盾 构 刀 具 简 介
盾构刀具简介
吕志峰，刘玉海，刘学红
（山东天工岩土工程设备有限公司 ，山东 聊城 252000）
摘 要 ： 盾构刀具是盾构机切削岩土的工具 。 本文介绍了盾构机用刀具的分类 ，扼 要 叙 述 了 盾构机的切削刀 具和滚压刀具的功能 、形 状 、用材及制造工艺 ，对盾构机用刀具的使用者与管理者有借鉴作用 。 关 键 词 ：盾 构 刀 具 ；切 削 刀 分 类 ；滚 刀 结 构 ；刀 具 焊 接 中 图 分 类 号 ： TD421.2+5
文 献 标 志 码 ：B
Introduction to Shield Machine Cutter
LU Zhi-feng, LIU Yu-hai, LIU Xue-hong
(Shandong Techgong Geotechnical Engineering Equipment Co., Ltd, Liaocheng 252000 Shandong Province , China)
Abstract: The shield machine cutter is a type of tool employed by a shield machine to cut rock & soil. The paper describes the category of shield machine cutters and focuses on the function, shape, material, and manufacturing process of cutters and rolling cutters used on the shield machine. It can function as a reference for the users and keepers of shield machine cutters.
Key words: shield machine cutter; the category of shield machine cutters; the structure of rolling cutters;the cutter
welding
盾构刀具是盾构法施工不可缺少的工具 。 近 年 来 ，随着盾构法施工在我国 城 市 轨 道 、城 市 管 网、公路、铁路、水利等隧道建设中的广泛应用和 在煤矿巷道挖掘中 的 推 广 试 用 ，盾构设备及刀具 的发展空间和需求将会越来越大 。 我国盾构刀具
经历了从依赖进口到平分国内市场 ，到 部 分 产 品 出口的过程 。
本文简要介绍盾构刀具的分类和组成 。
1 盾构刀具的分类
收 稿 日 期 ：2013-05-08
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自 钻 式 锚 固钻具是集钻进 、注 浆 、锚 固 为 一 体的岩土锚固工具 ，在 国 外 地 下 工 程 施 工 、隧 道 锚固、采矿巷道和建筑基坑加固 、公 路 、铁 路 山 体 边坡治理 、 大型水电工程地下厂房整体支护 、以 及地质灾害救助等众多工程项目中大量使用 。
近年来 ，随着我国基础建设工程项目中对施 工周期和质量要 求 的 提 高 ，使用自钻式锚固钻具 的数量在持续增 加 。 目 前 ，国内对自钻式锚固钻 具的生产尚属于初期发展阶段 ，仅有的几家生产 企业集中在四川成都和陕西汉中一带 ，且 产 量 和
品种规格都 很 有 限 ，有条件的钎钢钎具生产企业 应该关注这种 产品的国内外市场发展趋势和需 求动向 。 参考文献 ：
[1]Atlas Copco.MAI SDA self drilling anchors[Z].Atlas Copco
Geotechnical Drilling and Exploration.
[2]Atlas Copco .Micropiles for geotechnical engineering [Z].
Atlas Copco Ground Engineering Products.
[3]Atlas Copco .Rock reinforcement catalogue [Z].Atlas Copco
Rock Reinforcement Products.
