盾构刀盘刀具

1、盾构刀盘刀具盾构刀盘刀具盾构掘进机盾构掘进机(shield machine，shield tunneling machine)隧道掘进机隧道掘进机tbm（tunneling boring machine）o 在欧洲，盾构也称为在欧洲，盾构也称为tbm tbm （tunnel boring machine tunnel boring machine ）o 在日本和我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为在日本和我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构，将用于岩石地层的隧道掘进机称为盾构，将用于岩石地层的隧道掘进机称为tbmtbm。但通常定。但通常定义中的义中的tbmtbm是指全断面岩石隧

2、道掘进机，是以岩石地层为是指全断面岩石隧道掘进机，是以岩石地层为掘进对象，它与盾构的主要区别就是不具备泥水压、土压掘进对象，它与盾构的主要区别就是不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。等维护掌子面稳定的功能。o 泥水盾构（泥水盾构（slurry shieldslurry shield），土压平衡（），土压平衡（epbepb）盾构机）盾构机（earth-pressure balanced shieldearth-pressure balanced shield）o 盾构机的掘进性能很大程度上取决于刀盘的结构形式、刀盾构机的掘进性能很大程度上取决于刀盘的结构形式、刀具类型及布局方式等具类型及布

3、局方式等1 1、概述、概述o 目前国际上只有德国、美国、日本、法国、加拿大等少目前国际上只有德国、美国、日本、法国、加拿大等少数几个国家的企业具有能力生产，且造价高昂。数几个国家的企业具有能力生产，且造价高昂。o 20022002年年8 8月，中铁隧道集团在河南建立了隧道掘进机产月，中铁隧道集团在河南建立了隧道掘进机产业化基地，成立了以盾构业化基地，成立了以盾构/tbm/tbm研究开发中心、盾构研究开发中心、盾构/tbm/tbm组装调试中心、盾构组装调试中心、盾构/tbm/tbm制造维修中心为主要发展方向制造维修中心为主要发展方向的隧道机械制造公司。的隧道机械制造公司。20042004年年7

4、7月，上海隧道工程股份月，上海隧道工程股份有限公司也在上海外高桥建立了盾构产业化基地，成立有限公司也在上海外高桥建立了盾构产业化基地，成立了上海盾构设计试验研究中心和上海外高桥隧道机械有了上海盾构设计试验研究中心和上海外高桥隧道机械有限公司。限公司。 “十一五十一五”产业化方向产业化方向 o 在全国范围内形成在全国范围内形成2 23 3个隧道掘进机产业化基地，每个个隧道掘进机产业化基地，每个基地具备年产基地具备年产2020台隧道掘进机的能力。台隧道掘进机的能力。 o 土压平衡盾构产业化、系列化土压平衡盾构产业化、系列化 o 泥水盾构和复合盾构的研制泥水盾构和复合盾构的研制 o tbmtbm关键

5、技术研究关键技术研究 世界上最大的泥水盾构之一，开挖直径世界上最大的泥水盾构之一，开挖直径14.96m泥水盾构结构泥水盾构结构德国海瑞克德国海瑞克epbepbo 刀盘刀具研究内容包括以下几个方面：刀盘刀具研究内容包括以下几个方面：o 盘形滚刀的破岩机理（盘形滚刀垂直力、滚动力和侧向盘形滚刀的破岩机理（盘形滚刀垂直力、滚动力和侧向力的受力预测公式）力的受力预测公式） o 盘形滚刀改进研究（滚刀的形状和制造材料）盘形滚刀改进研究（滚刀的形状和制造材料） o 刀盘上刀具布置的研究（尽可能使每把刀破岩量相等，刀盘上刀具布置的研究（尽可能使每把刀破岩量相等，磨损量相似，刀盘不产生倾覆力矩，以提高刀具寿命

6、和磨损量相似，刀盘不产生倾覆力矩，以提高刀具寿命和掘进效率。）掘进效率。） o 其它刀具零部件的研究（如刀圈改型技术的研究，刀圈其它刀具零部件的研究（如刀圈改型技术的研究，刀圈材料的选择，刀具螺栓失效分析等）。材料的选择，刀具螺栓失效分析等）。盾构刀盘刀具国内研究现状盾构刀盘刀具国内研究现状o 上海交通大学（盾构在硬岩及软硬不均地层的掘进技术）上海交通大学（盾构在硬岩及软硬不均地层的掘进技术）o 华北电力大学（盘形滚刀受力分析及切割岩石数值模拟研华北电力大学（盘形滚刀受力分析及切割岩石数值模拟研究，盘形滚刀寿命预测理论，滚刀布置规律）究，盘形滚刀寿命预测理论，滚刀布置规律） o 西南交通大学西

