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摘要:盾构机刀具配置是盾构机刀具设计管理中的重要内容，本文着重介绍盾构机刀具的主要种类和其进行工作的原理，同时针对不同地质层的情况，提出刀具的配置的差异与不同，并且针对盾构机在复合地层中进行隧道掘进是，刀具配置使用的问题。
关键词： 刀具配置，地质层 ，盾构机
Abstract: shield construction machine tool configuration is shield construction machine tool design management in the important content, this paper introduce shield construction machine tool of the main kinds and the principle of work, at the same time according to different geological layer of the condition, the author puts forward the configuration of cutting tool with different differences, and to shield construction machine in a composite strata in excavating tunnel is, the cutting tool of using configuration.
Keywords: tool configuration, geological layer, shield construction machine
中图分类号：TG71文献标识码：A 文章编号：
一、概述
盾构机刀具的配置是在盾构机刀具设计当中非常重要的内容，其的详细配置关系到其符合使用的地址条件和要求，而且针对不同的盾构机的地质，其的使用寿命、切削的效果、出土的状况和掘进的速度和效果、施工的进度和要求都会受到直接的影响。
二、刀具种类和切削原理
1、刀具的种类
盾构机刀具是根据工程地段硬岩、软岩的不同强度和地质特点，根据刀具在软、硬岩中不同的破岩机理来进行设计和选择的。刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层的开挖，主要刀具类型为：双刃滚刀、中心滚刀、齿刀、切刀、弧形刮刀和仿形刀。其中滚刀和齿刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型两种刀具可以互换。在硬岩中掘进时刀盘需安装双刃滚刀、中心刀，在软岩中掘进时可以根据需要把双刃滚刀、中心刀更换為对应形式的齿刀。
2、切削的主要原理
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。其主要分为以下三个阶段：
1．盾构机的掘进
液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。
2．掘进中控制排土量与排土速度
当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。
3.管片拼装
盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。
三、刀具配置方式
刀具的配置方式需要综合当前工程地质地层的实际情况，通过了解地层的岩石、土层情况之后，根据不同的工程地质特点，选取不同的刀具配置方案，最终达到最好的切削效果和掘进速度。依据当前的地层的土质情况，我们大致可以将土层分为以下四种土层：软弱土地层;砂层、砂卵石地层;风化岩及软硬不均地层;单纯的纯硬岩地层。
1、软弱土地层的刀具
这些土质层主要是以淤泥、粘土和粉质粘土为主，他们其中的岩石非常少，主要是以小颗粒泥土为主，因此在选择使用切削刀具时，一般采用切刀、周边刮刀、中心刀、先行刀和超挖刀。这些刀具的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。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,在正反方向各布置了8把刮刀。考虑到刀盘的受力均匀性,刀具布置具有对称性。刀具安装采用螺栓固定,便于更换。在切刀或刮刀的刃口和刃口背面镶嵌有合金和耐磨材料,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。
2、砂层、砂卵石地层的刀具
一些地区的地质土层主要是以砂,卵石地层为主，而其中会含有颗粒加到的岩石或者漂石，这需要配置滚刀以防不备。在此砂层、砂卵石地层施工时，需要设置(宽幅)切刀、周边刮刀、先行刀(重型撕裂刀)、中心刀、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,同时重型撕裂刀用于破碎强度较低和粒径较小的卵石和砾石;中心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。滚刀用于破碎粒径较大的砾石或漂石。
