盾构机刀具种类及配置方式调研报告

1、盾构机刀具种类及配置方式调研报告盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内 的坍塌。同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械 运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成 隧道结构的一种机械化施工方法。机械化盾构机的掘削机构，具有开 挖地层、稳定开挖面、搅拌渣土等功能，并承受大扭矩、大推力和冲 击载荷的作用，其工作状况非常恶劣。盾构机刀具配置是盾构机刀具设计管理中的重要内容，其的详细配置关系到其是否符合使用的地址条件和要求， 而且针对不同的盾构 机的地质，其使用寿命、切削的效果、出土的状况和掘

2、进的速度和效 果、施工的进度和要求都会受到直接的影响。通过去成都海瑞克、中铁装备、中船重工三个盾构机制造厂商以 及刀具生产厂商、成都地铁各在建盾构区间的调研及考察， 现着重介 绍盾构机刀具的主要种类和其工作原理，同时针对不同的地质情况， 提出刀具配置的差异与不同，并且针对盾构机在复合地层中进行隧道 掘进时，刀具配置使用等问题进行阐述和研究。一、刀具种类和切削原理1、刀具的种类盾构机刀具是根据工程地段硬岩、软岩的不同强度和地质特点，根据刀具在软、硬岩中不同的破岩机理来进行设计和选择的。 刀盘上 可以安装不同类型的刀具以适应不同地层的开挖，主要刀具类型为： 切刀、刮刀、先行刀（超前刀）、贝型刀、中

3、心刀（鱼尾刀、双刃或 三刃滚刀、锥形刀、中心羊角刀）、单刃滚刀和刮碴板。其中滚刀和 齿刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型两种刀具可以互换。 在硬 岩中掘进时刀盘需安装双刃滚刀、 中心刀，在软岩中掘进时可以根据 需要把双刃滚刀、中心刀更换为对应形式的齿刀。1.1、切刀（齿刀，刮刀）切刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构 机向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向 （沿隧道 前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力，在刀盘的转 动下，刀刃和刀头部分插入到地层内部， 不断将开挖面前方土体切削 下来。切削刀一般适用于粒径小于 400mm勺砂、卵石、粘土等松散体 地

4、层。切刀偌者帑台金头和耐磨尉周边剖711.2、先行刀（超前刀）先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置。先行刀在设计中主要考虑与其它刀具组合协同工作。 先行刀在切刀切削土体之前 先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创造良好的切削条件。先行 刀的切削宽度一般比切刀窄，切削效率较高。采用先行刀，可显著增 加切削土体的流动性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率， 减少切刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层先行刀的使用效果十分明显狡层残化禅重型抚裂刀齿彩先行刀1.3 、贝型刀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，因土体屑松散体，在滚刀掘进挤

5、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。将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石。贝型刀1.4、中心刀（鱼尾刀、双刃或三刃滚刀、锥形刀、中心羊角刀）在软土地层掘进时，因刀盘中心部位不能布置切刀，为改善 中心部位土体的切削和搅拌效果，可在中心部位设计一把尺寸较大的 鱼尾刀（羊角刀），一般鱼尾刀超前 600 mm左右。鱼尾刀的设计和 配置方式如下：其一让盾构分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心 部位小圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与 其它切刀不在一个平面上，即鱼尾刀超前切刀布置，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， 使刀盘

6、旋转时随鱼尾刀 切削下来的土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动， 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和 搅拌效果，又大大提高盾构整体掘进效果。在纯硬岩地层掘进时，到 盘中心位置布置双刃或三刃滚刀。中心鱼尾刀申心双刃或三贡送刀推形刀中心羊甫刀1.5、仿形刀（或超挖刀）盾构机一般设计两把仿形刀（一把备用），布置在刀盘的边缘上。 施工时可以根据超挖多少和超挖范围的要求， 从边缘径向伸出和缩回 仿形刀。仿形刀伸出最大值一般在70150mn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

7、线推进和顺利转 弯及纠偏。柱型超挖刀滚刀超挖刀1.1.6、 滚刀和刮碴板在纯硬岩地层掘进时，采用滚刀破岩。滚刀破岩的原理是依 靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。滚刀的类型、数量、布置方式、位置、超前量根据岩层的强度和整体性、 掘进距离、含砂量等特点确定。穿越松散地层但有大粒径的砾石（粒径大于400mm）并且含量达到一定比例时，也可采用滚刀型刀具。 在隧道地质条件复杂多变、岩石（强度不算太高）与一般土体（或粘土 或砂土 ）交错频繁出现的情况，也有可能采用滚刀型刀具，即在复合 式盾构机中采用。单刃滚刀2、切削的主要原理盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边

8、向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘 出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力， 有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作 业在护盾的掩护下进行。其主要分为以下三个阶段：2.1、盾构机的掘进液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向 前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴 土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输 送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中， 再通过竖井运至地 面。2.2、掘进中控制排土量与排土速度当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时， 开挖面被切 下的

