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刀具形狀及其作用
閱讀：1461 發布時間：2014-3-1
刀具的形狀必須適應施工地質的特點，并且刀具在切削斷面不同的位置其作用及要求均不同，因此應對刀具進行設計。
①刀具在砂、砂卵石地層中的切削效率，即如何減少切削阻力，保證切削土體的流動性。
②通過刀具形狀的改變，減少刀具掘進磨損，提高刀具的耐久性。
③適應城市繁華地區施工的需要，盡可能減少刀盤旋轉刀具切削土體過程對周邊土體及環境的干擾，如振動、噪音等。
④如何從材料和設計方面，對解決盾構機在砂卵石地層掘進時刀具的磨損(包括撞擊掉塊等)，提出切實可行的措施，保證盾構機刀具長距離掘進的可靠性。
(1)刀具的類型及切削原理
目前盾構機刀具按切削原理劃分，一般*有滾刀和切削刀兩種類型，（根據隧道圍巖性質不同、切削目的不同，這兩類刀具還可進一步細分)。滾刀的切削原理主要是刀具依靠擠壓破巖，一般用于巖石隧道的掘進。
當雖然穿越松散地層但有大粒徑的礫石
（粒徑大于400mm)、并且含量達到一定比例時，也可采用滾刀型刀具。另在隧道地質條件復雜多變、巖石(強度不算太高)與一般土體(或粘土或砂土)交錯頻繁出現的情況，也有可能采用滾刀型刀具，即在復合式盾構機中采用。
切削刀的切削原理則主要是盾構機向前推進的同時，刀具隨刀盤旋轉對開挖面土體產生軸向(沿隧道前進方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉切線方向)切削力，不斷將開挖面前方土體切削下來。切削刀一般適用于粒徑小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散體地層。
(2)
主要刀具形狀及作用
①切削刀
切削刀是盾構機切削開挖面土體的主刀具，切削刀一般形狀如圖
15所示。一般情況下，β(前角)與α(后角)值隨切削地層特性不同變化，取值范圍在5°～20°之間，粘土地層稍大，砂卵石地層稍小。比如北京市地層特點，β(前角)和α(后角)值建議采用15°。
②超前刀(也稱先行刀)顧名思義，超前刀即為先行切削土體的刀具。超前刀在設計中主要考慮與切削刀組合協同工作。刀具切削土體時，超前刀在切削刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切削刀創造良好的切削條件。
據其作用與目的，超前刀斷面一般比切削刀斷面小。采用超前刀，一般可顯著增加切削土體的流動性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，減少切削刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層使用效果十分明顯。
③盤圈貝型刀
盤圈貝型刀實質上是超前刀，盾構機穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時，若采用滾刀型刀具，因土體屑松散體，在滾刀掘進擠壓下會產生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時甚至喪失切削破碎能力。針對北京市大粒徑砂卵石地層的特性，根據筆者在日本的施工經驗，建議采用盤圈貝型刀，將其布置在刀盤盤圈前端面，于切削砂卵石。采用盤圈貝型刀可較好地解決盾構機切削土體(砂卵石)的難題。
④魚尾刀
采用大刀盤全斷面切削土體，布置在幅條上不同位置的切削刀，從刀盤外周至中心，運動圓月逐漸減小，中心點理論上可以視為零。換言之密封艙內切削土體的運動長度也是由外至內逐漸變小，相應土體流動狀態也是越來越差。而且中心支撐部位(直徑約1.5m)不能布置切削刀，為改善中心部位土體的切削和攪拌效果，可考慮在中心部位設計一把尺寸較大的魚尾刀(詳見魚尾刀切削土體示意圖19)。根據經驗，色尾刀的設計和布置可應用兩個技巧：其一讓盾構機分兩步切削土體，利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面(直徑約1.5
①刀具在砂、砂卵石地層中的切削效率，即如何減少切削阻力，保證切削土體的流動性。
②通過刀具形狀的改變，減少刀具掘進磨損，提高刀具的耐久性。
③適應城市繁華地區施工的需要，盡可能減少刀盤旋轉刀具切削土體過程對周邊土體及環境的干擾，如振動、噪音等。
④如何從材料和設計方面，對解決盾構機在砂卵石地層掘進時刀具的磨損(包括撞擊掉塊等)，提出切實可行的措施，保證盾構機刀具長距離掘進的可靠性。
(1)刀具的類型及切削原理
目前盾構機刀具按切削原理劃分，一般*有滾刀和切削刀兩種類型，（根據隧道圍巖性質不同、切削目的不同，這兩類刀具還可進一步細分)。滾刀的切削原理主要是刀具依靠擠壓破巖，一般用于巖石隧道的掘進。
當雖然穿越松散地層但有大粒徑的礫石
（粒徑大于400mm)、并且含量達到一定比例時，也可采用滾刀型刀具。另在隧道地質條件復雜多變、巖石(強度不算太高)與一般土體(或粘土或砂土)交錯頻繁出現的情況，也有可能采用滾刀型刀具，即在復合式盾構機中采用。
切削刀的切削原理則主要是盾構機向前推進的同時，刀具隨刀盤旋轉對開挖面土體產生軸向(沿隧道前進方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉切線方向)切削力，不斷將開挖面前方土體切削下來。切削刀一般適用于粒徑小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散體地層。
(2)
主要刀具形狀及作用
①切削刀
切削刀是盾構機切削開挖面土體的主刀具，切削刀一般形狀如圖
15所示。一般情況下，β(前角)與α(后角)值隨切削地層特性不同變化，取值范圍在5°～20°之間，粘土地層稍大，砂卵石地層稍小。比如北京市地層特點，β(前角)和α(后角)值建議采用15°。
②超前刀(也稱先行刀)顧名思義，超前刀即為先行切削土體的刀具。超前刀在設計中主要考慮與切削刀組合協同工作。刀具切削土體時，超前刀在切削刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切削刀創造良好的切削條件。
據其作用與目的，超前刀斷面一般比切削刀斷面小。采用超前刀，一般可顯著增加切削土體的流動性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，減少切削刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層使用效果十分明顯。
③盤圈貝型刀
盤圈貝型刀實質上是超前刀，盾構機穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時，若采用滾刀型刀具，因土體屑松散體，在滾刀掘進擠壓下會產生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時甚至喪失切削破碎能力。針對北京市大粒徑砂卵石地層的特性，根據筆者在日本的施工經驗，建議采用盤圈貝型刀，將其布置在刀盤盤圈前端面，于切削砂卵石。采用盤圈貝型刀可較好地解決盾構機切削土體(砂卵石)的難題。
④魚尾刀
采用大刀盤全斷面切削土體，布置在幅條上不同位置的切削刀，從刀盤外周至中心，運動圓月逐漸減小，中心點理論上可以視為零。換言之密封艙內切削土體的運動長度也是由外至內逐漸變小，相應土體流動狀態也是越來越差。而且中心支撐部位(直徑約1.5m)不能布置切削刀，為改善中心部位土體的切削和攪拌效果，可考慮在中心部位設計一把尺寸較大的魚尾刀(詳見魚尾刀切削土體示意圖19)。根據經驗，色尾刀的設計和布置可應用兩個技巧：其一讓盾構機分兩步切削土體，利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面(直徑約1.5