盾構(gòu)掘進機破巖刀具

1、盾構(gòu)掘進機刀具綜述盾構(gòu)掘進機刀具綜述晁煥清晁煥清 王漢章王漢章 鄒恒鄒恒洛陽九久技術(shù)開發(fā)有限公司洛陽九久技術(shù)開發(fā)有限公司主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.盾構(gòu)機刀具的類型和破巖機理2.盾構(gòu)機刀具的結(jié)構(gòu)3.盤型滾刀的材料和性能4.刮刀的結(jié)構(gòu)和性能5.盾構(gòu)機刀具的應(yīng)用及對地層的適應(yīng)性6.提高盾構(gòu)機刀具壽命的途徑1 盾構(gòu)機刀具的類型和破巖機理盾構(gòu)機刀具的類型和破巖機理1.1 盾構(gòu)機刀具常用類型盾構(gòu)機刀具常用類型目前使用的刀具一般分為兩大類:刮削刀具、滾動刀具刮削刀具刮削刀具(刮刀、割刀刮刀、割刀)刮削刀具是指只隨刀盤轉(zhuǎn)動而沒有自轉(zhuǎn)的破巖刀具，刮削刀具的種類繁多，目前盾構(gòu)掘進機上常用的刮削刀具類有邊刮刀、刮刀、切刀

2、、齒刀、先行刀、仿形刀、刮板等。滾動刀具滾動刀具(滾刀滾刀) 滾動刀具是指不僅隨刀盤轉(zhuǎn)動，還同時作自轉(zhuǎn)運動的破巖刀具。 根據(jù)刀刃的形狀滾刀可分為：齒形滾刀（鋼齒和球齒）、盤形滾刀（鋼刀圈滾刀和球齒刀圈滾刀）。見圖 根據(jù)安裝位置滾刀可分為：正滾刀、中心滾刀、邊滾刀、擴孔滾刀。 目前盾構(gòu)掘進機滾刀主要是盤形滾刀，盤形滾刀又有單刃、雙刃和多刃。1.2刀具破巖機理刀具破巖機理刮削類刀具的工作原理刮削類刀具的工作原理 在刀盤推力的作用下，刮刀嵌如巖渣或巖層中，刀盤帶動刀具轉(zhuǎn)動時刮削巖層，在掌子面形成一環(huán)環(huán)犁溝，特點是效率高，刀盤轉(zhuǎn)動阻力大。 在軟土地層或滾刀破碎后的渣土通過刮刀進行開挖，渣土隨刮刀正面進

3、入渣槽，因此刮刀既具有切削的功能也具有裝載的功能。盤形滾刀工作原理盤形滾刀工作原理 刀盤在縱向油缸施加的推力作用下，使其上的盤形滾刀壓入巖石；刀盤在旋轉(zhuǎn)裝置的驅(qū)動下帶動滾刀繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，同時各滾刀還繞各自的刀軸自轉(zhuǎn)，使?jié)L刀在巖面上連續(xù)滾壓。刀盤施加給刀圈推力和滾動力（轉(zhuǎn)矩），推力使刀圈壓入巖體，滾動力使刀圈滾壓巖體。通過滾刀對巖體的擠壓和剪切使巖體發(fā)生破碎，在巖面上切出一系列的同心圓（見圖）。各類刀具的主要破巖機理刀具類型刮刀楔齒滾刀球齒滾刀盤形滾刀主要破巖機理刮 削剪 切龜 裂擠 壓研 磨運動形式滑動滾動+微滑滾動+滑動滾動+滑動刀齒形狀刨刀狀楔狀球面狀楔狀2盾構(gòu)機滾刀的結(jié)構(gòu)盾構(gòu)機滾刀的

4、結(jié)構(gòu)滾刀結(jié)構(gòu)如圖所示。它們主要由刀圈、刀體(套)、刀軸、軸承、金屬浮動密封環(huán)、刀蓋(座)及聯(lián)接螺栓等件組成。21 滾刀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)滾刀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是保證滾刀工作時正常旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，通常是由軸承、密封、潤滑油脂組成。根據(jù)刀具的發(fā)展，大體經(jīng)歷了三個階段，即有三種結(jié)構(gòu)。22 刀具安裝結(jié)構(gòu)安裝結(jié)構(gòu)是為了把滾刀即方便又可靠的安裝在刀盤上。常用的安裝形式有如下幾種。23 刀具刀刃結(jié)構(gòu)形狀刀刃是用來破巖的，通常有齒形和盤形兩大類，每一類往往又有多種不同的刀刃形狀。如下圖.3.盤型滾刀的材料和性能 3.1刀圈的材料刀圈的材料 根據(jù)刀圈的工作條件，刀圈材料應(yīng)滿足以下性能：1)高的屈服強度，避免刀刃端在高應(yīng)力下壓潰變形

