(完整版)第6讲-盾构机刀具磨损及刀盘设计分析

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• 3 双刃滚刀刀具的磨损及原因：
3.1 正常磨损 刀具的正常磨损是指刀圈的磨损量超过了规定值，磨损量
可用专用的量具进行测量。
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3.2 刀圈偏磨
如果滚刀在掘进工作面不转动，由于刀圈和掘进工作 面的相对运动就会形成刀圈的偏磨。由于中心区滚刀线速 度较小，承受载荷较大，中心区滚刀容易出现此现象。
②距离出洞10环时，应停止掘进，在桥架处进行二次 注浆堵水，待浆液初凝后再往前推进。
③刀盘距离出洞5环时，应减小推力，降低推进速度， 派专人在洞门前方监视洞门情况，并与监视人员保 持密切联系。刀盘穿越加固区，刀盘转速控制在 0.75-0.8r/min，推进速度控制在15mm/min以下， 出碴门的打开程度可根据实际情况而定，当发生喷 碴时可开启150-120mm，不发生喷碴时可开启300 350mm。
严重磨损的前提下安排生产进度，必要时应该进行限产。为了一时的 进度而忽视刀具的例行检查是得不偿失。 • 更换刀圈后的刀具要进行扭矩试验，根据不同的地质条件和岩石强 度进行扭矩调整。 • 在硬岩地层注意观察螺旋输送机出渣情况，如果出渣不是均匀的 碎片石，而是伴有大块的石头出现，就可能有滚刀刀圈掉落，要立即 停机检查。
层时所形成的磨损。 异常磨损：由于滚刀刀圈掉落，在刀盘同一圆周上的
刮刀就直接承受掘进工作面的载荷，刮刀和掘进工作面的相 对摩擦，就导致刮刀严重偏磨。
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5.3 边缘区刮刀
正常磨损： 刮削土层、砂砾层和边缘滚刀挤压后的岩 层时所形成的磨损。
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6 刀具磨损量检查及更换原则
• 软土区在掘进100环时要对刀具进行一次检查。 • 5.4 盾构机姿态应保持正常姿态 • 在硬岩地层如果不断的调整盾构机姿态就会使滚刀受力不均匀，
在某个方向上过大的推力有可能导致滚刀变形。 • 在硬岩地层绝不可只片面追求进度，应该在保证刀盘和刀具不被
④将盾构机沿曲线的割线方向掘进，预偏量为3050mm，以减小管片因受侧向分力而引起的向圆弧 外侧的偏移量。
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⑤适当降低推进速度，在盾构机推进启动时，推 进速度要以较小的加速度递增（匀速递增）。
⑥推进时，要适当调整左右两组油缸的压力差， 使曲线内侧油缸压力略小于外侧油缸压力，但 纠偏幅度不要过大。
6.3 定期对刀具进行检查 在硬岩区地层中，如果出现推力过大推进速度小扭矩也
偏小，盾构机姿态纠正很难的现象时，就要考虑刀具是否磨 损严重，安排开舱检查刀具。
如果连续出现刀盘或螺旋输送机被卡住、驱动电机熄火 的现象时，应立即停机进行检查。
一般要在不超过二十环时对刀具进行一次检查，检查看是否有刀圈磨损超限、 刀圈断裂、刀圈变形、固定刀圈的螺帽是否松动或掉落、刀座是否有裂纹等，如 果一旦发现应立即采取补救措施。
仅在母材上实施 硬化堆焊
用于柔软淤泥层 （N=0~5左右）的施 工距离较短的场合
硬化堆焊
超 硬
超硬合金 刀刃型
仅在母材的刀刃 前，钎焊超硬合 金刀刃。
适用于沙层（N 〈25）、淤泥层 （N〈10）等比较
超硬刀刃
合
软的地层
金
刀 刃 粘 贴 型
超硬合金刀 刃+硬化堆焊
型
在母材的刀刃前， 钎焊超硬合金刀 刃。再在母材上 实施硬化堆焊。
《大型施工机械》——盾构机部分
第六讲
一、特殊条件下掘进 二、刀盘及刀具磨损
主讲：郭京波 教授
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一、特殊条件下掘进
1、 盾构机过人工湖的掘进
（1）定期、定量、均匀的压注盾尾油脂，确保尾封密封严密， 钢丝刷密封油脂饱满。
（2）砂层掘进采用土压平衡模式掘进，均速掘进，刀盘转 速控制在1-1.5转/分钟，减小对地层的扰动。
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6.1 在硬岩区，边缘滚刀磨损量推荐值为10～15mm，正面 区为15mm～20mm，中心区为25mm。刀具正常磨损量超过 规定值就应进行更换，如果有条件最好整盘刀具全部更换；
6.2 检查中如发现个别刀具有异常磨损或损坏，应优先将原 来换下的没有超过规定磨损量且已经进行过维护的旧刀具换 上，而不要换上新刀具。
