盾構(gòu)掘進機刀具綜述

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)機刀具的應用及對地層的適應性

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

1.1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、齒刀、先行刀、仿形刀、刮板等。

滾動刀具(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

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

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)

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。

2．1滾刀的內(nèi)部結(jié)結(jié)構(gòu)

滾刀的的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是是保證滾刀工工作時正常旋旋轉(zhuǎn)的關鍵，，通常是由軸軸承、密封、、潤滑油脂組組成。根據(jù)刀刀具的發(fā)展，，大體經(jīng)歷了了三個階段，，即有三種結(jié)結(jié)構(gòu)。2．2刀具安裝結(jié)構(gòu)構(gòu)

安裝結(jié)構(gòu)構(gòu)是為了把滾滾刀即方便又又可靠的安裝裝在刀盤上。。常用的安裝裝形式有如下下幾種。2．3刀具刀刃結(jié)構(gòu)構(gòu)形狀

刀刃刃是用來破巖巖的，通常有有齒形和盤形形兩大類，每每一類往往又又有多種不同同的刀刃形狀狀。如下圖.3.盤型滾刀的材材料和性能3.1刀圈的材料根據(jù)刀圈的工工作條件，刀刀圈材料應滿滿足以下性能能：1)高的屈服強度度，避免刀刃刃端在高應力力下壓潰變形形；2)足夠高的硬度度，增加耐磨磨性，減少刀刀圈磨損；3)良好的沖擊韌韌性，提高材材料裂紋擴展展功，防止刀刀圈斷裂；4)良好的抗回火火性能，提高高材料的熱穩(wěn)穩(wěn)定性，保證證刀圈在熱裝裝和滾壓巖體體過程中不降降低硬度。5)良好的熱加工工和冷加工的的工藝性能，，材料成本低低，制造方便便，提高產(chǎn)品品合格率。目前的滾刀刀刀圈有兩大類類：整體耐磨磨鋼材料和鑲鑲有硬質(zhì)合金金球齒的刀具具材料。整整體耐磨鋼鋼刀圈材料主主要以合金工工具鋼為主，，也有合金結(jié)結(jié)構(gòu)鋼，硬度度在HRC52-59,它的特點是可可以承受較大大的沖擊，并并具有較高的的耐磨性能，，刀具制造費費用較低，適適用地層范圍圍廣，從軟巖巖、中硬巖到到硬巖都可選選用。常用刀圈材料料成分類別CSiMnPSCrMoVNiCu9Cr2Mo0.85-0.950.2-0.40.2-0.4≤0.03≤0.031.4-2.00.2-0.46Cr4Mo2W2V0.5-0.70.2-0.40.2-0.4≤0.01≤0.023.5-4.52.0-3.01.0-1.54Cr5MoSiV10.32-0.420.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2Robbins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各國工具鋼材材料標準比較較標準牌號CMnSiCrMoVGB4Cr5MoSiV10.32-0.420.