盾构机刀具刀盘的失效形式分析及预防措施机械专业.doc

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1、毕业设计文件设计题目：盾构机刀具刀盘的失效形式分析及预防措施摘要：近年来，随着科学与技术的不断发展，人们对空间需求已经从地上逐步发展到地下，开发利用地下空间最主要的工具就是隧道挖掘机。盾构机是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备，在城市隧道的开挖中得到越来越广泛的应用。刀具作为盾构机上最重要的部件，国内对它的设计研究尚处起步阶段。而刀盘是全断面隧道掘进机的设计关键，是影响其掘进性能的决定性因素。本论文对盾构机刀具和刀盘的选型以及失效形式分析及预防措施进行了研究，具体内容如下：研究了刀具的形式及配置分析，详细的阐述了刀具的磨损与耐用度，分析了刀具的失效形式与管理。并对刀盘的型式、结构、功能

2、与失效形式及预防措施进行了分析。关键词： 刀具 刀盘 失效形式 刀具磨损Abstract：In recent yeas,with scientific and technical progress,peoples demand for spacehas been gradually developed from the ground to underground,the most importanttool to exploit and utilize underground space is shield machine. The shield machine is one kind use

3、s in excavating the underground tunnel specially the large-scale complete set construction，Excavates in the city tunnel obtains the more and more widespread application. The cutting tool takes on the shield machine most important part, Domestic to its design research still place start stage. However

4、,Being acrucial factor in influencing the performance of shield machine，the cutterhead designis one of the key issues of shield machine. The present paper has conducted the research to the shield machine cutting tool and the cutter head shaping as well as the expiration form analysis and the prevent

5、ive measure, The concrete content is as follows: Has studied the cutting tool form and the disposition analysis, Detailed elaboration cutting tool attrition and abrasive resistance, Has analyzed the cutting tool expiration form and the management. Has analyzed the cutting tool expiration form and th

6、e management.And to the cutter head pattern, the structure, the function and the expiration form and the preventive measure has carried on the analysis.key words：Cutting tool cutter-head Failure forms Cutting tool at 目 录前言11盾构机刀具的失效形式分析及预防措施31.1盾构机的介绍31.2盾构机刀具的管理与维护41.2.1刀具的配置41.2.2刀具管理的主要内容61.2.3延长

7、盾构机刀具使用寿命的措施81.3刀具的失效分类与刀具分布91.3.1刀具失效的分类91.3.2各种位置上刀具的分布情况101.4刀具失效的原因分析101.5预防刀具失效的技术措施121.6本章小结122盾构机刀具磨损及耐用度分析研究132.1刀具磨损问题132.2滚刀磨损状况和磨损相关因素132.2.1滚刀磨损的主要形式132.2.2与滚刀磨损相关的地质因素152.2.3刀盘形式与刀具组合因素162.2.4施工控制因素162.2.5工程设计因素162.3提高刀具耐用度的对策172.3.1与地质相匹配的刀具配置172.3.2改善刀具磨损情况的措施182.4本章小结193刀盘的型式、结构、功能与失

8、效分析203.1刀盘的型式分析203.1.1常见的盾构刀盘型式203.2刀盘的结构分析223.2.1刀盘的主要结构223.3刀盘的功能分析233.4刀盘的失效分析233.5本章小结24结束语25参考文献26III前言伴随着21世纪的到来，伴随着我国城市化进程的加快，城市建设快速发展，城市规模不断加大，城市人口急剧膨胀，许多城市不同程度上出现了用地紧张，生存空间拥挤，交通堵塞，给城市生活带来了很大的影响，也制约着经济和社会的进一步发展。由于流动人口以及道路车辆的增加，城市交通呈急剧增长的态势，而道路的相对有限性带来了交通堵塞，车速下降、交通事故频繁等系列问题。行车难，乘车难成为市民生活和工作的一

9、个突出问题。城市地下空间的利用和开发，已成为世界性发展趋势，并作为衡量城市现代化的标志。国际上不少学者提出“21世纪是地下空间开发利用的世纪”，城市向三维空间发展，即实行立体化的再开发，是城市中心区改造的唯一途径。地下空间的充分利用是城市立体化开发的重要组成部分。这样可以扩大空间容量，提高城市集约度，交通顺畅，环境得到有效改善。工程实践方面，美国、瑞典、日本、加拿大、法国等国在城市地下空间利用率已达相当规模和水平。但是因为盾构机研制技术含量高、制造工艺复杂，目前世界上只有极少数的厂商掌握盾构机研发制造技术。我国大约有95的盾构掘进机依赖进口或合作制造，欧洲和日本等公司的铁盾构机基本上垄断了中国