7、南交通大学o 大连理工大学（随机突变载荷下的大连理工大学（随机突变载荷下的tbmtbm刀具布置与刀盘体刀具布置与刀盘体结构耦合设计方法）结构耦合设计方法）2、盾构机上常用刀具、盾构机上常用刀具o 滚刀滚刀: :又分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀又分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀o 切刀切刀: :主要使用于软土地层，一般布置在刀盘开口的两主要使用于软土地层，一般布置在刀盘开口的两侧，用于切削和剥离土体。侧，用于切削和剥离土体。o 刮刀刮刀: :属于刀盘弧形周边软土刀具，在岩石地层中可用属于刀盘弧形周边软土刀具，在岩石地层中可用来刮渣。来刮渣。o 先行刀先行刀: :在切刀切削土体之前先行切削土体，

8、将土体切在切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。割分块，为切削刀创造良好的切削条件。o 仿形刀：仿形刀：刀盘标称直径刀盘标称直径6280mm6280mm，刀盘厚度，刀盘厚度550mm550mm，高，高1310mm1310mm，总重，总重57t57t。3131单刃滚刀，单刃滚刀，4 4双刃中心滚刀，双刃中心滚刀，6464把切刀，把切刀，8 8把双刃刮刀把双刃刮刀/ /右右向旋转。向旋转。滚刀分为盘形滚刀、球齿滚刀、楔齿滚刀。一般是用盘形滚刀分为盘形滚刀、球齿滚刀、楔齿滚刀。一般是用盘形滚刀，盘形滚刀的刀圈为整体结构。滚刀，盘形滚刀的刀圈为整体结构。盘形滚刀刀圈

9、断面形状盘形滚刀刀圈断面形状刀具失效形式刀具失效形式o 刀具磨损（刀具更换总量的刀具磨损（刀具更换总量的80%）o 刀圈偏磨（刀具不能转动，轴承问题）刀圈偏磨（刀具不能转动，轴承问题）o 刀圈移位（挡圈损坏）刀圈移位（挡圈损坏）o 刀圈断裂崩刃（刀圈瞬时侧向力过大）刀圈断裂崩刃（刀圈瞬时侧向力过大）o 刀圈断裂，刀圈脱落，刀体损坏（失圆与超量磨损）刀圈断裂，刀圈脱落，刀体损坏（失圆与超量磨损）o 刀座与面板磨损刀座与面板磨损3 3、刀具失效形式及破岩机理、刀具失效形式及破岩机理中心滚刀偏磨-刀盘外周磨损刀盘外周磨损（日本三菱（日本三菱 北京地铁北京地铁) )o 盾构刀具破岩方式有两种，滚压破岩

10、是在岩石地层中利盾构刀具破岩方式有两种，滚压破岩是在岩石地层中利用盘形滚刀滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用破碎岩用盘形滚刀滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用破碎岩石。石。o 切削破岩是在土、砂层或软岩地层中利用切刀的刀刃施切削破岩是在土、砂层或软岩地层中利用切刀的刀刃施力于岩体上，将岩体的外层剪切而剥离母岩。力于岩体上，将岩体的外层剪切而剥离母岩。o 一般在软土地层和砂性地层中采用切削破岩方式进行盾一般在软土地层和砂性地层中采用切削破岩方式进行盾构施工，在岩石地层、硬塑土层和砂砾地层中采用以滚构施工，在岩石地层、硬塑土层和砂砾地层中采用以滚压破岩为主、切削破岩为辅的方式进行掘进施工。压破岩为主、

11、切削破岩为辅的方式进行掘进施工。o 滚压破岩的主要机具为盘形滚刀，切削破岩的主要机具滚压破岩的主要机具为盘形滚刀，切削破岩的主要机具为切刀。为切刀。破岩机理破岩机理盘形滚刀破岩轴迹盘形滚刀破岩轴迹轴向力轴向力p p使滚刀压入岩石，滚动力矩使滚刀压入岩石，滚动力矩m m使滚刀滚压岩石，两者的共同作用使岩石得使滚刀滚压岩石，两者的共同作用使岩石得到连续的破碎。到连续的破碎。推力是主要的参数，它决定了扭矩（滚动力矩）及其他参数，滚压破碎功率中扭推力是主要的参数，它决定了扭矩（滚动力矩）及其他参数，滚压破碎功率中扭矩是最主要的参数，占破碎功率的绝大部分矩是最主要的参数，占破碎功率的绝大部分伊万斯公式伊万斯公式（计算垂直推力比实际破岩垂直推力要小）（计算垂直推力比实际破岩垂直推力要小）日本秋三藤三郎日本秋三藤三郎 （侧向力公式）（侧向力公式）o 挤压破碎理论挤压破碎理论o 剪切破碎理论剪切破碎理论科罗拉多矿业学院预测公式（基于线性切割）科罗拉多矿业学院预测公式（基于线性切割）目前刀盘设计中常用目前刀盘设计中常用垂直力垂直力滚动力滚动力科罗拉多矿业学院预测公式（基于压痕试验）科罗拉多矿业学院预测公式（基于压痕试验）东北工学院岩石破碎研究室预测公式东北工学院岩石破碎研究室预测公式上海交通大学上海交通大学640教研室预测公式教研室预测公式华北水电学院北京研究生部公式华北水电学院