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浅谈盾构机球齿滚刀圈的应用

摘要：本文主要简单介绍盾构机的基本工作原理、盾构机球齿滚刀的产生、

盾构机球齿滚刀的应用，盾构机球齿滚刀的适用范围及其优势。

关键词：工作原理滚刀的分类球齿滚刀

1土压平衡盾构机的基本工作原理

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

段起着临时文撑的作用，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。

1.1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。

1.2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

土经刀盘开口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塌

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。

1.3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衬砌管片，使

隧道—次成型。

1.4盾构机的组成

盾构机的开挖直径为6.28m，总长75m，其中盾体长8.5m，后配套设备

长66.5m，总重量约520t，总配置功率1743kW，最大掘进扭矩5300kNm，最大

推进力为34210kN，最大掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9大部分组成，

他们分别是刀盘、盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套

装置、电气系统和辅助设备。

2滚刀的分类

2.1滚刀分为齿形（球齿、楔齿）滚刀和盘形滚刀

2.1.1滚刀刀圈的材质是滚刀能否胜任掘进硬岩的关键。盘形滚刀根据刀圈

不同一般有以下4种类型

1)耐磨层表面刀圈：适用于掘进硬度40MPa的紧密地层，硬度80～100MPa

的断裂砾岩、砂岩、砂粘土等地层。

(2)标准钢刀圈：适用于掘进硬度50～150MPa的砾岩、大理石、砂岩、灰

岩地层。

(3)重型钢刀圈：适用于掘进硬度120～250MPa的硬岩，硬度80～150MPa

的高磨损岩层，如花岗岩、闪长岩、斑岩、蛇纹石及玄武岩等地层。

(4)镶齿硬质合金刀圈适用于掘进硬度高达150～250MPa的花岗岩、玄武

岩、斑岩及石英岩等地层。

2.1.2

刮碴板的作用是将滚刀破碎的岩碴，及时排出，防止滚刀对岩碴的二次

破碎，保护滚刀。前刮碴板主要铲装刀盘前方的落碴，铲装量大，磨损较快，后

刮碴板主要铲装下护盾推进中从隧道底部堆积起来的碴石，铲装量小，磨损较小

3盾构机球齿滚刀的产生

随着近十年来地铁在国内的飞速发展，盾构机被广泛应用于地铁施工中。

目前国内盾构掘进中的滚刀多采用合金工具钢或合金结构钢制造的钢刀圈，这种

钢刀圈对地层的适应范围较广，从软土到软岩甚至硬岩均能一定程度的适应，但

受刀圈材料性能的限制其耐磨性有一定的限度，同时这种钢刀圈在较软的地层中

掘进时由于掌子面提供给滚刀的主动转矩不足以克服滚刀转动的被动转矩，滚刀

转动不起来进而使滚刀产生偏磨。而在广州、深圳地区，存在大量的粉砂岩、砂

岩、粉沙质泥岩等风化程度较高的软岩（土）地层，这种地层的磨砺性较强、稳

定性较差，常常不具备换刀条件或换刀成本高，盾构施工单位总希望找到一种耐

磨性好的刀圈来减少盾构掘进过程中的换刀次数，于是就产生了堆焊球齿刀圈。

盾构机破碎岩石的机理是：在掘进时盘型滚刀沿岩面滚动，同时对岩面

施加压力，形成滚动挤压切削而实现破岩。刀盘每转动一圈，将贯入岩面一定的

深度，在盘型刀刃与岩石接触处，岩石被挤压成粉末，由此产生的裂缝向相邻的

切割槽扩展，进而形成片状石碴。刀间距必须科学合理，如果刀间距太大，相邻

盘型刀的破岩范围不能相接，就不能开挖出片状石碴，从而降低开挖效率；反之，

如果刀