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盾构刀具按其破岩方式 ，大体可以分为两大 石和土层 。 先行刀在切削刀切削土体之前先行切 削 土 体 ，将土体切割分块 ，为切削刀创造良好的 切削条件 。 采 用 先 行 刀 ，一般可显著增加切削土 体 的 流 动 性 ，大 大 降 低 切 削 刀 的 扭 矩 ，提 高 刀 具 切削效率 ，减少切削刀的磨损 。
先行刀分为可更换和不可更换两种类型 。 （4）仿形刀 ，安装在盾构机刀盘边缘位置 ，沿 径向扩挖隧道 。 仿形刀用于曲线段推进 、转 弯 或 纠偏。
仿形刀一般有两种 ：组合式和整体式 。 （5）保护刀，保护刀盘构件。 保护刀有盾体保护 刀、刀座保护刀、注浆口保护刀、面板保护刀等。
图 1 所示，是几种常见的盾构机切削刀具 。
类：盾构机用切削刀和盾构机用滚刀 。
1.1 盾构机用切削刀
盾 构 机 用切削刀包括刮刀 （切 刀 ）、中 心 刀 、 先行刀 、仿形刀和保护刀等 。 从严格的意义上讲 ， 保护刀不能称其为刀 ，但 为 了 便 于 管 理 ，我 们 暂 且将它归到盾构刀具里 。
（1）刮刀，是切削软质岩石和土层 ，或 刮 削 渣 土的刀具 。 根据安装位置的不同 ，刮 刀 可 以 分 为 正刮刀和边缘刮刀 。
（2）中心刀 ，安装在盾构机刀盘中心位置 ，具 有定位与切削功能 。 中心刀可分为鱼尾刀和羊角 刀，其中鱼尾刀又可分为整体式和组合式 。
（3）先行刀 。 先于切刀接触地层 ，犁削软质岩
1.2 盾构机用滚刀
（a） 边 缘 刮 刀 （b） 中 心 刀
（ c） 保 护 刀
（d） 正 刮 刀
按 安 装 位 置 ，滚刀分为中心滚刀 、正 滚 刀 和 仿形滚刀 。
按安装形 式 ，滚刀分为轴式滚刀和端盖式滚 刀。
按结构形式 ，滚刀分为单刃滚刀 、双 刃 滚 刀 、 三刃滚刀 ，四刃 仿 形 刀 、二 联 滚 刀 、三 联 滚 刀 和 偏 （e） 中 心 刀 图 1 盾构机用切削刀具
心滚刀 。
按 刀 刃 材 质 ，滚刀分为全钢滚刀 、镶 硬 质 合 金滚刀 。
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部分盾构机用滚刀见图 2。 切削刀主要由刀体和刀头两部分组成 。
2 盾构机用切削刀
2.1 刀体
刀体对刀头具有支撑功能 ， 在 工 作 中 承 受 拉 、压及冲击等载荷的作用 ，因此要求刀体有较 高强度和韧性 。 根据使用工况 （如地质条件 、安装 位 置 ）和制造工艺的要求 ，刀体材料通常选用中 碳合金结构钢 ，钢种的化学成分和机械性能应符 合 GB/ T 3077 的规定 。 为保证刀体具有良好的使 用性能 ，需对刀体进行热处理 。
(a) 正 滚 刀
2.2 刀头
刀头（或称 刀 刃 ）是切削刀的关键构件 ，切 削 刀通过刀头切削岩土来实现掘进 。 刀头通常采用 钨钴硬质合金制作 ，具 有 强 度 高 、硬 度 高 和 耐 磨 性好的特点 。 其结构和成分视刀具的作用 、位 置 及地层而不同 。 所用硬质合金推荐采用 YG11C、 （b） 双 刃 滚 刀
YG13C、YG15C 或性能相近的其它型号 。其性能 、 成分应符合 GB/T 18376.2-2001 的规定 。
2.3 刀体与刀头的焊接
刀体与刀头采用钎焊的方式连接在一起 ，常 使用的焊料有铜基焊料和银基焊料 。 焊接方式有 真空焊和中频 感 应 焊 ，目前国内普遍采用的是中 频感应焊 。 焊接是切削刀制造中十分关键的一道 （c） 二 联 中 心 刀