10、的盾构掘进机市场，而且价格居高不下。据业内人士分析，在北京广州、南京、天津等地的地铁隧道建设中，90以上的盾构都是从德国和日本公司购买的。目前，国内许多企业虽然也开展了盾构设备的研制和相关技术的开发，如：上海隧道股份限公司、铁道部隧道局、广重集团等单位自行设计和开发了适用的盾构掘进机和相关的施工技术，制造了多种形式的盾构。但国产盾构仅能适用于周围环境要求不高和地质条件单一的地区，不适合建筑密集地区、管线复杂地区、地质条件复杂的地区。当环境要求高、破坏后治理费用大时，综合考虑费效比后，还是不得不花费大量外汇采用进口盾构。可以说，我国现代盾构掘进设备和技术的研制才刚刚起步，尚没有形成能针对不同地质

11、条件和环境的要求设计、制造适用的盾构掘进机的能力。在目前我国盾构机发展技术不成熟，以及未来盾构机使用的巨大的潜在市场情况下，掌握盾构掘进设备关键部件的工作机理，进而实现国产化就显得尤为必要。 1盾构机刀具的失效形式分析及预防措施1.1盾构机的介绍盾构是一个具备多种功能于一体的综合性隧洞开挖设备,它集和了盾构施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全部的功能，目前盾构机已成为地下交通工程及隧道建设施工的首选设备被广泛使用。一盾构机的优点如下：1不受地面交通、河道、航运、季节、气候等条件的影响。2能够经济合理地保证隧道安全施工。3盾构的掘进、出土、衬砌、拼装等可实行自动化、智能化和施工运输控制信

12、息化。4掘进速度较快，效率较高，施工劳动强度较低。5地面环境不受盾构施工的干扰。二盾构机的缺点如下：1盾构机械造价较高。2在饱和含水的松软地层中施工地表沉陷风险大。3隧道曲线半径过小或埋深较浅时难度较大。4设备的转移、运输、安装及场地布置等较复杂。盾构作为一种保护人体和设备的护体，其外形（断面形状）随所建的工程要求不同有圆形、双圆形、三圆形、矩形、马蹄形、半圆形等。（如：人行道方形能最大限度的利用空间、过水洞马蹄形符合流体力学、公路隧道半圆形利用下玄跑车）。而因圆形断面受力好、圆形盾构设备制造相对简单及成本相对低廉，绝大部分盾构还是采用传统的圆形。为适应各种不同类型土质及盾构机工作方式的不同，

13、盾构机可分为三种类型、四种模式：三盾构机的三种类型：1软土盾构机。2硬岩盾构机。3混合型盾构机。四盾构机的四种模式：1开胸式。2半开胸式（半闭胸式、欠土压平衡式）。3闭胸式（土压平衡式）。4气压式。软土盾构机适应于未固结成岩的软土、某些半固结成岩及全风化和强风化围岩。刀盘只安装刮刀，无需滚刀。硬岩盾构机适应于硬岩且围岩层较致密完整，只安装滚刀，不需要刮刀。混合盾构机适应于以上两种情况，适应更为复杂多变的复合地层。可同时安装滚刀和刮刀。气压盾构是在加气压状态下的施工模式，即可用于泥水加压式盾构机，也可用于土压平衡式盾构机。1.2盾构机刀具的管理与维护1.2.1刀具的配置刀具的结构、材料及其在刀盘

14、上的数量和位置关系直接影响到掘进速度和使用寿命。不同的地层条件对刀具的结构和配置是不相同的。一刀具种类：单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀（双刃以上的一般都是中心滚刀）、齿刀、切刀、刮刀和方形刀（超挖刀）。为适应不同的地层，滚刀和齿刀可以互换，所以它们的刀座相同。二刀具的破岩机理：分软岩切削机理和硬岩破岩机理。软岩切削机理是刀具对土层的挤压所产生的剪切力来破坏土层而达到切削效果。硬岩破岩机理是利用硬质材料的易脆性质，采用滚刀的滚动对岩石挤压产生的剪切力和（冲击力）碾碎岩石的机械破岩方法。要实现连续破岩就要在滚刀上施加一个正压力和一个使滚刀滚动的水平推力。正压力是来自于盾构的推进力，水平推力是刀盘转动

15、施加在滚刀轴上与开挖面平行的推力。所以滚刀破岩要想达到满意效果，必须满足两个条件：1工作面的岩层要有一定强度。2滚刀的启动扭矩要小。因为以下因素很难满足以上条件：1地质因素。2滚刀的制造质量及工艺。3滚刀质量一致性。4开挖模式问题。三刀具配置的差异性刀具配置的差异性表现在滚刀和刮刀的配置数量和高等级组合高度差等方面。刀具的高度差及组合高度差对开挖的影响：1刀具高对防结泥饼有利2刀具的高度差大有利于破岩四滚刀与滚刀之间的刀间距。滚刀的刀间距也是影响破岩能力的关键因素。刀间距过大会在两刀之间出现破岩的盲区而形成“岩脊”。刀间距过小会将岩体碾成小碎块，降低破岩功效。目前，刀盘边缘部分的刀间距一般都小