5、； 2) 足夠高的硬度，增加耐磨性，減少刀圈磨損； 3) 良好的沖擊韌性，提高材料裂紋擴展功，防止刀圈斷裂；4)良好的抗回火性能，提高材料的熱穩(wěn)定性，保證刀圈在熱裝和滾壓巖體過程中不降低硬度。5)良好的熱加工和冷加工的工藝性能，材料成本低，制造方便，提高產(chǎn)品合格率。 目前的滾刀刀圈有兩大類：整體耐磨鋼材料和鑲有硬質(zhì)合金球齒的刀具材料。 整體耐磨鋼刀圈材料主要以合金工具鋼為主，也有合金結(jié)構(gòu)鋼，硬度在HRC52-59, 它的特點是可以承受較大的沖擊，并具有較高的耐磨性能，刀具制造費用較低，適用地層范圍廣，從軟巖、中硬巖到硬巖都可選用。常用刀圈材料成分 類 別CSiMnPSCrMoVNiCu9Cr2

6、Mo0.85-0.950.2-0.40.2-0.40.030.031.4-2.00.2-0.46Cr4Mo2W2V0.5-0.70.2-0.40.2-0.40.010.023.5-4.52.0-3.01.0-1.54Cr5MoSiV10.32-0.420.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2Robbins刀圈實測0.390.530.650.0180.0090.840.241.620.25Wirth刀圈實測0.500.760.320.0320.0195.151.170.720.250.13各國工具鋼材料標準比較標準牌號CMnSiCrMoVGB4Cr5MoSiV1

7、0.32-0.420.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2DINX40CrMoV510.37-0.420.3-0.50.9-1.24.8-5.51.2-1.50.9-1.1JISSKD610.32-0.420.50.8-1.24.5-5.51.0-1.50.8-1.2NFX40CrMoV50.36-0.440.2-0.50.8-1.24.8-5.51.2-1.50.85-1.15ASTMH130.32-0.450.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2各國合金結(jié)構(gòu)鋼材料標準比較標準牌號CMnSiCrMoNiGB40CrNiMoA

8、0.37-0.440.5-0.80.17-0.370.6-0.90.15-0.25DIN36CrNiMo40.32-0.400.5-0.80.40.9-1.20.15-0.30.9-1.2JISSNCM4390.36-0.430.6-0.90.15-0.350.6-1.00.15-0.301.6-2.0NF40NCD30.37-0.440.6-0.90.4 0.9-1.20.15-0.31.3-1.7ASTM43400.38-0.430.6-0.80.15-0.350.7-0.90.2-0.31.65-2.0國外刀圈性能 表2類 別b(Mpa)5%aK(J/Cm2)HRCX50CrMoV51(

9、Wirth刀圈實測)20505.5101454574340Robbins刀圈實測405253 通過對國外刀圈解剖分析和我們的研究，各刀圈制造公司對標準材料都會作適當調(diào)整，并采用特殊的冶煉工藝、鍛造工藝和熱處理工藝,保證刀圈的綜合性能。 球齒刀圈是在鋼基體上鑲嵌硬質(zhì)合金刀頭，硬質(zhì)合金刀頭呈球狀或楔狀，硬質(zhì)合金硬度為HRA85-88。一般認為，抗壓強度超過175Mpa的堅硬巖采用球齒刀圈，它很好地解決了刀圈硬度（主要由合金球頭滿足硬度）和韌性（刀圈基體不要求太高硬度，韌性增加）的矛盾，其壽命是鋼刀圈的3-5倍。但制造成本較高。3.2刀具密封裝置：刀具密封裝置： 密封是保證滾刀內(nèi)腔的潤滑劑不漏出并防

