑性:是对抗压强度、抗拉强度的综合评价，适用于抗压强度较大(小)，而抗拉强度较小(大)岩石。有关文献资料显示在同样条件下，脆性岩体在挤压阶段所需时间远远小于塑性岩体(约八分之一)。2)耐磨性耐磨性:本指标直接关系到盾构机掘进效率，是承包商进

28、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0.020.05 hr/m，而高耐磨性岩石则可高达0.2hr/m。石家庄铁道学院影响破岩效率的因素影响破岩效率的因素：31石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute(7)(7)齿刀齿刀 在岩石较软的情况下掘进时，由于盘形滚刀与岩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，将导致滚刀石掌子面之间不能产生一定的附着力，将导致滚刀不能滚动而产生不能滚动而产生弦

29、磨弦磨，滚刀不能滚动将失去有效的，滚刀不能滚动将失去有效的破岩功能。因此，在较软的岩层中应将部分盘形滚破岩功能。因此，在较软的岩层中应将部分盘形滚刀更换成齿刀，利用齿刀进行破岩。由于齿刀上装刀更换成齿刀，利用齿刀进行破岩。由于齿刀上装有有2 2个切削刃，因此刀盘正反转时齿刀都能进行破个切削刃，因此刀盘正反转时齿刀都能进行破岩。岩。齿齿刀刀破破岩岩机机理理图图32刀具布置有两种方式刀具布置有两种方式：第一种为第一种为刀具整体连续排列刀具整体连续排列方式，因其切削阻力较大，方式，因其切削阻力较大，盾构机密封舱内土体流动性差，现已很少使用，仅偶尔在切削盾构机密封舱内土体流动性差，现已很少使用，仅偶尔

30、在切削阻力小的淤泥质地层中采用；阻力小的淤泥质地层中采用；第二种为第二种为刀具牙型交错连续排列刀具牙型交错连续排列方式，因其切削阻力小、方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌而被广泛使用。切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌而被广泛使用。目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。刀具选择与布置：刀具选择与布置：盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。根据不同根据不同地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合，实现刀具配置的灵地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合，实现刀具配置的灵便性，

31、提高刀盘的开挖效率。目前盾构机上常用的主要刀具有便性，提高刀盘的开挖效率。目前盾构机上常用的主要刀具有切刀、刮刀、齿刀、双刃滚刀、单刃滚刀、扩孔刀等。切刀、刮刀、齿刀、双刃滚刀、单刃滚刀、扩孔刀等。石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 6 6 刀具布置与配置刀具布置与配置33石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 刀具的示意图和实物照片滚刀滚刀小小松松盾盾构构刀刀盘盘海海瑞瑞克克盾盾构构刀刀盘盘齿刀齿刀刮刀刮刀347 某盾构施工的刀具配置某盾构施工的刀具配置 石家庄铁道学院Shijiazhuang railway ins

32、titute 这里介绍广州地区某大型地下工程盾构法开挖过程中的刀这里介绍广州地区某大型地下工程盾构法开挖过程中的刀具配置。选用盾构机为德国海瑞克公司生产的土压平衡式具配置。选用盾构机为德国海瑞克公司生产的土压平衡式盾构机，刀盘为面板式，刀盘的开口面积占刀盘总面积的盾构机，刀盘为面板式，刀盘的开口面积占刀盘总面积的28%左右。刀盘采用液压驱动，并配备了泡沫注入系统、左右。刀盘采用液压驱动，并配备了泡沫注入系统、膨润土注入系统和压缩空气系统，具备良好的渣土改良功膨润土注入系统和压缩空气系统，具备良好的渣土改良功能。能。35石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute

33、软土地层刀具配置软土地层刀具配置 配置了配置了3 3种软土刀具种软土刀具:切刀切刀6464把、弧形把、弧形刮刀刮刀3232把、把、齿刀齿刀1414把把(齿刀与盘型滚刀可以互换安装，但刀盘周边的齿刀与盘型滚刀可以互换安装，但刀盘周边的5 5把把滚刀滚刀不不能更换为齿刀能更换为齿刀)。在粘土地层刀具寿命较长，在砂性地层寿命相对较短。在粘土地层刀具寿命较长，在砂性地层寿命相对较短。考虑到刀盘的受力均匀性，刀具布置具有对称性，刀具考虑到刀盘的受力均匀性，刀具布置具有对称性，刀具安装采用螺栓固定以便于更换，软土地层刀盘结构相对简单。安装采用螺栓固定以便于更换，软土地层刀盘结构相对简单。切刀切刀 滚刀滚刀

