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【摘 要】 盾构刀盘切削土体的机理根据地层的不同有所不同，研究刀盘切削机理对盾构机的设计、施工有重要的意义。
【关键词】 刀盘;刀具;分类
盾构机在隧道掘进过程中，其刀盘起着对前方土体切削开挖的作用。刀盘上可以根据需要安装刀具，通过刀盘旋转，刀具对正面土体进行切削而达到土体开挖的目的。切削出来的泥土通过刀盘上预留的的孔隙进入土仓，并经过螺旋机等运送机械运出，从而形成掘进运输循环，使盾构机能够进行快速掘进施工。
一、刀具分类及工作原理
不同的刀盘刀具切削土体的机理有所不同，滚刀的土体切削属滚动挤压破碎形式;切削刀的土体切削属切削破碎形式;先行刀及中心凸刀切削土体既有挤压破碎，也有切削破碎。滚刀与土体间的摩擦属于滚动摩擦，切削刀、先行刀及中心凸刀与土体间的摩擦属于滑动摩擦，滚刀在滚动的切削过程其磨损量相对其他刀具形式小。
根据现有盾构施工工程的情况，所用刀具大致可分为：
（1）单刃滚刀
滚刀有中心轴及周边合金耐磨圈组成，滚刀可围绕中心轴进行滚动，在滚动中通过其周边合金耐磨圈对前方岩层进行滚动挤压，使岩层产生剥裂，一般用于抗压强度较大的岩层中的掘进施工。特别是在全断面硬岩地质环境下，刀盘多采用全断面单刃滚刀布置。常规刀盘滚刀伸出刀盘面板长度较小（如图示1），刀具与土体切削面积小，所产生的摩擦力常不能驱使滚刀产生滚动，容易形成滚刀单边磨损，影响刀具寿命及切削效率。通过增加滚刀伸出刀盘面板的长度，从而增加刀具切削增加切削时的摩擦力，以保证滚刀产生滚动。用改进后的滚刀进行模拟试验表明，滚刀在切削过程中基本避免单边磨损，刀具磨损量减少30%以上。
工作原理：在掘进过程中，在推进力的作用下，排列在刀盘上的盘形滚刀滚压岩面，随着刀盘的旋转，岩面被碾出一系列的同心圆，利用滚刀的楔块作用，当超过岩石受力极限时，两个同心圆之间的岩石即被碾压爆裂破碎，其原理示意图如下：
图1 滚刀切削示意图
图2 单刃滚刀示意图
图3 双刃滚刀示意图
（2）双刃滚刀
在刀盘中心位置及周边位置，由于刀盘在旋转切削土体过程中，此部位刀具的磨损量往往较大，可安装双刃滚刀以减少磨损，双刃滚刀由两把单刃滚刀组合而成。盾构机在全断面硬岩地质环境下掘进施工，其刀盘中心位置及周边位置配置双刃滚刀以减少更换滚刀的次数。
工作原理同单刃滚刀。
双刃滚刀由两把单刃滚刀组合而成，与单刃滚刀相比，此类滚刀具有更高的耐磨性，但使其转动所需的刀具和土体间的摩擦力会更大，故一般适用于抗压强度较高的岩石土质条件的隧道掘进。同时，双刃滚刀一般布置在刀盘中心或周边等刀具磨损量较大的区域。
表1 常用盘形滚刀特性表
（3）切削刀
根据刀刃的锐利程度可以有多种形式，可通过改变切削刀前角和后角来变换切削刀的形状。一般在土体抗压强度较小的土质条件下，适合装配前角及后角角度较大的切削刀，以增加刀具的锐利度;而在土体抗压强度较大的地质条件下，可装配前角及后角角度较小的切削刀，加强爱难怪刀具的耐磨性。