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2DINX40CrMoV510.37-0.420.3-0.50.9-1.24.8-5.51.2-1.50.9-1.1JISSKD610.32-0.42≤0.50.8-1.24.5-5.51.0-1.50.8-1.2NFX40CrMoV50.36-0.440.2-0.50.8-1.24.8-5.51.2-1.50.85-1.15ASTMH130.32-0.450.2-0.50.8-1.24.75-5.51.1-1.750.8-1.2各國合金結(jié)構(gòu)構(gòu)鋼材料標準準比較標準牌號CMnSiCrMoNiGB40CrNiMoA0.37-0.440.5-0.80.17-0.370.6-0.90.15-0.25DIN36CrNiMo40.32-0.400.5-0.8≤0.40.9-1.20.15-0.30.9-1.2JISSNCM4390.36-0.430.6-0.90.15-0.350.6-1.00.15-0.301.6-2.0NF40NCD30.37-0.440.6-0.9≤0.40.9-1.20.15-0.31.3-1.7ASTM43400.38-0.430.6-0.80.15-0.350.7-0.90.2-0.31.65-2.0國外刀圈性能能表表2類別σb(Mpa)δ5%Ψ%aK(J/Cm2)HRCX50CrMoV51(Wirth刀圈實測)20505.5101454－574340Robbins刀圈實測4052－53通過對國外刀刀圈解剖分析析和我們的研研究，各刀圈圈制造公司對對標準材料都都會作適當調(diào)調(diào)整，并采用用特殊的冶煉煉工藝、鍛造造工藝和熱處處理工藝,保證刀圈的綜綜合性能。球齒刀圈是在在鋼基體上鑲鑲嵌硬質(zhì)合金金刀頭，硬質(zhì)質(zhì)合金刀頭呈呈球狀或楔狀狀，硬質(zhì)合金金硬度為HRA85-88。一般認為，，抗壓強度超超過175Mpa的堅硬巖采用用球齒刀圈，，它很好地解解決了刀圈硬硬度（主要由由合金球頭滿滿足硬度）和和韌性（刀圈圈基體不要求求太高硬度，，韌性增加））的矛盾，其其壽命是鋼刀刀圈的3-5倍。但制造成成本較高。3.2刀具密封裝置置：密封是保證滾滾刀內(nèi)腔的潤潤滑劑不漏出出并防止外來來物進入，對對保證軸承正正常工作和延延長工作壽命命是十分重要要的。采用金金屬浮動密封封環(huán)密封。金屬浮動密封封環(huán)密封屬于于機械端面密密封的一種，，這種密封在在均勻載荷、、潤滑優(yōu)良的的條件下試驗驗壽命高達5000h。由于滾刀作作業(yè)受力的復復雜多變、使使用環(huán)境惡劣劣，有一定的的外部介質(zhì)壓壓力等，使用用壽命會降低低很多，但還還是能滿足滾滾刀使用要求求的。這種密封由兩兩個嚙合的金金屬密封環(huán)和和兩個富有彈彈性的復合橡橡膠密封圈組組成。具有浮浮動能力，可可補償裝配端端間隙或防止止偏斜。金屬屬密封環(huán)是密密封裝置中的的主要零件，，其結(jié)構(gòu)及質(zhì)質(zhì)量的好壞起起決定性作用用。金屬密封封環(huán)采用高硬硬度的耐磨高高鉻鉬的鑄鐵鐵材料，硬度度HRC60-65，工作表面粗粗糙度Ra≤0.1um，表面平面度度≤0.0015mm。這種金屬密封封環(huán)其特點如如下：⑴采用4度導油斜面及及大曲率半徑徑球面環(huán)與平平面環(huán)結(jié)構(gòu)，，有利于形成成油膜,以保證軸承潤潤滑油不泄漏漏及阻止泥土土進入軸承腔腔；⑵采用高光光潔度及硬度度工作面，減減少了摩擦阻阻力，使工作作面貼合良好好，提高密封封性能；（3）浮動密密封環(huán)采用用的復合橡橡膠0型密封圈,具有可壓縮縮性大及回回彈性好等等特點。始始終對金屬屬環(huán)施加壓壓力，讓金金屬環(huán)工作作面始終接接觸，保證證軸承潤滑滑油不泄漏漏及阻止泥泥土進入軸軸承腔，起起到密封效效果。