34、 齿刀齿刀 刮刀刮刀36石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 由于刀盘需要正反旋转，因此切刀也布置在正由于刀盘需要正反旋转，因此切刀也布置在正反方向。同时，为了提高切刀的可靠性，在每个轨反方向。同时，为了提高切刀的可靠性，在每个轨迹上布置了迹上布置了2 2把切刀。由于周边工作量相对较大，把切刀。由于周边工作量相对较大，磨损后对盾构切口环尺寸影响较大，因此在刀盘周磨损后对盾构切口环尺寸影响较大，因此在刀盘周边布置了较多的切刀和刮刀。边布置了较多的切刀和刮刀。在切刀、刮刀刃口镶嵌有合金耐磨材料以延长在切刀、刮刀刃口镶嵌有合金耐磨材料以延长刀具的使用寿命，切刀的

35、破岩能力为刀具的使用寿命，切刀的破岩能力为20MPa20MPa，可以，可以顺利通过加固地层的开挖。顺利通过加固地层的开挖。切刀伸出刀盘面板的高切刀伸出刀盘面板的高度度可保证碴土的有效流动，防止刀盘面板与土舱间可保证碴土的有效流动，防止刀盘面板与土舱间产生泥饼。产生泥饼。37石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 上软下硬复合地层刀具配置上软下硬复合地层刀具配置 在区间含硬岩的复合地层，刀盘除配置切刀、刮刀、在区间含硬岩的复合地层，刀盘除配置切刀、刮刀、齿刀这些切削型刀具外，还配置了齿刀这些切削型刀具外，还配置了双刃盘形滚刀双刃盘形滚刀，用于破，用于破碎硬岩，

36、因而刀盘结构相对复杂。双刃盘形滚刀单个刀刃碎硬岩，因而刀盘结构相对复杂。双刃盘形滚刀单个刀刃的允许承载能力为的允许承载能力为250250KNKN，破岩能力相对于单刃滚刀而言较，破岩能力相对于单刃滚刀而言较低，适应破碎抗压强度小于低，适应破碎抗压强度小于8080MpaMpa的岩石。刀盘上配备了足的岩石。刀盘上配备了足够数量的滚刀够数量的滚刀(19(19把把)，以取得合适的滚刀间距，以取得合适的滚刀间距(每把双刃中每把双刃中心滚刀的刀间距为心滚刀的刀间距为10Omm)10Omm)，达到了较好的破岩效果。，达到了较好的破岩效果。对于复合地层中的硬岩，首先通过盘形滚刀进行破岩。对于复合地层中的硬岩，首

37、先通过盘形滚刀进行破岩。双滚刀一般允许磨损量为双滚刀一般允许磨损量为25mm25mm，边滚刀为，边滚刀为15mm15mm，因此滚刀，因此滚刀的伸出高度一般比切刀要大，海瑞克盾构设计时滚刀的伸的伸出高度一般比切刀要大，海瑞克盾构设计时滚刀的伸出高度为出高度为35mm35mm，保证滚刀在磨损情况下仍能避免切刀进行，保证滚刀在磨损情况下仍能避免切刀进行破岩，保证切刀使用寿命。破岩，保证切刀使用寿命。38石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute a.a.当岩石抗压强度较低，盘形滚刀破岩效果不理想当岩石抗压强度较低，盘形滚刀破岩效果不理想时，则利用滚刀刀座安装齿刀进行破

38、岩，齿刀轨迹完全时，则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地破碎软岩。可以很好地破碎软岩。b.b.刀盘直径应考虑刀具磨损后开挖直径仍能大于盾刀盘直径应考虑刀具磨损后开挖直径仍能大于盾构切口环的直径，以保证盾构姿态的调整。边滚刀的允构切口环的直径，以保证盾构姿态的调整。边滚刀的允许磨损量为许磨损量为15mm15mm，因此开挖洞径的允许变化量为，因此开挖洞径的允许变化量为3Omm3Omm。当边刀不采用滚刀时，盾构开挖洞径的允许变化量为当边刀不采用滚刀时，盾构开挖洞径的允许变化量为20mm2

39、0mm。c.c.在曲线半径小的隧道掘进时，为了利于盾构的调在曲线半径小的隧道掘进时，为了利于盾构的调向，需要有较大的开挖直径，因此根据地质情况的差异，向，需要有较大的开挖直径，因此根据地质情况的差异，可在刀盘上选择配置扩孔刀或滚刀型、齿刀型的仿形刀。可在刀盘上选择配置扩孔刀或滚刀型、齿刀型的仿形刀。刀具配置的其它注意事项刀具配置的其它注意事项39石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 刀具布置的防泥饼措施刀具布置的防泥饼措施 盾构机通过粘性土层时容易在刀盘中心区和土舱中盾构机通过粘性土层时容易在刀盘中心区和土舱中心区形成泥饼。刀盘中心区的泥饼会造成刀盘能够转