3、风化岩及软硬不均地层的刀具
在我国的南部岩石区域较多，属于上软下硬，地质情况极为复杂，而且部分的岩石抗压能力能够达到150-200Mpa左右，因此进行此类岩石挖掘时，还需要增加上切削型刀具外包括宽幅切刀，而其施工时徐奥提供先行到，在到滚刀。由于岩石层较为复杂，因此整个破岩的过程应当为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和避免盾壳被卡死,需要有较大的开挖直径,因此刀盘上需配置滚刀型的仿形刀(或超挖刀)。
4、单纯的纯硬岩地层的刀具
单纯硬岩地层应当直接诶选用滚刀，而无需任何齿刀直接使用，甚至可以在刀盘面板周边开口处配备刮碴刮刀板，以便能够增强滚刀的使用效率。
四、刀具配置的差异性
在盾构机进行掘土时，需要注意的到刀具配置的差异会导致盾构机的掘进速度和效果，因此选择合适的刀具对于工程进度非常有帮助。在复合型地层施工时，刀具配置之间的差异主要变相在滚刀和先行刀之间的参数配置、数量、厚度、高度以及相互组合的差异上。其主要的表现为刀具高能够有效的方式泥饼的形成，高度差异过大有利于将岩石彻底破碎。而且滚刀刀间距过大和过小都会对破岩产生巨大的差异。刀具间距过大，滚刀将会出现“岩脊”现象，从而无法有效的破岩，而滚刀间距过小，小块的碎石就会增多，导致岩石破碎难度增大。因此在复合地层中间进行掘进时，需要使用周边滚刀间距小于90mm，正面滚刀间距大约为100mm-120mm的盾构机，从而能够防止滚刀间距不足或过小产生的问题。当然为了能够保证实际施工效果，使用盾构机的刀具间距最好经过考察的工地地层的岩石情况具体而定。
五、结束语
刀具的配置关系到盾构机是否能够迅速掘进，而且也关系到整个施工进度是否能够按时完成，这必须要对地质情况进行详细的了解与分析。在盾构机施工前，对工地地层合理选取掘进参数和掘进方法（例如：位置的选取、岩石层的勘查，总推力的确定、刀具贯入度、转速等详细参数），通过了解盾构机的使用方法才能最大限度的保证刀具的使用寿命，减少换刀的效率，而减少施工中浪费刀具的情况。
参考文献:
[1] 竺维彬 鞠世健.复合地层中的盾构施工技术.中国科学技术出版社.
[2]Michael A.DIPonio Jay Dee-Michels-JV David Chapman Lachel,Felice & Associates Craig Bournes Lovat,Inc EPB Tunnel Boring Machine Design for Boulder Condition.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词： 刀具配置，地质层 ，盾构机
Abstract: shield construction machine tool configuration is shield construction machine tool design management in the important content, this paper introduce shield construction machine tool of the main kinds and the principle of work, at the same time according to different geological layer of the condition, the author puts forward the configuration of cutting tool with different differences, and to shield construction machine in a composite strata in excavating tunnel is, the cutting tool of using configuration.
Keywords: tool configuration, geological layer, shield construction machine
中图分类号：TG71文献标识码：A 文章编号：
一、概述
盾构机刀具的配置是在盾构机刀具设计当中非常重要的内容，其的详细配置关系到其符合使用的地址条件和要求，而且针对不同的盾构机的地质，其的使用寿命、切削的效果、出土的状况和掘进的速度和效果、施工的进度和要求都会受到直接的影响。
二、刀具种类和切削原理
1、刀具的种类
盾构机刀具是根据工程地段硬岩、软岩的不同强度和地质特点，根据刀具在软、硬岩中不同的破岩机理来进行设计和选择的。刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层的开挖，主要刀具类型为：双刃滚刀、中心滚刀、齿刀、切刀、弧形刮刀和仿形刀。其中滚刀和齿刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型两种刀具可以互换。在硬岩中掘进时刀盘需安装双刃滚刀、中心刀，在软岩中掘进时可以根据需要把双刃滚刀、中心刀更换為对应形式的齿刀。