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④刀盘快到素混凝土桩时，应再降低推进速度、推力和刀盘转 速。
⑤刀盘进入素混凝土桩后，密切注视控制面板上的参数变化， 推进速度控制在8~ 10mm/min。在刀盘前方加注适量泡沫及 膨润土来降低刀盘温度，加快出土速度，尽量将土仓内土出 空。
⑥刀盘通过橡胶帘布时，停止转动刀盘，各组推进油缸行程要 保持一致，并派专人监视扇形压板和橡胶帘布，如果发现扇 形压板松动、固定压板的钢丝绳太紧或橡胶帘布被刀盘卡住 时，应立即停止推进，待处理好后再推进。
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2、盾构机在小半径曲线中掘进
①在未进入曲线前，提前开启铰接装置，预先推出弧 形态势。
② 精确计算每一推进循环的偏离量与偏转角的大小， 根据盾尾间隙及推进油缸行程差、铰接油缸行程差、 掘进线形，选择合适类型的管片；
③将每一循环推进后的测量结果记入图中与设计曲线 相对照，确定是否修正下次推进的偏转量与方位角；
异常磨损：由于边缘滚刀刀圈掉落或者边缘滚刀磨损量 严重超限，边缘滚刀开挖掘进工作面的径向尺寸小于边缘 刮刀的径向尺寸，边缘刮刀被迫直接挤压在掘进工作面上 运动，导致刀具磨损。
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• 5 预防刀具异常磨损的措施
5.1 择择合理的掘进参数
掘进参数包括掘进推力、刀盘转速、扭矩、推进速度、 切削量等，影响刀具磨损的最直接参数是掘进推力，推力的 大小直接决定了刀具所承受的载荷。推力过大，虽然短期内 掘进速度很快，但长时间刀盘刀具所承受的载荷也比较大， 过大的载荷会使滚刀轴承受挤压产生变形，继而影响滚刀的 自转最终造成滚刀刀圈的偏磨或断裂。一般在<8>岩石中风 化带<9>岩石微风化带地层最大的推力不要超过1000ton。
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刀盘布局 盾构机刀盘分为三个区域：中心区、正面区和边缘区。
正面区刮刀 边缘刮刀
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超挖刀
双刃齿刀 双刃滚刀 单刃齿刀
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2 刀具的结构和切削机理
2.1 刮刀 刮刀用来切削各种砂土、粘土等较松散的地层及全风
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3.3 刀圈断裂 推力过大或刀圈在比较硬的岩石上滚动就有可能使刀
圈断裂，若一个刀圈有两处断裂，断裂的部分刀圈就有可能 掉到土舱。边缘滚刀和正面区滚刀经常有此现象。
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3.4 表面缺陷 如果有金属或其它坚硬物损坏了刀圈的局部表面，刀
圈局部表面就会形成表面缺陷。 3.5 环幅式磨损 如果刀圈的工作面和掘进工作面充分接触摩擦，就会
⑦时刻注意铰接油缸处和盾尾有无泄露，发现泄 露及时采取措施，加大盾尾密封油脂的注入量；
⑧在以上措施实施后还不能达到预期效果，应启 用超挖刀进行超挖纠偏。
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3、盾构机出洞时的掘进
①距离出洞20环时，用扁钢加工的连片加固管片，使 管片整体受力，防止管片在出洞时松动下沉或偏移。
形成环幅式磨损。
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3.6 刀圈挡圈磨损或脱落 挡圈是由两个半圆的钢环安装在滚刀轴的卡槽里焊接
成一个完整的圆环，其作用是防止刀圈从滚刀轴上脱落， 一旦刀圈挡圈脱落或焊接处磨损严重，就应该更换刀具。
4.7 滚刀漏油 由于密封件的损坏，就可能使密封油泄漏，从而导致
油封座和轮毂的损坏。
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3.9 轮毂磨损 刀盘和渣土不间断的摩擦，使得滚刀轮毂也发生严重
磨损
3.10 油封座损坏 由于漏油使得油封座损坏
3.11 轮毂或油封座损坏 刀圈如果在金属物（掉了的刀圈或螺帽）上滚动，轮
毂或油封座有可能被卡住，就会妨碍刀圈绕着滚刀中心轴自 由转动。