16、于90mm,正面刀具的刀间距一般在100mm,有的在115-120mm之间。1.2.2刀具管理的主要内容刀具的养、用、管、修是盾构机使用过程中不可忽视的重要程序。应当有计划、有反馈、有分析和总结，建立一个良性的、闭式循环的管理系统。这对于有效利用刀具、降低使用成本、减少施工风险和提高施工效率都有十分重要的意义。刀具管理的主要内容盾构机刀具管理分为大、小两个闭式循环管理系统。大循环指刀具选用一具体操作一比较、分析一反馈一刀具选用的过程;小循环指测试一使用一检查、更换一修理一试验大循环是小循环的基础，小循环是大循环的具体体现。控制好大循环就等于把好了第一关，为小循环顺利的运行建立了良好的基础;控制

17、好小循环做好具体工作，又能给大循环提供更多、更好、更及时的反馈，使大循环能及时、有效的调整，一切按着计划运行，避免了多余的投入，保证了成本的最小化。刀具管理流程与任何一项工作一样，盾构机刀具管理有特定的流程，如图1-2所示。图1-2 盾构机刀具管理流程测试盾构机刀具主要分为齿刀与盘型滚刀两大类。前者用于软弱地层及强度在20MPa以下地层的开挖，后者适用于强度较高的地层。对齿刀而言，主要侧重于检查齿刀刀体结构，齿刀刀头的牢固性(齿刀刀头与齿刀刀体相连的方式主要有3种:焊接、螺栓连接与嵌入)，以及刀头上硬质合金的质量，多为目测。盘形滚刀除去目测刀圈有无裂纹、刀具有无漏油现象外，还需利用专用工具与刀

18、具跑合装置来测试刀具的启动和刀具的气密性。若刀具启动扭矩过大，在较软、粘性较大地层掘进时，地层不能提供足够的扭矢巨使刀具转动而导致刀具弦磨;若启动扭矩过小，刀具轴承必然会松动，不利于刀具受力。因此检验刀具启动扭矩值是否符合厂家提供的设计要求至关重要。同时，刀具的气密性是检验刀具密封效果的指标，气密性不好，会导致刀具润滑油泄漏，最终导致刀具轴承损坏。由子刀具在装配时轴承密封可能存在安装不到位或者有杂物进入的情况，从而导致刀具的气密性差，这种情况在刀具静止时不易发觉，只有在刀具运行时才能根据润滑油是否泄漏来判断。刀具使用掘进时采用的掘进方法决定了刀具的使用状况，选择合理的掘进模式。1.2.3延长盾

19、构机刀具使用寿命的措施一刀具生产加工必须制定一套科学合理的制造工艺,刀具制造工艺是控制刀具质量的关键。二滚刀的制造盾构机滚刀完全按照掘进地质选用碳钢经表面渗碳处理,刀圈采用热煅一次滚压成型工艺,使刀具材料内部金相组织结构更加均匀致密,减少刀圈的断裂,同时在表面形成一定厚度的硬化层,具有高耐磨、抗冲击性能。选用优质热膨胀系数小的润滑油脂,同时在刀具内部安装有润滑补偿装置,在一定温度变化范围内确保刀具的正常润滑与油脂的补充。经使用对比效果显著。由于滚刀在掘进过程中承受比岩石层抗压强度高8 MPa12 MPa,当岩石硬度超过60 MPa时,刀圈硬度HRC 6570,如果刀圈采用合金材料制造时,其内外

20、硬度是一致的,具有较好的耐磨性,但抗冲击性能明显下降,不利于TBM的破岩。根据经验总结及材料机理分析,当岩石抗压强度达到或超过55 MPa时,刀具材料应选用高碳钢,表面采用高温气体渗碳达到相对硬度,形成外硬内软,具有较好耐磨性、抗冲击性能,而不适于选用合金钢作为刀圈制造材料或刀圈采用中碳钢表面镶嵌合金齿,以满足破岩性能的要求。三刮刀的制造根据进口刮刀在使用中易造成变形,通过物化性能分析,刮刀基材为45中碳钢或20低碳钢加工而成,表面硬度HRC 2228,未作任何表面处理,因此在受到岩石或卵石冲击时极易产生变形。在国产刮刀生产时,做了以下制造工艺调整:材料由原来的低碳钢改为中碳钢,基材表面硬度H