10、止外來物進入，對保證軸承正常工作和延長工作壽命是十分重要的。采用金屬浮動密封環(huán)密封。 金屬浮動密封環(huán)密封屬于機械端面密封的一種，這種密封在均勻載荷、潤滑優(yōu)良的條件下試驗壽命高達5000h。由于滾刀作業(yè)受力的復雜多變、使用環(huán)境惡劣，有一定的外部介質(zhì)壓力等，使用壽命會降低很多，但還是能滿足滾刀使用要求的。 這種密封由兩個嚙合的金屬密封環(huán)和兩個富有彈性的復合橡膠密封圈組成。具有浮動能力，可補償裝配端間隙或防止偏斜。金屬密封環(huán)是密封裝置中的主要零件，其結(jié)構(gòu)及質(zhì)量的好壞起決定性作用。金屬密封環(huán)采用高硬度的耐磨高鉻鉬的鑄鐵材料，硬度HRC60-65，工作表面粗糙度Ra0.1um，表面平面度0.0015mm

11、。這種金屬密封環(huán)其特點如下： 采用4度導油斜面及大曲率半徑球面環(huán)與平面環(huán)結(jié)構(gòu)，有利于形成油膜,以保證軸承潤滑油不泄漏及阻止泥土進入軸承腔； 采用高光潔度及硬度工作面，減少了摩擦阻力，使工作面貼合良好，提高密封性能；（3） 浮動密封環(huán)采用的復合橡膠0型密封圈,具有可壓縮性大及回彈性好等特點。始終對金屬環(huán)施加壓力，讓金屬環(huán)工作面始終接觸，保證軸承潤滑油不泄漏及阻止泥土進入軸承腔，起到密封效果。 滾刀橡膠密封件性能指標 項目浮封環(huán)用0型密封圈其它位置O形密封圈硬度(邵爾A型)605705扯斷強度MPa 最小911扯斷伸長率 最小300220壓縮水久變形最大(空氣10022h)40353.3刀具軸承刀

12、具軸承滾柱滾珠軸承滾柱滾珠軸承 早期使用范圍最廣的刀具軸承是滾柱滾珠軸承，它用滾柱承受很高的徑向載荷和沖擊載荷，用滾珠承受推力，把滾刀和軸承固定在一起。滾刀體和軸起滾道的作用，兩者均用優(yōu)質(zhì)合金鋼做成，經(jīng)硬化和研磨處理。由于這種刀具拆卸維修不方便，在盾構(gòu)掘進機滾刀上已普遍被圓錐滾子軸承代替。圓錐滾子軸承圓錐滾子軸承 這類軸承采用錐形滾柱和滾道，具有以下的優(yōu)點：1) 能同時承受徑向載荷和軸向推力；2) 就相同的軸承尺寸而言，承載能力更大，相對壽命更長；3) 調(diào)節(jié)性能：不管是軸向游隙還是預加負荷，均能按設(shè)計要求達到最佳性能；4) 其錐型結(jié)構(gòu)而固有的自動移油特點，能從滾道接觸區(qū)域除去任何微粒沾染物，大

13、大降低了受工作環(huán)境污染物的影響；5)與其他類型的磙子軸承相比，因純滾動效果較佳，摩擦系數(shù)減少，速度提高；6) 由于其內(nèi)外滾道可分離，安裝和拆卸十分簡便； 由于圓錐滾子軸承具有上述一系列的優(yōu)點，能很好滿足滾刀的工況要求。 目前國外滾刀生產(chǎn)廠家大多選用美國鐵姆肯 (TIMKEN)和日本NTN等公司的軸承。 17雙盤正滾刀軸承: 型號HH224334/224335HH224310：額定動負荷C=630kN，額定靜負荷C0 = 906kN； 17雙盤中心滾刀邊滾刀軸承: 型號H924045-H924010）：額定動負荷C=453kN，額定靜負荷C0=610kN。 由于進口軸承價格高、交貨期長，九久公司

14、和軸研所、軸承廠合作已制造出滾刀用軸承，使用性能正逐漸被用戶接受。 目前生產(chǎn)刀具軸承的材料是低碳鉻鎳鋼如20CrNi3Mo，常常通過特殊的冶煉工藝保證鋼材的純凈度，通過深層滲碳熱處理工藝，保證表面HRC58-60，芯部HRC43-45。刀具軸承的壽命受潤滑條件、裝配預緊量、載荷特性、內(nèi)在質(zhì)量等影響，但主要和工作載荷大小、轉(zhuǎn)速有關(guān)，負荷加倍，壽命將降低大約90%，負荷減半，壽命將增加10倍；轉(zhuǎn)速加倍，壽命將降低一半，速度減半，壽命將增加一倍。刀盤設(shè)計和刀具選用時一定要考慮軸承的這一特性。4. 刮刀的結(jié)構(gòu)和材料刮刀的結(jié)構(gòu)和材料 刮刀是由刀座、刀體和刀刃三部分組成的，刀座是與刀盤連接的部分，與刀盤的