2、切削的主要原理
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。其主要分为以下三个阶段：
1．盾构机的掘进
液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。
2．掘进中控制排土量与排土速度
当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。
3.管片拼装
盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。
三、刀具配置方式
刀具的配置方式需要综合当前工程地质地层的实际情况，通过了解地层的岩石、土层情况之后，根据不同的工程地质特点，选取不同的刀具配置方案，最终达到最好的切削效果和掘进速度。依据当前的地层的土质情况，我们大致可以将土层分为以下四种土层：软弱土地层;砂层、砂卵石地层;风化岩及软硬不均地层;单纯的纯硬岩地层。
1、软弱土地层的刀具
这些土质层主要是以淤泥、粘土和粉质粘土为主，他们其中的岩石非常少，主要是以小颗粒泥土为主，因此在选择使用切削刀具时，一般采用切刀、周边刮刀、中心刀、先行刀和超挖刀。这些刀具的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。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,在正反方向各布置了8把刮刀。考虑到刀盘的受力均匀性,刀具布置具有对称性。刀具安装采用螺栓固定,便于更换。在切刀或刮刀的刃口和刃口背面镶嵌有合金和耐磨材料,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。
2、砂层、砂卵石地层的刀具
一些地区的地质土层主要是以砂,卵石地层为主，而其中会含有颗粒加到的岩石或者漂石，这需要配置滚刀以防不备。在此砂层、砂卵石地层施工时，需要设置(宽幅)切刀、周边刮刀、先行刀(重型撕裂刀)、中心刀、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,同时重型撕裂刀用于破碎强度较低和粒径较小的卵石和砾石;中心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。滚刀用于破碎粒径较大的砾石或漂石。
3、风化岩及软硬不均地层的刀具
在我国的南部岩石区域较多，属于上软下硬，地质情况极为复杂，而且部分的岩石抗压能力能够达到150-200Mpa左右，因此进行此类岩石挖掘时，还需要增加上切削型刀具外包括宽幅切刀，而其施工时徐奥提供先行到，在到滚刀。由于岩石层较为复杂，因此整个破岩的过程应当为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和避免盾壳被卡死,需要有较大的开挖直径,因此刀盘上需配置滚刀型的仿形刀(或超挖刀)。
4、单纯的纯硬岩地层的刀具
单纯硬岩地层应当直接诶选用滚刀，而无需任何齿刀直接使用，甚至可以在刀盘面板周边开口处配备刮碴刮刀板，以便能够增强滚刀的使用效率。
四、刀具配置的差异性
在盾构机进行掘土时，需要注意的到刀具配置的差异会导致盾构机的掘进速度和效果，因此选择合适的刀具对于工程进度非常有帮助。在复合型地层施工时，刀具配置之间的差异主要变相在滚刀和先行刀之间的参数配置、数量、厚度、高度以及相互组合的差异上。其主要的表现为刀具高能够有效的方式泥饼的形成，高度差异过大有利于将岩石彻底破碎。而且滚刀刀间距过大和过小都会对破岩产生巨大的差异。刀具间距过大，滚刀将会出现“岩脊”现象，从而无法有效的破岩，而滚刀间距过小，小块的碎石就会增多，导致岩石破碎难度增大。因此在复合地层中间进行掘进时，需要使用周边滚刀间距小于90mm，正面滚刀间距大约为100mm-120mm的盾构机，从而能够防止滚刀间距不足或过小产生的问题。当然为了能够保证实际施工效果，使用盾构机的刀具间距最好经过考察的工地地层的岩石情况具体而定。
五、结束语
刀具的配置关系到盾构机是否能够迅速掘进，而且也关系到整个施工进度是否能够按时完成，这必须要对地质情况进行详细的了解与分析。在盾构机施工前，对工地地层合理选取掘进参数和掘进方法（例如：位置的选取、岩石层的勘查，总推力的确定、刀具贯入度、转速等详细参数），通过了解盾构机的使用方法才能最大限度的保证刀具的使用寿命，减少换刀的效率，而减少施工中浪费刀具的情况。
参考文献:
[1] 竺维彬 鞠世健.复合地层中的盾构施工技术.中国科学技术出版社.
[2]Michael A.DIPonio Jay Dee-Michels-JV David Chapman Lachel,Felice & Associates Craig Bournes Lovat,Inc EPB Tunnel Boring Machine Design for Boulder Condition.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。