工作原理：切削刀一般安装在刀盘辐条边缘，可使切削下的土体顺利进入土仓。在盾构掘进施工过程中，在推进力的作用下，排列在刀盘条幅边缘的切削刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，切削刀的运动轨迹为一个个不同大小的同心圆，其轨迹续遍布整个刀盘切削面，通过刀刃切割土体，并通过调整盾构机推力改变进刀量。
图5 甲型切削刀示意图 图6 锥形切削刀示意图
甲型切削刀：此类切削刀刀头较钝，适用于抗压强度适中的土体切削，抗压强度偏高（抗压强度大于25Mpa）及偏低（抗压强度小于10Mpa）的土体适应性较差。
锥形切削刀：此切削刀刀头较锐，适用于强度较低的土体切削（抗压强度小于10Mpa）。在盾构切削面的全断面软土地质条件下，根据土体的抗压强度，选择不同的切削刀在刀盘上全断面布置。
以往设计的切削刀，直接固定在刀坐上，無转动角度。当反向布置的刀具，在刀盘处于正转状态时，其切削刃的后角直接受冲击，刀刃极易崩断，严重影响了刀具的寿命，恶化了盾构的使用状态。通过对刀具形式进行改进，设计的刀具有一定的转动角度，当开挖刀处于反向切削位置时，能避免刀具的后角受力及冲击，提高了刀具的使用寿命。使用改进后的刀具进行盾构掘进模拟试验，刀刃崩断现象基本消除，同时刀具磨损可减少35%。
（4）先行刀
先行刀是介于滚刀和切削刀之间的刀具形式，同时具有两种刀具的部分功能。
工作原理：先行刀可以来理解为不能转动的滚刀，在盾构掘进施工过程中，在推进力的作用下，排列在刀盘上的先行刀紧压岩面，利用先行刀的楔块作用，当超过岩石受力极限时，先行刀前方岩石即被碾压爆裂破碎。参照单刃滚刀工作原理。
同时，先行刀可以理解为刀具刃口前后角较小的切削刀，在掘进过程中，在推进力的作用下，刀刃随着刀盘的转动，在各自的圆形轨迹上对前方土体进行切削。参照切削刀工作原理。
图7 先行刀示意图 图8 中心凸刀示意图
（5）中心凸刀
盾构机刀盘中心，在刀盘旋转切削过程中，刀具的线速度最小，需要安装的刀具具有特殊要求，中心凸刀是比较明智的选择。在刀盘最中心位置，刀盘转动时其运行轨迹圆的直径几乎为零，配置笔尖状的的刀具较为常见，此刀具完全通过盾构掘进时的推进力对前方土体进行挤压，使其爆裂破碎从而实现土体破坏。
工作原理：中心凸刀一般采用鼻尖的形式，根据刀具运行轨迹全断面布置小型刀具，刀具采用先行刀形式，但此类先行刀的合金耐磨层比一般先行刀厚，具有较好的耐磨性。在掘进过程中，中心凸刀同先行刀一样，具有滚刀与切削刀的部分功能：一方面，中心凸刀通过挤压作用，是前方岩石产生爆裂破碎;同时，可通过刀刃锐利的人口，对前方岩石进行切削。 刀盘刀具运行轨迹：安装在刀盘上的刀具随着掘进施工时的刀盘转动，其运行的轨迹是以刀盘中心为中心点的同心环，环宽为刀具的宽度。如图9示。每把开挖刀的切削刃方向需与该刀具的刀盘体上每个同心圆位置的切线方向重合，此时刀具切削效率最高。在进行刀盘刀具布置设计时，需使刀具的运动轨迹遍布整个刀盘。这样，当盾构掘进施工时，能保证前方岩石都有刀具进行切削，使盾构能顺利前进。
图9 刀具运行轨迹
二、各种刀盘刀具配置组合与地质条件的是适应性选择
不同的地质条件需要设计不同的刀盘整体刀具配置与之适应，以实现盾构机的快速掘进施工，主要考虑的土体性能是土体抗压强度。