15、連接有焊接如先行刀、螺栓連接如邊刮刀、插銷接如正面刮刀，替換滾刀部位的齒刀或切刀與滾刀的安裝方式相同。 刀座有的是與刀體成一體的，有的是與刀體焊接的。與刀體焊接的刀座材料一般是低碳低合金鋼。 刀體對硬質(zhì)合金刀刃起支撐和保護作用，要有足夠的強度和耐磨性，通常選用中碳中合金鋼或空淬鋼，使硬度達到HRC40以上，也常常采用表面硬化技術(shù)或局部堆焊耐磨層。 刮刀刃是刮刀刮削巖土和保護刀體不被磨損的關(guān)鍵部位，通常是用硬質(zhì)合金做成的，硬質(zhì)合金的型號為YG11C。其大小和形狀根據(jù)部位、作用、地層設(shè)計。 刀刃與刀體的的連接是關(guān)鍵，具體工藝有釬焊、鑲嵌和鑲嵌焊，連接強度要求大于250MPa。釬焊時，焊料和焊接方法

16、、工藝是很關(guān)鍵的，焊料有銅基和銀基兩大類，焊接方法有高頻焊和真空焊等。 幾種刀具的推薦使用范圍分類抗壓強度 MPa 典 型 巖 石刀 具 型 式軟土,軟巖 45頁巖 粘土 泥巖 刮刀;齒刀; 楔齒滾刀 中軟巖 45-85石灰?guī)r 砂巖 大理石 火山巖 凝灰?guī)r 盤形滾刀; 楔齒滾刀 中硬巖 85180白云石 片麻巖花崗巖 片巖 長石 盤形滾刀; 球齒滾刀硬巖 180閃綠巖 硅巖 角閃巖 硬質(zhì)粘土巖 玄武巖 燧石 礫巖 盤形滾刀 球齒盤形滾刀5.盾構(gòu)機刀具的應(yīng)用及對地層的適應(yīng)性盾構(gòu)機刀具的應(yīng)用及對地層的適應(yīng)性5 .1 盾構(gòu)掘進機刀具在國內(nèi)的應(yīng)用盾構(gòu)掘進機刀具在國內(nèi)的應(yīng)用 目前我國在地鐵、引水工程、鐵

17、路隧道和過江隧道等工程中大量應(yīng)用盾構(gòu)掘進機，其刀具應(yīng)用很普遍。主要以進口為主，各施工單位先后購進了威爾特、海瑞克、羅賓斯、三菱、小松、旁萬利、黑金剛等世界先進廠家的盾構(gòu)掘進機刀具，已成為盾構(gòu)掘進機刀具應(yīng)用大國。主要以17滾刀為主，也有19規(guī)格的。國內(nèi)也先后有多個廠家參與刀具研制，如一重、戚所、南齒、洛陽九久、江鉆等。國內(nèi)主要工程應(yīng)用國外刀具情況工程名稱廠家刀具種類鐵路隧道維爾特17盤形滾刀 刮板地鐵旁萬利17雙刃中心滾刀17雙刃正滾刀17單刃正滾刀各類刮刀三菱小松維爾特羅賓斯海瑞克 黑金剛引水工程維爾特17盤形滾刀 刮板羅賓斯19盤形滾刀 刮板海瑞克 17盤形滾刀 洛陽九久公司盾構(gòu)掘進機刀具應(yīng)

18、用一覽表 序號使用單位工程名稱掘進機型號刀具種類1中鐵隧道集團秦嶺隧道維爾特TB880E17刀圈2中鐵十八局桃花鋪隧道TB880E17刀圈、刮板3中鐵隧道局磨溝嶺隧道TB880E17刀圈、整滾刀、中心滾刀、刀座、刮板4中鐵隧道局廣州地鐵二號線海瑞克EPB6280正滾刀、中心滾刀、切割刀5上海隧道股份廣州地鐵二號線三菱重工ST6140先行刮刀 刮刀6上海隧道股份深圳地鐵一號線羅湖段三菱重工ST614017滾刀、刀圈7上?；A(chǔ)公司深圳水庫污水截排工程SZ4.65整盤17滾刀、刮刀、刀座8中鐵隧道局深圳地鐵二號線福皇段海瑞克EPB628017中心滾刀9中鐵隧道局上海地鐵 整盤滾刀、刮刀14中鐵一局廣