21、RC3236;在冲击面与棱角部位补焊0.250.32耐磨合金层。四合理选择刀具不同地质应选用不同材质、生产工艺的刀具,如果同一种刀具用于不同地质,刀具的使用寿命将会受到严重影响;在软地层掘进中要求刀具具有较好的抗磨性、硬度比岩石抗压强度高10 MPa15 MPa;在硬岩掘进中,要求刀具有良好的耐磨性、抗冲击性。五严格刀具加工与密封刀具生产加工工艺对刀具使用寿命的影响,煅造与热处理工艺的影响最为重要,生产过程中工艺控制将直接造成金属材质的内部缺陷,在刀具受到冲击、振动、压力的作用下,内部缺陷将形成微小裂纹而不断延伸与扩展,最终造成断裂,控制好刀具生产工艺可以显著的提高刀具的寿命。同时刀具密封是影

22、响刀具使用寿命的主要原因之一,由于密封的早期损坏,造成刀具轴承损坏与刀圈偏磨、壳体损坏及整个刀具总成的报废,选择正确的密封形式是保证滚刀寿命的一个重要因素。总之,盾构机施工在我国还处于刚刚起步阶段,随着经济的发展,会有越来越多的穿越工程选择盾构机形式,不管在何种形式的盾构机施工中,刀具研究技术一直是盾构机应用的关键因素。1.3刀具的失效分类与刀具分布1.3.1刀具失效的分类城陵矶长江穿越隧道所用盾构从试掘进开始至今已掘进了2001m,共更换刀具36把,经过对损坏刀具的检查,发现刀具损坏主要有正常失效和非正常失效两大类。a.正常失效刀具磨损至极限已无法使用必须更换的刀具磨损。正常失效的刀具换下来

23、后除刀圈磨损不能使用外,其它各部分均可正常使用。b.非正常失效刀圈没有达到磨损极限而因其它原因造成刀具损坏不能使用造成的失效。非正常失效主要有:刀圈断裂、弦磨挡、圈断裂、轴承损坏及卡死、轴承密封损坏。1.3.2各种位置上刀具的分布情况AVN2440DS盾构机的刀具在刀盘上的分布情况如图1-3所示图1-3 AVN2440DS复合式盾构机滚刀刀具分布图中心刀:由4把单刃滚刀,安装在刀盘的中心位置,其刀号为1、2、3、4。正滚刀:六把双刃滚刀根据离刀盘中心由近至远依次安装在刀盘上,刀号分别为5、6、7、8、9、10。边滚刀:三把三刃滚刀根据离刀盘中心由近至远依次安装在刀盘上,刀号分别为11、12、1

24、3号,原设计方案边滚刀最早安装的是双刃滚刀,由于刀具失效频繁,后更改为三刃滚刀。切刀:共30把。刮刀:共6把。边刮刀:共6把(图中未能显示)1.4刀具失效的原因分析一刀具装配质量对刀具失效的影响在刀具零部件质量良好的情况下,影响刀具装配质量的主要因在因素是隔离圈的尺寸及刀盖与刀轴的连接螺栓的紧固力矩。1隔离圈尺寸的影响隔离圈主要是对轴承内圈实行轴向定位,必须经过准确测量和精细加工，技术规范中规定；其尺寸精度达到0.01mm如果隔离圈尺寸过小,将造成轴承装配过紧,导致装配时冷卡死或使用中因温度升高而发生卡死现象;如发生热卡死现象,将造成刀圈弦磨(刀圈不转动而刀尖剧烈磨损,因而不能使用),使刀具温

25、度进一步升高影响到轴承的密封效果，如果隔离圈尺寸过大,将造成轴承装配过松,刀体相对于轴承产生轴向移动,在侧向力的作用下使刀体向一侧发生失量位移,影响到轴承密封的使用效果。2刀盖与刀轴连接螺栓紧固力矩的影响刀盖的作用一方面是对过其凸台对轴承内圈实行轴向定位,另一方面是对轴承密封有一定的预压作用,保证密封的使用效果.技术规范中规定其连接螺栓的紧固力矩为200Nm装配过松或过紧,不仅会产生像隔离圈尺寸对轴承密封一样的影响,而且会使轴承密封装配时预压力过大或过小,从而影响到轴承密封的效果。3刀具安装孔的影响刀具凸缘对刀具的正常使用有一定的保护作用,刀凸缘的过量磨损,将对刀具造成较为严重的损坏,特别是1