滾刀刀橡橡膠膠密密封封件件性性能能指指標標項目浮封環(huán)用0型密封圈其它位置O形密封圈硬度(邵爾A型)60±5°70±5°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100℃×22h)40353.3刀具具軸軸承承滾柱柱滾滾珠珠軸軸承承早期期使使用用范范圍圍最最廣廣的的刀刀具具軸軸承承是是滾滾柱柱滾滾珠珠軸軸承承，，它它用用滾滾柱柱承承受受很很高高的的徑徑向向載載荷荷和和沖沖擊擊載載荷荷，，用用滾滾珠珠承承受受推推力力，，把把滾滾刀刀和和軸軸承承固固定定在在一一起起。。滾滾刀刀體體和和軸軸起起滾滾道道的的作作用用，，兩兩者者均均用用優(yōu)優(yōu)質(zhì)質(zhì)合合金金鋼鋼做做成成，，經(jīng)經(jīng)硬硬化化和和研研磨磨處處理理。。由由于于這這種種刀刀具具拆拆卸卸維維修修不不方方便便，，在在盾盾構(gòu)構(gòu)掘掘進進機機滾滾刀刀上上已已普普遍遍被被圓圓錐錐滾滾子子軸軸承承代代替替。。圓錐錐滾滾子子軸軸承承這類類軸軸承承采采用用錐錐形形滾滾柱柱和和滾滾道道，，具具有有以以下下的的優(yōu)優(yōu)點點：：1)能同同時時承承受受徑徑向向載載荷荷和和軸軸向向推推力力；；2)就相相同同的的軸軸承承尺尺寸寸而而言言，，承承載載能能力力更更大大，，相相對對壽壽命命更更長長；；3)調(diào)節(jié)節(jié)性性能能：：不不管管是是軸軸向向游游隙隙還還是是預預加加負負荷荷，，均均能能按按設設計計要要求求達達到到最最佳佳性性能能；；4)其錐錐型型結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)而而固固有有的的自自動動移移油油特特點點，，能能從從滾滾道道接接觸觸區(qū)區(qū)域域除除去去任任何何微微粒粒沾沾染染物物，，大大大大降降低低了了受受工工作作環(huán)環(huán)境境污污染染物物的的影影響響；；5)與其其他他類類型型的的磙磙子子軸軸承承相相比比，，因因純純滾滾動動效效果果較較佳佳，，摩摩擦擦系系數(shù)數(shù)減減少少，，速速度度提提高高；；6)由于于其其內(nèi)內(nèi)外外滾滾道道可可分分離離，，安安裝裝和和拆拆卸卸十十分分簡簡便便；；由于于圓圓錐錐滾滾子子軸軸承承具具有有上上述述一一系系列列的的優(yōu)優(yōu)點點，，能能很很好好滿滿足足滾滾刀刀的的工工況況要要求求。。目前前國國外外滾滾刀刀生生產(chǎn)產(chǎn)廠廠家家大大多多選選用用美美國國鐵鐵姆姆肯肯(TIMKEN)和日日本本NTN等公公司司的的軸軸承承。。17雙盤盤正正滾滾刀刀軸軸承承:型號號HH224334/224335－HH224310：額額定定動動負負荷荷C=630kN，額額定定靜靜負負荷荷C0=906kN；17雙盤盤中中心心滾滾刀刀邊邊滾滾刀刀軸軸承承:型號號H924045-H924010）：：額額定定動動負負荷荷C=453kN，額額定定靜靜負負荷荷C0=610kN。由于于進進口口軸軸承承價價格格高高、、交交貨貨期期長長，，九九久久公公司司和和軸軸研研所所、、軸軸承承廠廠合合作作已已制制造造出出滾滾刀刀用用軸軸承承，，使使用用性性能能正正逐逐漸漸被被用用戶戶接接受受。。目前前生生產(chǎn)產(chǎn)刀刀具具軸軸承承的的材材料料是是低低碳碳鉻鉻鎳鎳鋼鋼如如20CrNi3Mo，常常常常通通過過特特殊殊的的冶冶煉煉工工藝藝保保證證鋼鋼材材的的純純凈凈度度，，通通過過深深層層滲滲碳碳熱熱處處理理工工藝藝，，保保證證表表面面HRC58-60，芯芯部部HRC43-45。