《盾构机刀盘刀具认识》

《地下铁道施工》主讲人：路颜盾构机刀盘刀具认识地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology目录DIRECTORY刀盘的功能及构成01刀具的分类0203刀具的结构及工作原理地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology1.刀盘的结构及功能刀盘的功能及构成

结构：转动的盘状掘削器，由掘削地层的刀具，稳定掘削面的面板，出土槽口构成。功能：开挖功能、支撑功能、搅拌功能。地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology2.刀盘的开口率刀盘的功能及构成刀盘的开口率：

刀盘面板开口部分的面积与刀盘面积的比值。辐条式（开口率65%左右）、辐条面板式（开口率35%左右）、面板式（开口率20%左右）。

地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology3.刀具的分类刀具的分类

球齿滚刀滚压破岩楔齿滚刀盘形滚刀

切刀

盾构刀具切削破岩先行刀

周边刮刀

辅助刀具

仿形刀地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology3.刀具的分类刀具的分类

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。按运动方式分类按安装方式分类刀具固定式（刀具）旋转式（滚动式）地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology3.刀具的分类刀具的分类按安装位置分类地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology3.刀具的分类刀具的分类种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地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology4.刀具的结构刀具的结构及工作原理(b)盘形滚刀圈

(c)盘形滚刀(a)盘形滚刀示意图9地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology4.刀具的结构刀具的结构及工作原理(a)周边刮刀

(b)周边刮刀(背面)(c)周边刀安装位置(e)方柄齿刀

(f)齿刀(g)中心齿刀(d)齿刀地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology4.刀具的结构刀具的结构及工作原理

(h)先行刀(i)先行刀

(j)先行刀(k)牛角刀

(l)羊角刀

(m）三棱刮刀地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology4.刀具的结构刀具的结构及工作原理

海瑞克齿刀由刀体、端部硬质合金刀片和背部球齿构成。地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology4.刀具的结构刀具的结构及工作原理

海瑞克刮刀是用硬质合金钢做为刀头，高耐磨合金钢作为刀体。地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology5.刀具适应地层的选择刀具的结构及工作原理

对于不同地层的开挖，盾构的刀具通常采用不同型式：开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀；地层为较软岩石时，采用齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采用切刀(或刮刀)。卵石层(N>40)砂砾卵石(10<N<40)洪积土(砂质土)(10<N<25)冲击粘土(0<N<10)N为标准贯入锤击数地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology6.刀具的工作原理刀具的结构及工作原理

切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，盾构向前推进的同时，刀刃和到头部分插入到地层内部，随刀盘旋转对开挖面土体进行切削。适用于软土及泥岩地层。一般情况下，β(前角)与α(后角)值随切削地层特性不同变化，取值范围在5～20度之间，粘土地层稍大，砂卵石地层稍小。切削刀一般形状示意图三棱刮刀

地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology6.刀具的工作原理刀具的结构及工作原理

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，因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有装载的功能。切削刀切削土体示意图

地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology6.刀具的工作原理刀具的结构及工作原理

先行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，先行刀断面一般比切削刀断面小。采用先行刀，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，尤其是砂卵石地层使用效果十分明显。先行刀先行刀与切削刀协同工作示意图地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology6.刀具的工作原理刀具的结构及工作原理

地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology6.刀具的工作原理刀具的结构及工作原理

贝壳刀实质上是先行刀，盾构机穿越砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层时，采用盘圈贝型刀，将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石)的难题。贝壳刀实物照片贝壳刀示意图地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology6.刀具的工作原理刀具的结构及工作原理

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，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(直径约1.5m)不能布置切削刀，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。鱼尾刀示意图

地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology6.刀具的工作原理刀具的结构及工作原理

鱼尾刀：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(直径约1.5m)土体，而后扩大到全断面切削土体，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土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动(如同犁地一般)。

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，又大大提高盾构机整体掘进水平。鱼尾刀切削土体示意图

地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology6.刀具的工作原理刀具的结构及工作原理

仿形刀布置在辐条的两端。盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，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，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏。地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology6.刀具的工作原理刀具的结构及工作原理

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石中，国外曾有在抗压强度超过200MPa岩石中应用的工程记录。盘形滚刀圈

盘形滚刀地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology6.刀具的工作原理刀具的结构及工作原理

盘形滚刀适用于硬岩，根据岩体性质和安装位置不同，可选择单刃、双刃、三刃及四刃滚刀。三刃及四刃滚刀只用于刀盘中心，以适应刀盘中心小半径旋转；双刃滚刀通常用于泥岩、页岩等软岩。

地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology6.刀具的工作原理刀具的结构及工作原理

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，一边绕刀盘中心轴公转，一边绕自身轴线自转，在掌子面上切出一系列的同心圆沟槽。在盾构机推力的作用下，盘形滚刀刀尖刀尖贯入岩石，形成压碎区和放射状裂纹；当滚刀间距S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，盘形滚刀完成一次破岩过程。挤压、起裂阶段

破碎阶段

地下与隧道工程技术专业教学资源库Undergroundandtunnelengineeringtechnology6.刀具的工作原理刀具的结构及工作原理

齿刀上装有2个切削刃，刀盘正反转时都能进行破岩。另外，在软岩中掘进时，由于盘形滚刀与岩石掌子面之间不能产生一定的附着力，将导致滚刀不能滚动而失去有效的破岩功能，可将部分盘形滚