40、动，心区形成泥饼。刀盘中心区的泥饼会造成刀盘能够转动，但是盾构机却不能掘进的现象。土舱中心区的泥饼，则但是盾构机却不能掘进的现象。土舱中心区的泥饼，则会造成刀盘转动负荷加大，甚至停止转动，同时导致舱会造成刀盘转动负荷加大，甚至停止转动，同时导致舱体内温度急剧升高，影响主轴承密封的寿命，甚至毁坏体内温度急剧升高，影响主轴承密封的寿命，甚至毁坏轴承密封。轴承密封。为了提高碴土的流动性，防止上述现象的发生，为了提高碴土的流动性，防止上述现象的发生，刀具布置采取了针对性较强的防泥饼措施，即刀具布置采取了针对性较强的防泥饼措施，即确保刀具确保刀具凸出刀盘的较大间距凸出刀盘的较大间距。所有。所有正面滚刀都

41、高出刀盘面正面滚刀都高出刀盘面175mm175mm，为开挖面破除下来的碴土留出了足够的出碴空间；，为开挖面破除下来的碴土留出了足够的出碴空间；齿刀高出刀盘面齿刀高出刀盘面16Omm16Omm，刮刀高出刀盘面刮刀高出刀盘面140mm140mm。40石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 这样盾构在复合地层中掘进时，能使刀盘前这样盾构在复合地层中掘进时，能使刀盘前方切削下来的碴土有较大的流动空间，有利于刀盘方切削下来的碴土有较大的流动空间，有利于刀盘前方碴土的流动。同时，由于滚刀高出刮刀前方碴土的流动。同时，由于滚刀高出刮刀35mm35mm，齿刀高出刮刀齿刀高出

42、刮刀20mm20mm，因此，在硬岩地段掘进时刮刀，因此，在硬岩地段掘进时刮刀受到滚刀和齿刀的保护，正面滚刀的最大磨损量为受到滚刀和齿刀的保护，正面滚刀的最大磨损量为可达可达50mm50mm，切刀的最大磨损量则为，切刀的最大磨损量则为20mm20mm。41石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 8 盾构刀具磨损机制概述盾构刀具磨损机制概述 序序号号磨损磨损类型类型磨损外观磨损外观磨损机理磨损机理1 1粘着粘着磨损磨损麻点麻点材料的相互作用是主要因素。粘着磨损的过程实际上是材料的相互作用是主要因素。粘着磨损的过程实际上是摩擦副双方间原子键的形成（显微熔接）和分离

43、过摩擦副双方间原子键的形成（显微熔接）和分离过程程2 2磨料磨料磨损磨损擦伤、沟擦伤、沟纹、纹、条痕条痕硬颗粒或硬突起引起摩擦表面破坏，分离出屑或形成擦硬颗粒或硬突起引起摩擦表面破坏，分离出屑或形成擦伤的过程伤的过程3 3疲劳疲劳磨损磨损裂纹、点裂纹、点蚀蚀摩擦副材料微体积受循环接触应力，产生重复变形，导摩擦副材料微体积受循环接触应力，产生重复变形，导致裂纹和分离出微片或颗粒的过程致裂纹和分离出微片或颗粒的过程4 4摩擦摩擦化学化学磨损磨损反应产物反应产物（膜、（膜、微粒）微粒）在摩擦作用促进下，摩擦副的一方或双方与中间物质或在摩擦作用促进下，摩擦副的一方或双方与中间物质或环境介质中的某些成分

44、发生化学或电化学反应的过环境介质中的某些成分发生化学或电化学反应的过程程5 5微动微动磨损磨损磨屑的研磨屑的研磨磨由上述四种机理叠加而成。如果两接触固体彼此以振幅由上述四种机理叠加而成。如果两接触固体彼此以振幅小于小于100m100m的摆动运动方式作相对运动的过程，则的摆动运动方式作相对运动的过程，则会出现细小磨屑的研磨作用会出现细小磨屑的研磨作用磨损的机理大致可分为如下表所示五种类型，42 1)1)显微切削显微切削：硬颗粒或硬凸起与材料产生相对运动，硬颗粒或硬凸起与材料产生相对运动，引起的材料损伤。引起的材料损伤。当磨粒的形状与运动方向合适，有利于切削当磨粒的形状与运动方向合适，有利于切削时