26、113号三刃滚刀和其它高位刀。由于刀孔凸缘的过量磨损,使刀过多的伸出,石块将使刀体、刀盖快速磨损。刀具使用工况主要是指刀具在刀盘上的使用状况而言。二岩石的影响对于节理发育一般的软岩,掘进参数主要是小推力,大扭矩。此时刀具承受的侧向力增大,易造成刀体相对于轴承发生轴向移位,破坏轴承密封的原始密封壮态,从而使密封失效,导致刀具漏油,造成刀具失效。对于节理很发育的破碎岩,在掘进过程中大量的块状岩石坍塌进而刀盘、刀具和岩面之间挤压滚动,即发生二次破碎。其结果一方面造成刀具承受的侧向力增大,促使轴承损坏;另一方面刀体被挤压变形,从而使轴承密封的支撑环断裂,导致密封损坏,造成刀具失效。三刀具选择不当及刀位

27、的影响由于边滚刀安装位置的原因,刀盘每转动一圈,边滚刀运行距离相对于其它滚刀要长的多,因此原设计方案使用双刃滚刀造成刀具经常失效,后换用三刃滚刀,效果有明显的好转。高刀位刀具位于刀盘的弧形过渡区域,由于承受正推力的作用,将对刀具产生一个轴向力,致使刀具有轴向位移的趋势或导致轴承损坏,这是高位刀具容易发生刀具失效的一个主要原因。四掘进参数对刀具失效的影响由于掘进参数选用不合理,造成刀承受过大冲击力,从而造成刀圈的断裂,这也是刀具失效的一个主要原因。1.5预防刀具失效的技术措施刀具失效往往不是单方面因素作用的结果,而是各种因素综合作用的结果,如何减少刀具失效的发生,综合以上原因分析,提出下列预防刀

28、具失效的技术措施。1正确选用质量合格的零部件,制定合理的零部件磨损极限2制订正确的修刀工艺,使用前做好试验。3遵循正确的换刀规律,确保换刀过程的正确合理。4合理地选择掘进参数。1.6本章小结本章开头介绍了盾构机的基本类型及工作模式，主要研究了刀具的配置、管理与维护。最后着重对刀具的失效形式及预防措施进行了分析。并针对刀具失效的原因提出了四点预防刀具失效的技术措施。2盾构机刀具磨损及耐用度分析研究2.1刀具磨损问题随着盾构法在国内的广泛使用，刀具磨损已经成为一个影响工程质量和进度的关键问题。在盾构施工中，刀具的磨损不可避免，但一旦刀具出现磨损后，若不能及时发现并将其更换，将会大大加速刀盘上其他刀

29、具的磨损速率，当磨损过量时甚至会导致刀盘磨损，轻则造成掘出来的隧道直径偏小，使盾构推进困难，重则造成刀盘严重变形，最终使刀盘报废。刀具消耗严重，会带来刀具频繁更换、地层加固、换刀安全等一系列的问题，严重的影响了工程的顺利进行(图2-1，2-2)。但是目前盾构法施工刀具的切削机理、磨损规律还没有被我们完全掌握，刀具的跟踪检测水平不够，刀具更换复杂困难、成本很高，进货周期很长，不但影响了整个工程的质量也会拖延工期。可见，掘削刀具的磨损是影响盾构法施工的一个急待解决的问题。图2-1 滚刀磨损示意图 图2-2 切刀磨损示意图2.2滚刀磨损状况和磨损相关因素2.2.1滚刀磨损的主要形式盾构法施工中，不同

30、类型的刀具因用于不同的地层其磨损方式不尽相同。对于滚刀的磨损可以分为两大类：正常磨损和非正常磨损。滚刀的正常失效是指刀圈刃口宽度超过规定值(一般20mm)的均匀磨损，是刀具失效的主要形式，其磨损主要发生在相对比较单一、均匀的地层中。正常失效的刀具换下来后除刀圈磨损不能使用外，其它各部分均可正常使用。刀具的破岩效率与滚刀的刃口宽度有关，滚刀正常失效时，随着刀圈磨损量的增加，刃口的宽度增加，当达到一定范围时会影响掘进速度，甚至不能再掘进。根据统计，对于滚刀来说，非正常磨损主要有：刀圈偏磨、断裂、刀圈移位或脱落、轴承破坏及卡死、轴承密封破坏等。一刀圈偏磨（图2-3）此种情况一般发生在较软的泥或岩层时

31、，因为滚刀自身的启动扭拒较高，在刀盘转动的同时滚刀的轴承未发生转动，从而造成滚刀在开挖面上不能滚动，使刀圈呈现单边受力磨损。如果发现不及时，不但会加速这把刀的磨损，并且会造成相邻滚刀过载失效，从而迅速向外部扩张，直到整个刀盘上的滚刀全部磨损，严重的会加速滚刀轴承、刀盘、刀箱的严重磨损。第二种情况表现为在掘进过程中，盾构操作手在不同的地层中没有控制好掘进的各种参数，在粘土地层中推进速度快、刀盘扭矩高，在没有改良渣土的情况下长时间掘进造成滚刀被泥土包裹不能转动，从而使滚刀产生偏磨。二刀圈断裂和崩角特别是在上软下硬的复合地层中，地层突然变硬。在向前推进的过程中滚刀存在非常高的推力荷载和瞬间荷载，加上