19、州地鐵三號線大客段海瑞克EPB6280中心滾刀、刀圈15廣州水電二局廣州地鐵三號線三菱重工中心滾刀、正滾刀、密封件16廣州盾建股份公司廣州地鐵海瑞克、三菱整刀、刀圈、刮刀、散件17中鐵隧道股份沈陽大伙房維爾特整刀、刀圈、散件18中鐵隧道股份北京地鐵海瑞克、自制刀盤成套刀具19中鐵一局北京地鐵海瑞克滾刀、刮刀20中鐵一局廣州地鐵四號線草陶項目海瑞克刀圈、滾刀 5.2 滾刀的組合設(shè)計滾刀的組合設(shè)計(刀盤的設(shè)計刀盤的設(shè)計) 刀盤是盾構(gòu)的主要工作部件，不同工程的地質(zhì)條件應(yīng)采用不同的刀盤結(jié)構(gòu)形式及刀具布置方式及刀具形狀。刀盤及刀具的好壞直接影響盾構(gòu)掘進機的切削效果和掘進速度，關(guān)系到盾構(gòu)施工的成敗，影響盾

20、構(gòu)機的掘進速度和效益。刀盤刀具布置原則刀盤刀具布置原則1) 刀具覆蓋整個斷面；2）使刀盤受力均衡、振動小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)；3) 盡量使各刀具磨損均勻、盡量使?jié)L刀純滾動，即刀具母線過刀盤中心；4) 有利于保證 掘進直徑；5) 方便排除巖土；6) 便于裝拆和檢查修理。盾構(gòu)機刀具的選用原則盾構(gòu)機刀具的選用原則：1) 適應(yīng)地層，能快速掘進;2) 刀具費用少;3) 安全性;4) 破碎每一單位體積巖石動力消耗少.5.3盾構(gòu)機刀盤常見結(jié)構(gòu)與應(yīng)用盾構(gòu)機刀盤常見結(jié)構(gòu)與應(yīng)用 根據(jù)地層的不同,刀盤的結(jié)構(gòu)及其刀具的組合布置、對刀具性能的要求也不同。刀盤大體分為三類：刮刀類刀盤、滾刀類刀盤和復合類刀盤。刮刀類刀盤刮刀類刀盤

21、適用于軟土及沙卵石地層，一般中心布魚尾中心刀，正面布切削刀，邊沿布邊刮刀，根據(jù)地層的實際情況決定是否布先行刀。刮刀刀盤邊刮刀通常是連續(xù)布置的,其體積也大,布刀重疊系數(shù)大,一般是4-8,正面刮刀重疊系數(shù)隨著半徑的減少也變小,一般是1-3,切削刀根據(jù)地層需要有連續(xù)的,但大多數(shù)是不連續(xù)的。且都是成對布置，以滿足刀盤正反轉(zhuǎn)的需要。使用中刮刀的損壞有：刮刀磨損、刮刀刀刃崩裂或斷裂、 刮刀掉齒。滾刀類刀盤滾刀類刀盤適用于全斷面巖層，特別是中硬以上地層，目前主要是17盤型滾刀。刀盤各區(qū)的刀具特點刀盤各區(qū)的刀具特點 根據(jù)刀盤上三個性質(zhì)不同的區(qū)域(中心區(qū)，正面區(qū)及邊緣區(qū))的特性，布刀時一定要充分考慮。中心區(qū)中心

22、區(qū) 該區(qū)是刀盤的中心，特點是空間小，滾刀的轉(zhuǎn)彎半徑小，所以滾刀以滑動為主，在小刀盤上常安裝單支點中心刀。大刀盤常用同規(guī)格的盤形滾刀。中心刀與正滾刀的主要差別：成組安裝：有兩個一組、三個一組和六個一組。密封形式: 單密封環(huán)與軸承或刀體配對。軸承型號：軸承常選用大角度的，且預緊力也大。正面區(qū)正面區(qū) 該區(qū)處于中心區(qū)和邊沿區(qū)之間，工作時刀具正對著掌子面，有一定的轉(zhuǎn)彎半徑，是以所謂的純滾動工作，又有足夠的布置空間，所以該區(qū)布刀容易，刀具壽命也長。 在硬巖中鉆進時， “純滾動”無論是刀具軸承壽命還是刀圈壽命都有提高。邊緣區(qū)邊緣區(qū) 該區(qū)位于刀盤的邊沿，其刀具不但承擔的破巖量大，且刀具受力復雜，還要保證開挖直