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⑥每10环注一次双液浆，使隧道纵向形成间隔的止水隔离带，防止管 片外侧横向贯通。 ⑦连续掘进，争取不换刀，一次通过人工湖。 ⑧与地面监测人员密切联系，并保持通信畅通，以快速应对地面的突 发情况。 ⑨掘进过程 做好出碴量的记录，保证出碴量与掘进速度的一致，避 免出碴量远大于掘进量而引起“冒顶”事故。 ⑩出现喷涌时，关闭螺旋输送机出料门，并使盾构机适当向前推进， 加注高浓度膨润土，待搅拌均匀后在缓慢边掘进边出土，始终保持土 仓压力稳定。 （11）为了防止隧道管片上浮，除了加强注浆管理外，在推进时尽量 使盾构机沿着隧道设计轴线下掘进，垂直控制在30mm。
⑦刀盘上接受托架前，应将姿态趋向调整为正，以便刀盘顺利 上拖架。
⑧盾尾在出橡胶帘布前，应进行二次注浆，待洞门注浆饱满后 再向前推进。
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二、刀盘及刀具磨损
1 概述
设计的必要性
土压平衡盾构机的刀盘根据地质条件的不同一般分软土和 硬岩两种刀盘布置形式,软土区刀盘的布置形式是以齿刀为 主辅以边缘滚刀和刮刀，硬岩刀盘的布置形式是以滚刀为 主辅以刮刀。刀具是盾构机的一个非常重要的组成部分， 对刀具地合理选择、使用 、维护和更换，直接决定盾构掘 进工程的质量、进度和工程成本。所以对盾构机刀具磨损 情况地分析尤为必要。
刀盘转速也是影响刀具磨损的另一个主要因素，过大的 刀盘转速在硬岩地层会造成盾构机振动颠簸，加剧刀具的磨 损。一般在硬岩地层刀盘转速设置为 1.5rpm为合适值。
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5.2 根据不同的地层选择不同的刀具 根据地质资料和对出土情况的判断来确定刀具的更换，
特别是两种地层的交界处。从岩石强风化带向岩石中风化带 <9>岩石微风化带地层转换,如不能及时将齿刀更换为滚刀 ，就会很快加剧齿刀地磨损；从硬岩地层向软土地层转换， 如不及时将滚刀换回齿刀，也有可能出现滚刀偏磨的现象。
（3）通过密封仓壁上注入机构向仓前土体内注入浓度高的 膨润土泥浆和泡沫，以改善土体性状，减小刀具磨损量， 阻止地下水渗透。
（4）推进中，要确保注浆压力及注浆量，同时提高同步注 浆的质量，要求浆液有较短的初凝时间，防止地面的后续 沉降，但注浆压力不要过大，以免引起地面的隆起。
（5）密切注视出土情况，若出现黑色淤泥、涌水量增大或 出土量大时，应增加推力和土仓压力，加注浓度高的膨润 土，提高推进速度，快速通过。
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3.12 滚刀的多边形磨损
在掘进时滚刀时转时不转，或者在某个点转动时间长在 其它点转动时间短，就会产生这样的磨损。
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4 磨损及原因
4.1 齿刀磨损 正常磨损：齿刀切削土层和砂砾层所形成的磨损。 异常磨损：由于换刀不及时在硬岩区的磨损。
4.2 正面区刮刀磨损 正常磨损：刮刀刮削土层、砂砾层和被滚刀挤碎的岩
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滚刀于对各种强、中、微风化岩进行挤压破碎，滚刀安 装在刀盘的刀座上，这些刀座也可以安装焊接在特殊支架上 的齿刀。滚刀设计最大破岩能力为80Mpa，广州地铁三号 线客大区间岩石的最大单轴抗压强度为62.3Mpa。
2.4 边缘刮刀 用来校准盾构的开挖直径。 2.5 超挖刀及仿型刀 用于盾构曲线施工时的超挖及盾构姿态的调整，由液压 油缸操纵伸缩，其行程
6.3 一定要确保整个刀盘所换刀具的磨损量尽可能达到最大 值，使得刀具能够掘进尽可能多的环数。<8><9>地层正面 区双刃滚刀正常磨损情况下可掘进100环左右。
6.4 刀具要勤检查，少更换；更要避免长时间停机换刀。
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7 刀具形状及选型
种类
硬化堆焊型
结构
使用对象
刀具形状
化岩层等其它未固结的土体，刮刀上装有碳化钨刀刃，目的 是为了更好的防止掘进过程中产生的磨损。
2.2 齿刀 用来先行松散各种砂砾层、粘土层及全风化层，使其固
结性能变差，然后由刮刀将其刮掉。 2.3 滚刀 滚刀在推力的作用下贯入岩层，同时在开挖面岩石阻力
的作用下随刀盘做同心圆滚动，岩石被挤压，形成挤压切槽 ，并在小半径范围内将挤压裂纹延伸到周围的岩石，最终在 刀盘推力作用下挤压切槽两边的岩石呈片状破碎。