刀具具軸軸承承的的壽壽命命受受潤潤滑滑條條件件、、裝裝配配預預緊緊量量、、載載荷荷特特性性、、內(nèi)內(nèi)在在質(zhì)質(zhì)量量等等影影響響，，但但主主要要和和工工作作載載荷荷大大小小、、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速有有關關，，負負荷荷加加倍倍，，壽壽命命將將降降低低大大約約90%，負荷減半，，壽命將增加加10倍；轉(zhuǎn)速加倍倍，壽命將降降低一半，速速度減半，壽壽命將增加一一倍。刀盤設設計和刀具選選用時一定要要考慮軸承的的這一特性。。4.刮刀的結(jié)構(gòu)和和材料刮刀是由刀座座、刀體和刀刀刃三部分組組成的，刀座座是與刀盤連連接的部分，，與刀盤的連連接有焊接如如先行刀、螺螺栓連接如邊邊刮刀、插銷銷接如正面刮刮刀，替換滾滾刀部位的齒齒刀或切刀與與滾刀的安裝裝方式相同。。刀座有的是與與刀體成一體體的，有的是是與刀體焊接接的。與刀體體焊接的刀座座材料一般是是低碳低合金金鋼。刀體對硬質(zhì)合合金刀刃起支支撐和保護作作用，要有足足夠的強度和和耐磨性，通通常選用中碳碳中合金鋼或或空淬鋼，使使硬度達到HRC40以上，也常常常采用表面硬硬化技術或局局部堆焊耐磨磨層。刮刀刃是刮刀刀刮削巖土和和保護刀體不不被磨損的關關鍵部位，通通常是用硬質(zhì)質(zhì)合金做成的的，硬質(zhì)合金金的型號為YG11C。其大小和形形狀根據(jù)部位位、作用、地地層設計。刀刃與刀體的的的連接是關關鍵，具體工工藝有釬焊、、鑲嵌和鑲嵌嵌焊，連接強強度要求大于于250MPa。釬焊時，焊焊料和焊接方方法、工藝是是很關鍵的，，焊料有銅基基和銀基兩大大類，焊接方方法有高頻焊焊和真空焊等等。幾種刀具的推推薦使用范圍圍分類抗壓強度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85—180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)機刀具的的應用及對地地層的適應性性5.1盾構(gòu)掘進機刀刀具在國內(nèi)的的應用目前我國在地地鐵、引水工工程、鐵路隧隧道和過江隧隧道等工程中中大量應用盾盾構(gòu)掘進機，，其刀具應用用很普遍。主主要以進口為為主，各施工工單位先后購購進了威爾特特、海瑞克、、羅賓斯、三三菱、小松、、旁萬利、黑黑金剛等世界界先進廠家的的盾構(gòu)掘進機機刀具，已成成為盾構(gòu)掘進進機刀具應用用大國。主要要以17滾刀為主，也也有19規(guī)格的。國內(nèi)內(nèi)也先后有多多個廠家參與與刀具研制，，如一重、戚戚所、南齒、、洛陽九久、、江鉆等。國內(nèi)主要工程程應用國外刀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司盾構(gòu)掘進機機刀具應用一一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?；识魏Ｈ鹂薊PB628017〞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滾刀的組合設設計(刀盤的設計)刀盤是盾構(gòu)的的主要工作部部件，不同工工程的地質(zhì)條條件應采用不不同的刀盤結(jié)結(jié)構(gòu)形式及刀刀具布置方式式及刀具形狀狀。刀盤及刀刀具的好壞直直接影響盾構(gòu)構(gòu)掘進機的切切削效果和掘掘進速度，關關系到盾構(gòu)施施工的成敗，，影響盾構(gòu)機機的掘進速度度和效益。刀盤刀具布置置原則1)刀具覆蓋整個個斷面；2）使刀盤受力力均衡、振動動小、運轉(zhuǎn)平平穩(wěn)；3)盡量使各刀具具磨損均勻、、盡量使?jié)L刀刀純滾動，即即刀具母線過過刀盤中心；；4)有利于保證掘掘進直徑；；5)方便排除巖土土；6)便于裝拆和檢檢查修理。