不同的刀具形式具有不同的切削机理，可针对不同的地质条件选择不同的刀具形式或刀具组合形式。通过盾构工法模拟试验，并结合世界各地不同地质条件下的盾构施工实例的分析，得出与不同地质条件下的最佳刀盘刀具组合。
（1）全断面切削刀与中心刀配置组合
全断面切削刀并在刀盘中心配置中心凸刀，适应于软土质条件的隧道掘进施工，包括：
（1）人工填土层;
（2-1）淤泥或淤泥质土;
（2-2）淤泥质砂;
（3-2）中、细砂
（4-1）粉质粘土
（4-2）淤泥质粉质沙土
（5-1）可塑或稍密状残积土
（5-2）硬塑或中密状残积土
（2）切削刀、先行刀及中心刀配置组合
全断面布置切削刀并配置超前的先行刀，刀盘中心配置中心凸刀。适应于有一定抗压强度的风化岩层于软土底层交错的复合地层隧道盾构施工，包括：
（1）人工填土层;
（2-1）淤泥或淤泥质土;
（2-2）淤泥质砂;
（3-2）中、细砂
（4-1）粉质粘土
（4-2）淤泥质粉质沙土
（5-1）可塑或稍密状残积土
（5-2）硬塑或中密状残积土
（6）岩石全风化带
（7）岩石强风化带
（8）岩石中等分化带
（3）超前滚刀与切削刀配置组合
超前滚刀配合切削刀，掘进时，刀盘上超前的滚刀对前方岩层进行挤压破碎，紧随其后的切削刀对已破碎的岩土进一步切削分离。该刀盘刀具组合适应于具有一定抗压强度及较高抗压强度的岩土掘进施工，包括：
（8）岩石中等分化带泥质粉砂岩、粉砂岩，粉砂质泥岩、泥岩
（9）岩石微风化带泥质粉砂岩、粉砂岩，粉砂质泥岩、泥巖
（4）全断面滚刀布置
该种全断面布置的盾构机，适用于全断面坚硬岩石层的隧道掘进。
三、结束语
研究盾构掘进机刀盘切削机理，寻找不同土体的相适应的刀具形式，提出几种与其地质条件相适应的刀盘刀具配置组合，可以为盾构工程盾构设计及现场施工提供参考。
【关键词】 刀盘;刀具;分类
盾构机在隧道掘进过程中，其刀盘起着对前方土体切削开挖的作用。刀盘上可以根据需要安装刀具，通过刀盘旋转，刀具对正面土体进行切削而达到土体开挖的目的。切削出来的泥土通过刀盘上预留的的孔隙进入土仓，并经过螺旋机等运送机械运出，从而形成掘进运输循环，使盾构机能够进行快速掘进施工。
一、刀具分类及工作原理
不同的刀盘刀具切削土体的机理有所不同，滚刀的土体切削属滚动挤压破碎形式;切削刀的土体切削属切削破碎形式;先行刀及中心凸刀切削土体既有挤压破碎，也有切削破碎。滚刀与土体间的摩擦属于滚动摩擦，切削刀、先行刀及中心凸刀与土体间的摩擦属于滑动摩擦，滚刀在滚动的切削过程其磨损量相对其他刀具形式小。
根据现有盾构施工工程的情况，所用刀具大致可分为：
（1）单刃滚刀
滚刀有中心轴及周边合金耐磨圈组成，滚刀可围绕中心轴进行滚动，在滚动中通过其周边合金耐磨圈对前方岩层进行滚动挤压，使岩层产生剥裂，一般用于抗压强度较大的岩层中的掘进施工。特别是在全断面硬岩地质环境下，刀盘多采用全断面单刃滚刀布置。常规刀盘滚刀伸出刀盘面板长度较小（如图示1），刀具与土体切削面积小，所产生的摩擦力常不能驱使滚刀产生滚动，容易形成滚刀单边磨损，影响刀具寿命及切削效率。通过增加滚刀伸出刀盘面板的长度，从而增加刀具切削增加切削时的摩擦力，以保证滚刀产生滚动。用改进后的滚刀进行模拟试验表明，滚刀在切削过程中基本避免单边磨损，刀具磨损量减少30%以上。