23、徑，所以，常常布刀量要多，有些公司還對刀圈形狀和刀體進行特殊處理，作成專用邊刀。刀具數(shù)量和刀間距刀具數(shù)量和刀間距 在給定地質(zhì)條件下，刀間距是和刀具的推力有關(guān)的，刀具推力越大，相對刀具的切深就越大，在硬巖情況下，刀間距大約是切深的10-20倍。試驗表明，當減少刀間距時，獲得一定掘進速度所需的推力將下降。這意味著在巖石非常硬的情況下，維持每把刀推力不變，通過減少刀間距，可以增加掘進速度；但是，相應(yīng)要求增加機器總推力，并產(chǎn)生更小的碎石屑。而碎石屑愈小，切削巖石要求的比能耗愈大，開挖過程的經(jīng)濟性就愈差。 在給定地質(zhì)條件和刀具推力的情況下，刀具數(shù)與開挖直徑成正比，刀盤直徑越大，刀具數(shù)越多。適當增加刀具數(shù)

24、，有利于避免瞬間巖石物理特性差異而造成單個刀具及其相鄰刀具的加速損壞。刀盤上刀具數(shù)量的設(shè)計基本上取決于以下幾個因素：1) 鉆孔直徑；2) 巖石性質(zhì)；3) 刀盤總推力；4) 盤形滾刀尺寸；5）刀盤轉(zhuǎn)速 盾構(gòu)掘進機刀盤通常每圈布置一把滾刀，在邊沿區(qū)由于施于巖面上的壓力減少，刀間距要減少，且每圈的刀具數(shù)量要增加，如邊刀在8米以上的大刀盤上以均分布置3把以上為好。 刀盤直徑越大，所選盤形滾刀的直徑也應(yīng)越大。在理論上刀盤的回轉(zhuǎn)速度是以邊刀轉(zhuǎn)數(shù)每分鐘120轉(zhuǎn)為計算基礎(chǔ)的?；剞D(zhuǎn)速度RS用以下近似公式表示： RS = 120d / D，式中：D-鉆孔直徑， d-為滾刀直徑。 因為回轉(zhuǎn)速度與掘進機的切割速度是成

25、正比的，當然是希望速度高。在保持刀盤一定轉(zhuǎn)速時，滾刀直徑加大是很有利的。滾刀直徑加大后滾刀軸承可相應(yīng)加大，使其提高了承載能力，有利于切割硬巖。同時單刀承載能力提高之后，刀齒切入巖層深度相應(yīng)增大，單刀破巖量亦增加，刀具使用壽命延長（l倍以上），減少了換刀時間，從而提高了掘進速度。采用大直徑滾刀，可以實現(xiàn)以較少的刀具數(shù)量、較低的鉆進扭矩、較高的鉆進效率進行鉆進作業(yè)。刀具直徑越大，承載能力越大，而刀具本身轉(zhuǎn)速下降了，對軸承、密封、刀圈的壽命都有提高。所以，目前的發(fā)展趨勢是大直徑滾刀。但盤刀直徑加大，重量會增加，裝機更換會困難，所以17盤型滾刀得到普遍應(yīng)用。 在均質(zhì)硬巖地層，滾刀的失效形式主要是刀圈磨

26、損，也有軸承、密封早期失效、刀圈斷裂現(xiàn)象。刀圈的耐磨性是問題的關(guān)鍵，在地層條件和掘進參數(shù)一定的條件下，刀圈的耐磨性和刀圈的材料、制造工藝和金相組織有關(guān)，在材料確定的條件下，直觀反映刀圈耐磨性的指標就是硬度了。刀圈硬度與刀圈耐磨性對應(yīng)關(guān)系序號試驗刀圈硬度HRC試驗刀圈30磨損均值/刀圈數(shù)威爾特刀圈30磨損均值/刀圈數(shù)30磨損值比較1-154-57865/2914/1-5.251-254-571075/5108/2-0.461-354-5793/2922/10.871-454-57185/51843/20.381-554-572092/22302/2-9.121-654-571333/31411/