盾構(gòu)機刀具的的選用原則：1)適應地層，能能快速掘進;2)刀具費用少;3)安全性;4)破碎每一單位位體積巖石動動力消耗少.5.3盾構(gòu)機刀盤常常見結(jié)構(gòu)與應應用根據(jù)地層的不不同,刀盤的結(jié)構(gòu)及及其刀具的組組合布置、對對刀具性能的的要求也不同同。刀盤大體體分為三類：：刮刀類刀盤、、滾刀類刀盤盤和復合類刀刀盤。刮刀類刀盤適用于軟土及及沙卵石地層層，一般中心心布魚尾中心心刀，正面布布切削刀，邊邊沿布邊刮刀刀，根據(jù)地層層的實際情況況決定是否布布先行刀。刮刀刀盤邊刮刮刀通常是連連續(xù)布置的,其體積也大,布刀重疊系數(shù)數(shù)大,一般是4-8,正面刮刀重疊疊系數(shù)隨著半半徑的減少也也變小,一般是1-3,切削刀根據(jù)地地層需要有連連續(xù)的,但大多數(shù)是不不連續(xù)的。且且都是成對布布置，以滿足足刀盤正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的需要。使用中刮刀的的損壞有：刮刮刀磨損、刮刮刀刀刃崩裂裂或斷裂、刮刮刀掉齒。。滾刀類刀盤適用于全斷面面巖層，特別別是中硬以上上地層，目前前主要是17盤型滾刀。刀盤各區(qū)的刀刀具特點根據(jù)刀盤上三三個性質(zhì)不同同的區(qū)域(中心區(qū)，正面面區(qū)及邊緣區(qū)區(qū))的特性，布刀刀時一定要充充分考慮。中心區(qū)該區(qū)是刀盤的的中心，特點點是空間小，，滾刀的轉(zhuǎn)彎彎半徑小，所所以滾刀以滑滑動為主，在在小刀盤上常常安裝單支點點中心刀。大大刀盤常用同同規(guī)格的盤形形滾刀。中心刀與正滾滾刀的主要差差別：成組安裝：有有兩個一組、、三個一組和和六個一組。。密封形式:單密封環(huán)與軸軸承或刀體配配對。軸承型號：軸軸承常選用大大角度的，且且預緊力也大大。正面區(qū)該區(qū)處于中心心區(qū)和邊沿區(qū)區(qū)之間，工作作時刀具正對對著掌子面，，有一定的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎半徑，是是以所謂的純純滾動工作，，又有足夠的的布置空間，，所以該區(qū)布布刀容易，刀刀具壽命也長長。在硬巖中鉆進進時，“純純滾動”無論論是刀具軸承承壽命還是刀刀圈壽命都有有提高。邊緣區(qū)該區(qū)位于刀盤盤的邊沿，其其刀具不但承承擔的破巖量量大，且刀具具受力復雜，，還要保證開開挖直徑，所所以，常常布布刀量要多，，有些公司還還對刀圈形狀狀和刀體進行行特殊處理，，作成專用邊邊刀。刀具數(shù)量和刀刀間距在給定地質(zhì)條條件下，刀間間距是和刀具具的推力有關關的，刀具推推力越大，相相對刀具的切切深就越大，，在硬巖情況況下，刀間距距大約是切深深的10-20倍。試驗表明明，當減少刀刀間距時，獲獲得一定掘進進速度所需的的推力將下降降。這意味著著在巖石非常常硬的情況下下，維持每把把刀推力不變變，通過減少少刀間距，可可以增加掘進進速度；但是是，相應要求求增加機器總總推力，并產(chǎn)產(chǎn)生更小的碎碎石屑。而碎碎石屑愈小，，切削巖石要要求的比能耗耗愈大，開挖挖過程的經(jīng)濟濟性就愈差。。在給定地質(zhì)條條件和刀具推推力的情況下下，刀具數(shù)與與開挖直徑成成正比，刀盤盤直徑越大，，刀具數(shù)越多多。適當增加加刀具數(shù)，有有利于避免瞬瞬間巖石物理理特性差異而而造成單個刀刀具及其相鄰鄰刀具的加速速損壞。刀盤上刀具數(shù)數(shù)量的設計基基本上取決于于以下幾個因因素：1)鉆孔直徑；2)巖石性質(zhì)；3)刀盤總推力；；4)盤形滾刀尺寸寸；5）刀盤轉(zhuǎn)速盾構(gòu)掘進機刀刀盤通常每圈圈布置一把滾滾刀，在邊沿沿區(qū)由于施于于巖面上的壓壓力減少，刀刀間距要減少少，且每圈的的刀具數(shù)量要要增加，如邊邊刀在8米以上的大刀刀盤上以均分分布置3把以上為好。。