工序。 对焊接的要求是 ：（a）焊缝内焊料充满度不 小于 80％；（b）焊缝的抗剪强度不小于 210 MPa。
2.4 刀体表面堆焊耐磨层
为增强切削刀的抗磨损能力 ，可 在 刀 体 表 面 堆焊耐磨材料 。 耐磨层不应有未熔合 、夹渣、弧坑 现象，但允许耐磨层表面有微裂纹存在 。
(d) 四 刃 仿 形 刀
刀 具 的 外观应光洁平整 ，不 得 有 裂 纹 ，毛 刺 等缺陷 ，刀具表面应进行防锈处理 。
3 盾构机用滚刀 3.1 盾构机滚刀的构成
滚刀主要由刀圈 、刀体(套)、刀 轴 、轴 承 、浮 动 密封、端盖(座)等部件组成 （如图 3 所示）。
(e) 三刃镶硬质合金滚刀
图 2 盾 构 机 用 滚 刀
滚刀规格主要有 ：12 ˊ 、14 ˊ 、17 ˊ 、19 ˊ 四 种，目前以 17ˊ滚刀应用最为广泛 。
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距、转速等因素有关 。 不同的使用工况 ，轴承的游 隙、预紧力和安装扭矩不同 。
浮 动 密 封 轴 承
（3）浮动密封
密封的目的是保证滚刀内腔的润滑剂 不 泄 漏且防止外来 物 进 入 ，密封效果对保证滚刀正常
刀 圈 刀 体
刀 轴
图 3 滚 刀 的 组 成
端 盖
工作和延长工作寿命是十分重要的 。 浮动密封由 两个啮合的金属 密封环和两个富有弹性的复合 橡胶密封圈组成 ，密封效果好 。
金属密封环是密封装置中的主要零件 ，其 结 构及质量的好坏对密封性起决定作用 。 金属密封 环 采 用 高硬度耐磨高铬钼的铸铁材料 ， 硬 度 工作表面粗糙度 Ra ≤0.1 μm， 表 面 HRC 60-65，
平 面 度≤0.0015 mm。 O 型 密封圈由丁晴橡胶制 造 ，常 温 下 硬 度 为 55～70（邵 氏 A）。 最 小 扯 断 强 度不小于 10 MPa。
（4）刀体与主轴
滚刀的刀体与主轴主要起支撑作用 ，它 们 都 要有一定的强 度 和 韧 性 ，材料通常选用中碳合金 结 构 钢 ，根据要求的不同 ，采用相应的工艺和方 法。
3.2 滚刀的材料与工艺
（1）刀圈
刀圈是滚刀的关键构件之一 ， 盾 构 机 （或
TBM）在中硬岩层条件下施工时通过 刀 圈 挤 压 岩
石来实现破岩掘进 。 刀圈应具备较高的机械强 度，良好的耐磨性和冲击韧性 。
刀圈一般 分 为 两 类 ： 钢制刀圈和镶齿刀圈 。 钢制刀圈材料多为合金模具钢或合金结构钢 ，镶 齿刀圈因需夹 持 硬 质 合 金 ，要求材料具有较好的 强韧性配合 ，因此常选用高强度合金结构钢 。
刀圈刃宽,有 16、19、25、30 毫米等 。
视 设 备 、工 况 的 不 同 ，刀圈可选用不同的结 构和材料 。
（2）轴承
滚刀轴承以圆锥滚子轴承为主 ，也 有 用 滑 动 轴承和其它轴承的 。 目前盾构机用滚刀选用的轴 承多为美国铁姆肯 （TIMKEN）公司生产 。 轴 承 的 使用寿命除与其 内在质量有关外 ， 还 与 载 荷 大 小 、载 荷 特 性 、润 滑 条 件 、游 隙 （装 配 预 紧 量 ）、跨
4 结束语
随着盾构法施工在地铁 、隧 道 、引 水 工 程
中 的 广 泛 应 用 ，我 国 盾 构 刀 具 发 展 快 速 ，国 产 刀 具的市场份额 逐 年 递 增 。 与国外先进水平相比 ， 国产盾构刀具使用寿命较短 ，存在质量稳定性不 高、刀具规格不全的问题 ，还有较大的提升空间 。
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