工作原理：在掘进过程中，在推进力的作用下，排列在刀盘上的盘形滚刀滚压岩面，随着刀盘的旋转，岩面被碾出一系列的同心圆，利用滚刀的楔块作用，当超过岩石受力极限时，两个同心圆之间的岩石即被碾压爆裂破碎，其原理示意图如下：
图1 滚刀切削示意图
图2 单刃滚刀示意图
图3 双刃滚刀示意图
（2）双刃滚刀
在刀盘中心位置及周边位置，由于刀盘在旋转切削土体过程中，此部位刀具的磨损量往往较大，可安装双刃滚刀以减少磨损，双刃滚刀由两把单刃滚刀组合而成。盾构机在全断面硬岩地质环境下掘进施工，其刀盘中心位置及周边位置配置双刃滚刀以减少更换滚刀的次数。
工作原理同单刃滚刀。
双刃滚刀由两把单刃滚刀组合而成，与单刃滚刀相比，此类滚刀具有更高的耐磨性，但使其转动所需的刀具和土体间的摩擦力会更大，故一般适用于抗压强度较高的岩石土质条件的隧道掘进。同时，双刃滚刀一般布置在刀盘中心或周边等刀具磨损量较大的区域。
表1 常用盘形滚刀特性表
（3）切削刀
根据刀刃的锐利程度可以有多种形式，可通过改变切削刀前角和后角来变换切削刀的形状。一般在土体抗压强度较小的土质条件下，适合装配前角及后角角度较大的切削刀，以增加刀具的锐利度;而在土体抗压强度较大的地质条件下，可装配前角及后角角度较小的切削刀，加强爱难怪刀具的耐磨性。
工作原理：切削刀一般安装在刀盘辐条边缘，可使切削下的土体顺利进入土仓。在盾构掘进施工过程中，在推进力的作用下，排列在刀盘条幅边缘的切削刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，切削刀的运动轨迹为一个个不同大小的同心圆，其轨迹续遍布整个刀盘切削面，通过刀刃切割土体，并通过调整盾构机推力改变进刀量。
图5 甲型切削刀示意图 图6 锥形切削刀示意图
甲型切削刀：此类切削刀刀头较钝，适用于抗压强度适中的土体切削，抗压强度偏高（抗压强度大于25Mpa）及偏低（抗压强度小于10Mpa）的土体适应性较差。
锥形切削刀：此切削刀刀头较锐，适用于强度较低的土体切削（抗压强度小于10Mpa）。在盾构切削面的全断面软土地质条件下，根据土体的抗压强度，选择不同的切削刀在刀盘上全断面布置。
以往设计的切削刀，直接固定在刀坐上，無转动角度。当反向布置的刀具，在刀盘处于正转状态时，其切削刃的后角直接受冲击，刀刃极易崩断，严重影响了刀具的寿命，恶化了盾构的使用状态。通过对刀具形式进行改进，设计的刀具有一定的转动角度，当开挖刀处于反向切削位置时，能避免刀具的后角受力及冲击，提高了刀具的使用寿命。使用改进后的刀具进行盾构掘进模拟试验，刀刃崩断现象基本消除，同时刀具磨损可减少35%。
（4）先行刀
先行刀是介于滚刀和切削刀之间的刀具形式，同时具有两种刀具的部分功能。
工作原理：先行刀可以来理解为不能转动的滚刀，在盾构掘进施工过程中，在推进力的作用下，排列在刀盘上的先行刀紧压岩面，利用先行刀的楔块作用，当超过岩石受力极限时，先行刀前方岩石即被碾压爆裂破碎。参照单刃滚刀工作原理。
同时，先行刀可以理解为刀具刃口前后角较小的切削刀，在掘进过程中，在推进力的作用下，刀刃随着刀盘的转动，在各自的圆形轨迹上对前方土体进行切削。参照切削刀工作原理。