刀盤直徑越大大，所選盤形形滾刀的直徑徑也應越大。。在理論上刀刀盤的回轉(zhuǎn)速速度是以邊刀刀轉(zhuǎn)數(shù)每分鐘鐘＜120轉(zhuǎn)為計算基礎礎的?；剞D(zhuǎn)速速度RS用以下近似公公式表示：RS=120d/D，式中：D--鉆孔直徑，d--為滾刀直徑。。因為回轉(zhuǎn)速度度與掘進機的的切割速度是是成正比的，，當然是希望望速度高。在在保持刀盤一一定轉(zhuǎn)速時，，滾刀直徑加加大是很有利利的。滾刀直直徑加大后滾滾刀軸承可相相應加大，使使其提高了承承載能力，有有利于切割硬硬巖。同時單單刀承載能力力提高之后，，刀齒切入巖巖層深度相應應增大，單刀刀破巖量亦增增加，刀具使使用壽命延長長（l倍以上），減減少了換刀時時間，從而提提高了掘進速速度。采用大大直徑滾刀，，可以實現(xiàn)以以較少的刀具具數(shù)量、較低低的鉆進扭矩矩、較高的鉆鉆進效率進行行鉆進作業(yè)。。刀具直徑越大大，承載能力力越大，而刀刀具本身轉(zhuǎn)速速下降了，對對軸承、密封封、刀圈的壽壽命都有提高高。所以，目目前的發(fā)展趨趨勢是大直徑徑滾刀。但盤盤刀直徑加大大，重量會增增加，裝機更更換會困難，，所以17〞盤型滾刀得到到普遍應用。。在均質(zhì)硬巖地地層，滾刀的的失效形式主主要是刀圈磨磨損，也有軸軸承、密封早早期失效、刀刀圈斷裂現(xiàn)象象。刀圈的的耐磨磨性是是問題題的關關鍵，，在地地層條條件和和掘進進參數(shù)數(shù)一定定的條條件下下，刀刀圈的的耐磨磨性和和刀圈圈的材材料、、制造造工藝藝和金金相組組織有有關，，在材材料確確定的的條件件下，，直觀觀反映映刀圈圈耐磨磨性的的指標標就是是硬度度了。。刀圈硬硬度與與刀圈圈耐磨磨性對對應關關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1-154-578．65/29．14/1-5.251-254-5710．75/510．8/2-0.461-354-579．3/29．22/10.871-454-5718．5/518．43/20.381-554-5720．92/223．02/2-9.121-654-5713．33/314．11/1-5.51-751-5411.75/110.61/110.71-851-5428.38/224.22/217.18例如：：在西寧寧線桃桃花鋪鋪隧道道施工工中，，采用用了威威爾特特公司司的TB880E隧道掘掘進機機，地地層均均勻，，為石石英片片巖夾夾大理理巖，，節(jié)理理較發(fā)發(fā)育，，刀圈圈硬度度與刀刀圈耐耐磨性性的對對應關關系見見表。。上表中中30磨損值值比較較是指指試驗驗刀圈圈與威威爾特特刀圈圈耐磨磨性的的比較較值，，負數(shù)數(shù)表示示試驗驗刀圈圈耐磨磨性比比威爾爾特刀刀圈耐耐磨性性提高高的百百分數(shù)數(shù)，如如-5.25表示耐耐磨性性提高高5.25%,正數(shù)表表示耐耐磨性性降低低的百百分數(shù)數(shù),如10.7表示耐耐磨性性降低低了10.7%。從表中中數(shù)據(jù)據(jù)可以以看出出，硬硬度對對耐磨磨性的的影響響是很很明顯顯的，，硬度度平均均降低低5%，相對對耐磨磨性要要降低低17%。因此此，在在這類類地層層，往往往根根據(jù)巖巖層的的抗壓壓強度度選取取刀圈圈。中軟巖巖45——85MPa如石灰灰?guī)r砂砂巖巖大大理石石火火山巖巖凝凝灰?guī)r巖用用輕型型刀圈圈中硬巖巖85——180MPa如白云云石片片麻麻巖花花崗巖巖片片巖長長石石用用重重型刀刀圈硬巖＞＞180MPa如閃綠綠巖硅硅巖巖角角閃巖巖硬硬質(zhì)粘粘土巖巖玄玄武巖巖燧燧石礫礫巖巖用用球齒齒刀圈圈。