32、刀圈的材质(硬而脆)，所以导致了滚刀刀圈的崩角和断裂。图2-3 地质不均地层刀圈受力示意图三刀圈移位刀圈移位主要是指用于避免刀圈沿轴线方向平移的挡圈发生了断裂和脱落。挡圈一旦发生了断裂和脱落会造成刀圈在轴线方向上左右摆动，从而加速了刀圈和轴承的磨损破坏和撞击破坏。主要是组装滚刀的时候，挡圈在工厂中的焊接不牢而引起；或者是滚刀在刀箱中安装的不够牢固，在推进中滚刀松动，造成刀圈左右摆动而使挡圈破坏。四轴承损坏刀具轴承损坏会导致刀圈弦磨,甚至磨损刀体,使刀具无法再次使用。造成刀具轴承损坏的主要原因有两个,即刀具密封失效和刀具过载。刀具密封失效主要体现为润滑油泄漏，润滑油泄漏导致水、碴土甚至水泥浆液渗

33、入轴承,使轴承无法正常转动。刀具密封损坏与刀具密封的耐压、耐高温能力有关,根据硬岩掘进机(TBM)的经验,损坏的刀具中,刀具密封失效的情况占70%。一般的盘形滚刀密封能承受的最高温度为80度,能承受的最高水压和气压均能达到1MPa。对盾构施工来说,保持掌子面与土仓碴土的流动性,降低刀具工作时的温度和压力是掘进过程中应主要考虑的内容之一。2.2.2与滚刀磨损相关的地质因素影响滚刀磨损的重要地质因素主要有：岩石强度、硬度、研磨性、断裂带及地层的节理、裂隙发育程度、造岩矿物种类、开挖断面的地质均匀程度等。其中岩石强度、硬度、研磨性与滚刀磨损速度呈正比关系；岩石节理、裂隙越发育，刀具破岩越容易，对刀具

34、的磨损也小；而开挖断面越不均匀，岩性变化越快，滚刀越容易发生不均匀磨损，在某些特殊情况下甚至对刀盘造成损坏性影响。需要特别指出的是，矿物种类对滚刀磨损有很大影响。岩石破碎时，首先是在矿物颗粒交界面处产生破碎，多数情况下颗粒本身不破碎。因此，岩石上的矿物与破碎下来的矿物颗粒都在磨损刀具，并且矿物颗粒的硬度越大，则磨损作用愈大。造岩矿物与岩石研磨性的关系如表2-4所示。一般而言，滚刀的研磨性随岩石中石英含量的增大而增大。表2-4造岩矿物与研磨性关系岩石单位功磨损量10 7m3/s砂质灰岩0.5含铁石英岩1.5长石砂岩5.1花岗岩6.1石英砂质岩102粘粒和粉粒含量多少，虽然不会对滚刀磨损造成直接影

35、响，但当粘粒和粉粒含量高时，很容易产生泥饼，从而间接造成滚刀偏磨。2.2.3刀盘形式与刀具组合因素刀盘是滚刀的载体，刀盘强度、刚度、刀盘开口率及开口均匀性，都与滚刀磨损密切相关。刀具组合和刀间距是否合理也对滚刀磨损有着重要影响。不同位置的刀具，其线速度不同，相同掘进长度内滚刀走过的轨迹不同，发生不均匀磨损的概率不同，刀具磨损程度也会不同。2.2.4施工控制因素施工技术控制涉及到滚刀磨损的具体因素有：有效推力、贯入度、切削环境（包括泥土压力、土仓内温度、开挖面动摩擦系数等）、刀具管理等。尤其在复合地层环境下切削环境较为复杂，使滚刀磨损的机理更复杂。滚刀的切削环境包括有无建立土压、开挖面是否表面干

36、燥或湿润、土仓的温度以及注入土仓或开挖面的泥浆及添加剂的性能等，都与滚刀磨损密切相关。2.2.5工程设计因素复合地层的施工实践表明，滚刀的磨损量，无论是均匀和非均匀磨损，都较理论计算和模型试验严重很多，工程设计因素也其了很大作用。从大的方面来说，线路设计决定了开挖面的地质条件，小曲线半径段，滚刀的轨迹较直线地段处在不断变化过程中，过多过快的变化很容易造成滚刀崩裂，并且侧向受力过大，加速滚刀刃角偏磨；上软下硬地段，滚刀在随刀盘转动过程中，受力状态在三维空间上不断变化，也将加快滚刀磨损。2.3提高刀具耐用度的对策2.3.1与地质相匹配的刀具配置不同的地质条什需选用不同的盾构型式，如在砂性土中一般采