45、，磨粒在切向力的作用下，在料表面刮起一层薄片，形成一次时，磨粒在切向力的作用下，在料表面刮起一层薄片，形成一次切削，脱离材料表面。这种切削沟的宽度和深很小，切屑也非常切削，脱离材料表面。这种切削沟的宽度和深很小，切屑也非常小。小。磨料磨损的基本损伤形式磨料磨损的基本损伤形式石家庄铁道学院432)疲劳(微观犁皱或微观压入):表面微观部分受循环变应力产生重复变形 导致裂纹形成，最终使表面产生破损。压入石家庄铁道学院443)粘着：两接触表面局部的粘着使材料由一表 面转移到另一表面所引起的磨损。P石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 454)4)龟裂龟裂：材料表面

46、受到垂直应力的反复作用，产材料表面受到垂直应力的反复作用，产生显微裂纹生显微裂纹裂纹裂纹压入石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 469 海瑞克盾构刀具失效分析海瑞克盾构刀具失效分析 石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 北京地铁某线砂卵石地层中石英含量高达北京地铁某线砂卵石地层中石英含量高达45%45%以上，石以上，石英砂是英砂是“很好很好”的磨料，使刀具磨损速度加快。该线应用的磨料，使刀具磨损速度加快。该线应用的德国海瑞克盾构机的刀盘转速可以达到的德国海瑞克盾构机的刀盘转速可以达到3rpm3rpm，直径，直径6m6

47、m刀刀盘外围刀具的线速度可以达到盘外围刀具的线速度可以达到1m/s1m/s。北京地区地层中含有。北京地区地层中含有大量不同粒径的卵石，使得刀具的刃口部位承受很大的冲大量不同粒径的卵石，使得刀具的刃口部位承受很大的冲击荷载。击荷载。北京地铁某线盾构试验段砂卵石地层渣土 47石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 如北京地铁某线盾构试验段雍和宫站至张自忠站左线如北京地铁某线盾构试验段雍和宫站至张自忠站左线1510m1510m隧隧道掘进为砂卵石及粘土混合地层道掘进为砂卵石及粘土混合地层,掘进过程中更换了掘进过程中更换了5 5批刀具；批刀具；而在北京地铁某线而在北京

48、地铁某线1616合同段宋家庄站至刘家窑站右线隧道合同段宋家庄站至刘家窑站右线隧道1320m1320m的粉质粘土为主地层掘进则没有更换过刀具，这充分表明了砂的粉质粘土为主地层掘进则没有更换过刀具，这充分表明了砂砾、乱石对盾构刀具的巨大破坏作用。盾构试验段盾构机刀具砾、乱石对盾构刀具的巨大破坏作用。盾构试验段盾构机刀具磨损和折断严重，开仓后刀具的形貌见下图。磨损和折断严重，开仓后刀具的形貌见下图。硬质合金刀片折断的齿刀 使用意大利庞万利公司周边刀掘进70米后磨损情况周边刀磨损后的形貌 48石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 硬质合金刀片折断的齿刀周边刀磨损后

49、的形貌 使用意大利庞万利公司周边刀掘进70米后磨损情况 从图中可以看到，盾构刀具的刃口部位镶嵌的硬质合金刀从图中可以看到，盾构刀具的刃口部位镶嵌的硬质合金刀片存在同程度的折断破坏，即所谓片存在同程度的折断破坏，即所谓“崩刃崩刃”；对于硬质合金；对于硬质合金刀片，由于硬度很高，相应的韧性较差，冲击断裂是其主要刀片，由于硬度很高，相应的韧性较差，冲击断裂是其主要的失效形式；除了刃口部位承受冲击之外，刀具迎土面还有的失效形式；除了刃口部位承受冲击之外，刀具迎土面还有犁沟式磨粒磨损和碾压磨损。犁沟式磨粒磨损和碾压磨损。在在右图右图所示位置切制所示位置切制1#1#、2#2#样，实验室条件下通过扫描电样，

50、实验室条件下通过扫描电镜对其磨损形貌分别进行分析。镜对其磨损形貌分别进行分析。49石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 周边刀刃口坡口处（内侧）磨损形貌 从扫描电镜照片可以看出：从扫描电镜照片可以看出：刃口位的斜坡（内侧）刃口位的斜坡（内侧）为典型的犁沟式磨损。为典型的犁沟式磨损。50石家庄铁道学院Shijiazhuang railway institute 从扫描电镜照片可以看出：从扫描电镜照片可以看出：外侧硬质合金球齿外侧硬质合金球齿失效形为脆性塌陷失效形为脆性塌陷+犁沟式磨损犁沟式磨损。球齿表面磨损形貌 51石家庄铁道学院Shijiazhuang r