當然也也有例例外，，因巖巖層的的抗壓壓強度度與可可鉆性性并不不完全全一致致，破破巖主主要是是靠剪剪切來來完成成的（（巖石石的剪剪切強強度往往往只只有抗抗壓強強度的的1/10-20），有有些膠膠結(jié)砂砂巖，，石英英含量量很高高，耐耐磨性性很大大，抗抗壓強強度并并不太太高，，但用用球齒齒刀圈圈更好好。復合型型刀盤盤適用于于軟硬硬不勻勻的地地層,特點是是即可可安裝裝滾刀刀,也可安安裝切切削刀刀,在城市市地鐵鐵和市市政工工程盾盾構(gòu)施施工中中常見見。海瑞克克復合合型盾盾構(gòu)在在廣州州、深深圳、、北京京等城城市地地鐵大大量應應用，，日本本小松松、三三菱也也有應應用。。海瑞瑞克刀刀盤主主要有有兩種種布刀刀形式式：裝裝有中中心雙雙刃滾滾刀6把，雙雙刃正正滾刀刀13把，切切刀64把，邊邊刮刀刀32把，五五環(huán)超超挖刀刀1把，適適應于于80Mpa以內(nèi)的的復合合地層層；刀刀盤裝裝有中中心雙雙刃滾滾刀4把，單單刃正正滾刀刀31把，切切刀64把，邊邊刮刀刀16把，五五環(huán)超超挖刀刀1把，適適應于于160Mpa以內(nèi)的的復合合地層層。在在較軟軟的巖巖石地地層滾滾刀可可以更更換為為齒刀刀，增增加刀刀盤對對不同同地層層的適適應性性。這類地地層的的特點點是軟軟硬不不勻，，往往往是上上軟下下硬，，地層層軟時時滾刀刀易偏偏磨，，外圈圈滾刀刀由于于受力力不均均，常常常出出現(xiàn)刀刀圈斷斷裂的的情況況，特特別是是遇到到大的的孤石石時，，在廣廣州、、深圳圳地鐵鐵的進進口刀刀盤和和刀具具應用用中經(jīng)經(jīng)常會會出現(xiàn)現(xiàn)刀圈圈斷裂裂和滾滾刀偏偏磨現(xiàn)現(xiàn)象。。例如：：在上海?；A礎公司司施工工深圳圳水庫庫流域域污水水截排排工程程中，，工程程地質(zhì)質(zhì)錯綜綜復雜雜，整整個管管道須須穿越越340m庫尾淺淺覆土土段、、270m灘涂段段（硬硬巖段段）和和300m沙灣河河口段段（卵卵石、、沙層層、巖巖層）），巖巖層的的單軸軸抗壓壓強度度在40-140Mpa之間。。地層層描述述見圖圖。盾盾構(gòu)機機為改改制的的￠4.65m復合土土壓平平衡式式，刀刀盤刀刀具為為自行行設計計，其其刀具具刀盤盤結(jié)構(gòu)構(gòu)見圖圖。施施工中中，中中心滾滾刀和和低刀刀位正正滾刀刀主要要以正正常磨磨損為為主，，外圈圈邊滾滾刀主主要是是刀圈圈崩裂裂。為解決決刀圈圈斷裂裂問題題，我我們曾曾嘗試試采取取其他他措施施如把把刀刃刃做厚厚、適適當降降低刀刀圈硬硬度以以提高高其抗抗沖擊擊性能能等，，但效效果都都不明明顯。。因地地層上上下差差別大大，刀刀盤轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動時時邊刀刀經(jīng)常常會出出現(xiàn)碰碰撞巖巖石崩崩裂，，剛更更換的的新滾滾刀也也常發(fā)發(fā)生崩崩裂，，雖然然改變變掘進進參數(shù)數(shù)會有有所改改善，，但不不能從從根本本上解解決問問題，，針對對這種種情況況，我我們采采用整整體球球齒盤盤形滾滾刀，，刀圈圈和刀刀體做做成一一體，，采用用韌性性較好好的材材料，，如45CrNiMo一類的的材料料，降降低本本體的的硬度度，控控制在在HRC48-50，從根根本上上解決決刀圈圈和刀刀體的的開裂裂問題題，要要保證證有足足夠的的耐磨磨性，，在刀刀刃部部位鑲鑲嵌硬硬質(zhì)合合金，，硬質(zhì)質(zhì)合金金的硬硬度HRA可高達達87-88，大大大提高高了滾滾刀的的耐磨磨性。。球齒齒盤形形滾刀刀如圖圖5。這種種球齒齒滾刀刀制造造了兩兩把，，安裝裝在14-1和14-2刀位，，從658環(huán)到1068環(huán)，共共掘進進了410環(huán)，與與14號刀相相鄰的的13號和15號刀位位滾