37、用泥水平衡盾构，而在粘性土层中一般采用土压平衡盾构。但大多数城市地质条件往往比较复杂不是单一的地层，既有砂性土也有粘性土，甚至有强度较高的风化岩层。对于复杂的地质条件，采用盾构施工时必须进行充分的研究与分析，否则会给盾构施工带来极为不利的影响。从上面的介绍中可以知道盾构刀具的工作状况与施工地质的情况密切相关，而中国幅员辽阔，地质结构复杂多变，所需要的施工盾构的模式，刀具的配置也应该根据地质不同进行调整。刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况，进行针对性设计，不同的工程地质特点，采用不同的刀具配置方案，以获得良好的切削效果和掘进速度。中国的地层条件复杂，根据地质条件特点，可以大致分为三大地区：1

38、以上海地区为代表的软弱土地层；2以北京为代表的砂层、砂卵石地层；3以广州地区为主的风化岩及软硬不均地层。一软弱土地层在软弱土地层一般只需配置切削型刀具，如：切刀、周边刮刀，中心刀等。以南京地铁盾构为例，刀盘采用面板式结构，装有1把鱼尾形中心刀，120把切刀，16把周边刮刀及1把仿形刀。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。软弱土地层的刀盘结构相对简单；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，在正反方向各考虑了8把刮刀。考虑到刀盘的受力均匀性，刀具布置

39、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镶嵌有合金耐磨材料，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。二砂层、砂卵石地层砂性土一般摩擦阻力大，渗透性好，在盾构的推进挤压下水分很快排出，土体强度提高，故不仅盾构推进摩擦阻力大，而且开挖面土压力也较大。另外，盾构土仓内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体。同时砂性土中石英含量较大，刀具磨损较严重。其次是大粒径砂卵石不但切削或破碎困难，而且切削下来的碴土排出也十分困难，因此在刀盘设计时，应对刀盘形式，刀具形状及布置方式，加泥加泡沫系统等内容作为重点统筹考虑。在砂层、砂卵石地层施工时

40、，需设置切刀、周边刮刀、先行刀、鱼尾刀、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；鱼尾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。三风化岩及软硬不均地层除配置切削型刀具外，还需配置滚刀，因而刀盘结构相对复杂。对于岩层首先通过滚刀进行破岩，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，需要有较大的开挖直径，因此刀盘上需配

41、置滚刀型的仿形刀。为提高刀盘的寿命，刀盘面板及周边焊有耐磨条。2.3.2改善刀具磨损情况的措施一减小滚刀磨损状况的措施从滚刀运转原理可以知道，要想滚刀正常工作，需要通过增大转动力矩和减少阻力力矩来实现正常工作。具体的有如下措施：1双刃滚刀可增大转动力矩并能保护刀鼓；2增大渣土流动性可以有效地减少渣土在刀箱里的结块以降低摩阻力矩；3刀盘弧形侧面装配双刃滚刀比单刃滚刀在受力及减少磨损上较为合理；4由于切削刀磨损随刀具号数大而增大，因此，根据刀具位置适当加强刀具的耐磨配置；5滚刀刀鼓上堆焊耐磨材料，防止滚刀刀体的破坏；6选择合理的掘进参数和稳定开挖面的辅助措施，改善刀具的受力状态，减少非正常损坏。二

42、对于减小切削刀磨损的措施和建议1改进刮刀几何形状的设计，使之更符合渣土流动状态；2沿径向对刮刀的材料进行保护和改进，保证不同位置刮刀寿命的一致性。同时，针对该特殊地层，不应拘泥于现有的刀具类型与材料，积极探索刀具的新形式、新材料。三在盾构刀盘刀具的设计阶段要针对地质情况，仔细研究应选用的刀盘和刀具类型，除充分考虑各种刀具的覆盖面外，刀具的高度及高度差应受到足够的重视，应更多的考虑不同刀具之间的协调切削作用，使得刀具的空间排布合理有效。2.4本章小结本章主要研究了滚刀磨损的主要形式，及与滚刀磨损相关的地质、刀具结构、施工控制等相关因素。最后从设计和施工控制两方面总结了提高刀具耐用性的各项措施。3