图7 先行刀示意图 图8 中心凸刀示意图
（5）中心凸刀
盾构机刀盘中心，在刀盘旋转切削过程中，刀具的线速度最小，需要安装的刀具具有特殊要求，中心凸刀是比较明智的选择。在刀盘最中心位置，刀盘转动时其运行轨迹圆的直径几乎为零，配置笔尖状的的刀具较为常见，此刀具完全通过盾构掘进时的推进力对前方土体进行挤压，使其爆裂破碎从而实现土体破坏。
工作原理：中心凸刀一般采用鼻尖的形式，根据刀具运行轨迹全断面布置小型刀具，刀具采用先行刀形式，但此类先行刀的合金耐磨层比一般先行刀厚，具有较好的耐磨性。在掘进过程中，中心凸刀同先行刀一样，具有滚刀与切削刀的部分功能：一方面，中心凸刀通过挤压作用，是前方岩石产生爆裂破碎;同时，可通过刀刃锐利的人口，对前方岩石进行切削。 刀盘刀具运行轨迹：安装在刀盘上的刀具随着掘进施工时的刀盘转动，其运行的轨迹是以刀盘中心为中心点的同心环，环宽为刀具的宽度。如图9示。每把开挖刀的切削刃方向需与该刀具的刀盘体上每个同心圆位置的切线方向重合，此时刀具切削效率最高。在进行刀盘刀具布置设计时，需使刀具的运动轨迹遍布整个刀盘。这样，当盾构掘进施工时，能保证前方岩石都有刀具进行切削，使盾构能顺利前进。
图9 刀具运行轨迹
二、各种刀盘刀具配置组合与地质条件的是适应性选择
不同的地质条件需要设计不同的刀盘整体刀具配置与之适应，以实现盾构机的快速掘进施工，主要考虑的土体性能是土体抗压强度。
不同的刀具形式具有不同的切削机理，可针对不同的地质条件选择不同的刀具形式或刀具组合形式。通过盾构工法模拟试验，并结合世界各地不同地质条件下的盾构施工实例的分析，得出与不同地质条件下的最佳刀盘刀具组合。
（1）全断面切削刀与中心刀配置组合
全断面切削刀并在刀盘中心配置中心凸刀，适应于软土质条件的隧道掘进施工，包括：
（1）人工填土层;
（2-1）淤泥或淤泥质土;
（2-2）淤泥质砂;
（3-2）中、细砂
（4-1）粉质粘土
（4-2）淤泥质粉质沙土
（5-1）可塑或稍密状残积土
（5-2）硬塑或中密状残积土
（2）切削刀、先行刀及中心刀配置组合
全断面布置切削刀并配置超前的先行刀，刀盘中心配置中心凸刀。适应于有一定抗压强度的风化岩层于软土底层交错的复合地层隧道盾构施工，包括：
（1）人工填土层;
（2-1）淤泥或淤泥质土;
（2-2）淤泥质砂;
（3-2）中、细砂
（4-1）粉质粘土
（4-2）淤泥质粉质沙土
（5-1）可塑或稍密状残积土
（5-2）硬塑或中密状残积土
（6）岩石全风化带
（7）岩石强风化带
（8）岩石中等分化带
（3）超前滚刀与切削刀配置组合
超前滚刀配合切削刀，掘进时，刀盘上超前的滚刀对前方岩层进行挤压破碎，紧随其后的切削刀对已破碎的岩土进一步切削分离。该刀盘刀具组合适应于具有一定抗压强度及较高抗压强度的岩土掘进施工，包括：
（8）岩石中等分化带泥质粉砂岩、粉砂岩，粉砂质泥岩、泥岩
（9）岩石微风化带泥质粉砂岩、粉砂岩，粉砂质泥岩、泥巖
（4）全断面滚刀布置
该种全断面布置的盾构机，适用于全断面坚硬岩石层的隧道掘进。
三、结束语
研究盾构掘进机刀盘切削机理，寻找不同土体的相适应的刀具形式，提出几种与其地质条件相适应的刀盘刀具配置组合，可以为盾构工程盾构设计及现场施工提供参考。