27、1-5.51-751-5411.75/110.61/110.71-851-5428.38/224.22/217.18 例如：例如：在西寧線桃花鋪隧道施工中，采用了威爾特公司的TB880E隧道掘進機，地層均勻，為石英片巖夾大理巖，節(jié)理較發(fā)育，刀圈硬度與刀圈耐磨性的對應(yīng)關(guān)系見表。上表中30磨損值比較是指試驗刀圈與威爾特刀圈耐磨性的比較值，負數(shù)表示試驗刀圈耐磨性比威爾特刀圈耐磨性提高的百分數(shù)，如-5.25表示耐磨性提高5.25%,正數(shù)表示耐磨性降低的百分數(shù),如10.7表示耐磨性降低了10.7%。 從表中數(shù)據(jù)可以看出，硬度對耐磨性的影響是很明顯的，硬度平均降低5%，相對耐磨性要降低17%。因此，在這類

28、地層，往往根據(jù)巖層的抗壓強度選取刀圈。中軟巖 4585MPa如石灰?guī)r 砂巖 大理石 火山巖 凝灰?guī)r 用輕型刀圈中硬巖 85180MPa 如白云石 片麻巖花崗巖 片巖 長石 用重型刀圈硬巖 180MPa如閃綠巖 硅巖 角閃巖 硬質(zhì)粘土巖 玄武巖 燧石 礫 巖用球齒刀圈。 當然也有例外，因巖層的抗壓強度與可鉆性并不完全一致，破巖主要是靠剪切來完成的（巖石的剪切強度往往只有抗壓強度的1/10-20），有些膠結(jié)砂巖，石英含量很高，耐磨性很大，抗壓強度并不太高，但用球齒刀圈更好。復合型刀盤復合型刀盤適用于軟硬不勻的地層,特點是即可安裝滾刀,也可安裝切削刀,在城市地鐵和市政工程盾構(gòu)施工中常見。 海瑞克復合

29、型盾構(gòu)在廣州、深圳、北京等城市地鐵大量應(yīng)用，日本小松、三菱也有應(yīng)用。海瑞克刀盤主要有兩種布刀形式：裝有中心雙刃滾刀6把，雙刃正滾刀13把，切刀64把，邊刮刀32把，五環(huán)超挖刀1把，適應(yīng)于80Mpa以內(nèi)的復合地層；刀盤裝有中心雙刃滾刀4把，單刃正滾刀31把，切刀64把，邊刮刀16把，五環(huán)超挖刀1把，適應(yīng)于160Mpa以內(nèi)的復合地層。在較軟的巖石地層滾刀可以更換為齒刀，增加刀盤對不同地層的適應(yīng)性。這類地層的特點是軟硬不勻，往往是上軟下硬，地層軟時滾刀易偏磨，外圈滾刀由于受力不均，常常出現(xiàn)刀圈斷裂的情況，特別是遇到大的孤石時，在廣州、深圳地鐵的進口刀盤和刀具應(yīng)用中經(jīng)常會出現(xiàn)刀圈斷裂和滾刀偏磨現(xiàn)象。

30、例如：例如：在上?；A(chǔ)公司施工深圳水庫流域污水截排工程中，工程地質(zhì)錯綜復雜，整個管道須穿越340m庫尾淺覆土段、270m灘涂段（硬巖段）和300m沙灣河口段（卵石、沙層、巖層），巖層的單軸抗壓強度在40-140Mpa之間。地層描述見圖。盾構(gòu)機為改制的4.65m復合土壓平衡式，刀盤刀具為自行設(shè)計，其刀具刀盤結(jié)構(gòu)見圖。施工中，中心滾刀和低刀位正滾刀主要以正常磨損為主，外圈邊滾刀主要是刀圈崩裂。 為解決刀圈斷裂問題，我們曾嘗試采取其他措施如把刀刃做厚、適當降低刀圈硬度以提高其抗沖擊性能等，但效果都不明顯。因地層上下差別大，刀盤轉(zhuǎn)動時邊刀經(jīng)常會出現(xiàn)碰撞巖石崩裂，剛更換的新滾刀也常發(fā)生崩裂，雖然改變掘進參數(shù)會有所改善，但不能從根本上解決問題，針對這種情況，我們采用整體球齒盤形滾刀，刀圈和刀體做成一體，采用韌性較好的材料，如45CrNiMo一類的材料，降低本體的硬度，控制在HRC48-50，從根本上解決刀圈和刀體的開裂問題，要保證有足夠的耐磨