9、渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大， 当泥土仓的土压与开挖面的 土压力和地下水的水压力相平衡时， 开挖面就能保持稳定，开挖面对 应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土 仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行2.3 、管片拼装盾构机掘进一环的距离后， 拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬 砌管片，使隧道次成型。二、刀具配置方式刀具的配置方式需要综合当前工程地质地层的实际情况， 通过了 解地层的岩石 . 土层情况之后，根据不同的工程地质特点，选取不同 的刀具配置方案， 最终达到最好的切削效果和掘进速度。 依据当前的 地层的土质情况， 我们大

10、致可以将土层分为以下四种土层： 软弱土地 层、砂层及砂卵石地层、 风化岩及软硬不均地层、 单纯的纯硬岩地层。 1、软弱土地层的刀具这些土质层主要是以淤泥 . 粘土和粉质粘土为主，他们其中的岩 石非常少，主要是以小颗粒泥土为主，因此在选择使用切削刀具时， 一般采用切刀、周边刮刀、中心刀、先行刀和超挖刀。这些刀具的切 刀安装在开口槽的两侧 , 覆盖了整个进碴口的长度。刮刀安装在刀盘 边缘。由于刀盘需要正反旋转 , 因此切刀的布置也在正反方向布置 , 为了提高切刀的可靠性 ,在每个轨迹上至少布置 2 把。在周边工作量 相对较大 , 磨损后对盾构切口环尺寸影响较大 , 在正反方向各布置了 8 把刮刀。

11、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 , 便于更换。在切刀或刮刀的刃口和刃口背面镶嵌有合 金和耐磨材料，以延长刀具的使用寿命，切刀的破岩能力为20MPa可 以顺利地通过进出洞端头的加固地层。2、砂层及砂卵石地层的刀具一些地区的地质土层主要是以砂 , 卵石地层为主，而其中会含有 颗粒加到的岩石或者漂石， 这需要配置滚刀以防不备。 在此砂层及砂 卵石地层施工时，需要设置 （ 宽幅）切刀、周边刮刀、先行刀 （ 重型撕 裂刀） 、中心刀、仿形刀等刀具。切刀是主刀具 , 用于开挖面大部分断 面的开挖；周边刮刀也称保径刀 ,用于切削外周的土体 , 保证开挖断面 的直径；先

12、行刀在开挖面沿径向分层切削 , 预先疏松土体 , 降低切刀的 冲击荷载 ,减少切削力矩 , 同时重型撕裂刀用于破碎强度较低和粒径 较小的卵石和砾石；中心刀用于开挖面中心断面的开挖 , 起到定心和 疏松部分土体的作用； 仿形刀用于曲线开挖和纠偏。 滚刀用于破碎粒 径较大的砾石或漂石。3、风化岩及软硬不均地层的刀具在我国的西南部岩石区域较多， 属于上软下硬， 地质情况极为复 杂，而且部分的岩石抗压能力能够达到 150-200Mpa 左右，因此进行 此类岩石挖掘时， 还需要增加上切削型刀具外包括宽幅切刀， 而其施 工时徐奥提供先行到，在到滚刀。由于岩石层较为复杂，因此整个破 岩的过程应当为首先通过滚

13、刀进行破岩 , 且滚刀的超前量应大于切刀 的超前量 ,在滚刀磨损后仍能避免切刀进行破岩 , 确保切刀的使用寿 命。在曲线半径小的隧道掘进时 , 为了保证盾构的调向和避免盾壳被 卡死, 需要有较大的开挖直径 ,因此刀盘上需配置滚刀型的仿形刀 （ 或 超挖刀 ） 。4、单纯的纯硬岩地层的刀具单纯硬岩地层应当直接诶选用滚刀，而无需任何齿刀直接使用， 甚至可以在刀盘面板周边开口处配备刮碴刮刀板， 以便能够增强滚刀 的使用效率。三、刀具配置的差异性在盾构机进行掘土时， 需要注意的到刀具配置的差异会导致盾 构机的掘进速度和效果， 因此选择合适的刀具对于工程进度非常有帮 助。在复合型地层施工时， 刀具配置之

14、间的差异主要变相在滚刀和先 行刀之间的参数配置、数量、厚度、高度以及相互组合的差异上。其 主要的表现为刀具高能够有效的方式泥饼的形成， 高度差异过大有利 于将岩石彻底破碎。 而且滚刀刀间距过大和过小都会对破岩产生巨大 的差异。刀具间距过大，滚刀将会出现“岩脊”现象，从而无法有效 的破岩，而滚刀间距过小，小块的碎石就会增多，导致岩石破碎难度 增大。 因此在复合地层中间进行掘进时， 需要使用周边滚刀间距小于 90mm正面滚刀间距大约为100mm-120m的盾构机，从而能够防止滚 刀间距不足或过小产生的问题。 当然为了能够保证实际施工效果， 使 用盾构机的刀具间距最好经过考察的工地地层的岩石情况具体而定。四、结束语通过此次的考察调研， 我充分认识到刀具对整个盾构施工作业的 重要性， 刀具的配置直接关系到