43、刀盘的型式、结构、功能与失效分析3.1刀盘的型式分析3.1.1常见的盾构刀盘型式常见的刀盘结构形式分为辐条式、面板式和介于两者之间的辐板式三类，具体应用时应根据施工条件和土质条件等因素决定。刀盘的结构如图3-1所示。图3-1常见的盾构刀盘形式如图3-1所示，图A武汉地铁面板式刀盘；图B武汉地铁面板式刀盘；图C天津地铁辐板式刀盘；图D南京地铁地铁面板式刀盘；图E广州地铁辐条式刀盘；图F北京地铁辐条式刀盘。3.2刀盘的结构分析3.2.1刀盘的主要结构由于刀盘直径一般在几米到十几米之间，结构巨大。因此，一般为焊接的钢结构件，其组成部件及其功能如下：一 整体钢结构焊接件。整体钢结构焊接件为刀盘骨架，属

44、于整体钢结构件，其上安装刀具，并为刀具破岩提供支撑力。辐条式刀盘和面板式刀盘的骨架的差异很大，主要区别在正面形式。如图3-1所示，同为面板式刀盘或辐条式刀盘其正面结构也不尽相同。辐条式刀盘开口率很大，一般在70%-95%之间，且没有面板结构。由于刀具要按规律布置在辐条的两侧，因此，辐条的两侧需要焊接切刀刀座。面板式刀盘之间也存在差异，其主要区别在于刀具布置的不同和开口率和开口样式的不同。总体来说，可以分为需要安装滚刀和不需要安装滚刀两类。在需要安装滚刀的情况下，刀盘骨架结构中需要焊接刀箱，因此，需要设计安装刀箱的结构。不需要安装滚刀的情况下，刀盘结构相对简单，只是在辐条式刀盘的基础上，增加了面

45、板结构。其差异除了针对不同的地质情况，其样式不同外，也与刀盘的具体制造工艺有关。二刀箱。与刀盘整体结构焊接用于安装刀具。中心铸件与刀盘整体钢结构件焊接，连接盾构机轴承，传递扭矩、推力。三搅拌棒。焊接在刀盘背面，掘进过程中搅拌土仓内渣土，使渣土混合均匀改善渣土流动性。四泡沫管。焊接在中心铸件支撑壁内侧，为泡沫流过刀盘，喷溅到掌子面提供通道。五耐磨条。焊接在刀盘周围，减小刀盘结构磨损。另外，在刀盘边缘滚刀安装部位焊接耐磨网，减小刀盘结构的磨损。3.3刀盘的功能分析盾构机的刀盘位于盾构机的最前端，是盾构掘进机的旋转部件，主要具有开挖土体、稳定掌子面、搅拌碴土三大功能。盾构掘进机的开挖是依靠盾构刀盘上

46、布置的切刀、先行刀、滚刀等刀具，通过刀盘的旋转推进，刀具贯入地层将掘削面的土层切除实现的。开挖后的渣土通过渣槽，进入土舱；其次，盾构掘进机在不稳定的地层掘削时，刀盘的面板可以起到稳定掌子面，防止过分坍塌的作用。再次，刀盘后安装的搅拌装置对土舱内的渣土进行搅拌，使渣土具有一定的塑性，能通过螺旋输送机来调整控制土舱内的压力。3.4刀盘的失效分析盾构在掘进过程中，刀盘有可能会出现失效。常见的刀盘失效形式主要有刀具磨损和损坏、刀盘局部开裂或整体断裂、泡沫口堵塞等。除此之外，粘土情况下的刀盘易形成泥饼，也会影响盾构掘进的效率。常见的刀盘失效形式见图3-2。图3-2刀盘失效的主要形式a泥饼烧结、b滚刀弦磨

47、、c刀盘整体断裂、d滚刀刀箱堵塞、e刀具磨损、f刀盘开裂软土地质情况下，影响刀盘效率的主要因素是泥饼的形成。由于软土地质的粘性较大，而刀盘中心处的线速度低，因此，如果刀盘中心的开口率较小，切削下的土就容易粘附在刀盘上。随着刀盘的旋转，而土不能排出，导致刀盘面板的温度不断升高，从而将粘附在刀盘面板上的土烧结成块，堵塞开口，使得切削下的渣土不能顺利排出，影响施工效率。造成形成泥饼的问题已经成为制约盾构机顺利掘进的一大难题。致使形成泥饼的另一个重要的原因就是泡沫口堵塞。由于泡沫口堵塞，泡沫剂无法添加到掌子面，必然导致渣土的改良效果不好。特别是在粉质粘土、全强风化混合岩地层，刀具切削围岩会使掌子面产生高温，从而使碴土粘结在刀盘上形成泥饼，堵塞刀孔与进碴口，不但加大了刀盘的扭矩，而且增大了刀具的磨损速度和弦磨几率，并严重影响掘进效率。刀具的磨损也是刀盘失效的主要形式之一