鉆探刀具
 

　　是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)的核心部件，直接負(fù)責(zé)切削、破碎前方土體或巖體，是盾構(gòu)機(jī)能否高效、安全掘進(jìn)的關(guān)鍵。它們相當(dāng)于盾構(gòu)機(jī)的“牙齒”
 

　　一、 主要類型(根據(jù)地層適應(yīng)性)
 

　　1.  滾刀(盤形滾刀)：
 

　　適用地層：硬巖、中硬巖、軟巖、甚至部分高強(qiáng)度礫石層。 是破巖的主力刀具。
 

　　工作原理：刀圈(通常由高強(qiáng)度合金鋼制成)在刀體上自由滾動，通過巨大的盾構(gòu)推進(jìn)力將刀圈壓入巖體，利用擠壓、剪切和拉伸作用使巖石產(chǎn)生裂紋并破碎(主要是擠壓破碎)。
 

　　特點(diǎn)
 

　　破巖效率高，尤其在高貫入度下。
 

　　磨損相對均勻，壽命較長(與刮刀比)。
 

　　需要較高的推力和扭矩。
 

　　在軟土中效果不佳，容易“裹泥”導(dǎo)致無法轉(zhuǎn)動而失效。
 

　　子分類：
 

　　單刃滾刀： 最常見，一個(gè)刀圈。
 

　　雙滾刀： 兩個(gè)刀圈并列，承載能力更強(qiáng)，用于極硬巖或高磨損地層。
 

　　中心滾刀：安裝在刀盤中心區(qū)域，通常尺寸較小或設(shè)計(jì)特殊以適應(yīng)中心低線速度。
 

　　正滾刀： 安裝在刀盤輻條正面，主要承擔(dān)破巖任務(wù)。
 

　　邊滾刀： 安裝在刀盤外緣，負(fù)責(zé)開挖輪廓線，有時(shí)設(shè)計(jì)有角度(如錐形邊滾刀)以形成超挖間隙。
 

　　保徑滾刀：安裝在刀盤外緣或刀盤護(hù)盾上，主要作用是保護(hù)刀盤結(jié)構(gòu)不被磨損，維持開挖直徑。
 

　　2.
 

　　鉆探刀具
 

　　刮刀(切刀、齒刀)：
 

　　適用地層：粘土、粉土、砂土、淤泥等軟土地層，以及部分軟巖和強(qiáng)風(fēng)化巖。
 

　　工作原理：利用刀具前端的切削刃(通常鑲嵌硬質(zhì)合金)，像鏟子一樣刮削、剝離土層。主要依靠剪切力破壞土體。
 

　　特點(diǎn)：
 

　　在軟土中切削效率高，阻力相對較小。
 

　　結(jié)構(gòu)相對簡單。
 

　　直接暴露在渣土流中，磨損非?？欤枰l繁檢查更換。
 

　　在硬巖或含大礫石的地層中極易崩刃、斷裂失效。
 

　　設(shè)計(jì)： 通常設(shè)計(jì)有后角和側(cè)角以利于排渣，減少粘附。刀體上常設(shè)計(jì)有過載保護(hù)結(jié)構(gòu)(如斷裂槽)。
 

　　3.  先行刀：
 

　　適用地層：介于滾刀和刮刀之間，常用于復(fù)合地層(軟硬不均)或含有卵石、漂石的軟土地層。
 

　　*工作原理：安裝在刮刀前方(靠近刀盤中心方向)，比刮刀突出更長。其作用是在刮刀接觸土體之前，先將大塊的、堅(jiān)硬的障礙物(如卵石、漂石)或較硬土體進(jìn)行預(yù)破碎或松動，保護(hù)后方的刮刀，并改善渣土流動性。
 

　　特點(diǎn)：通常比刮刀更粗壯、耐磨，形狀多樣(錐形、羊角形、撕裂形等)。
 

　　4.  仿形刀：
 

　　作用：不是用于常規(guī)掘進(jìn)，而是用于開挖隧道轉(zhuǎn)彎或糾偏時(shí)所需的超挖，以提供盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)向所需的空間。
 

　　位置： 通常安裝在刀盤外緣的可伸縮裝置內(nèi)。
 

　　操作： 需要超挖時(shí)，操作人員將其從刀盤內(nèi)向外推出，超出其他刀具的切削輪廓。完成超挖后縮回。
 

　　類型：可以是滾刀形式，也可以是刮刀形式。
 

　　二、 關(guān)鍵特性與挑戰(zhàn)
 

　　1.  耐磨性：*刀具直接與磨蝕性強(qiáng)的土砂巖石摩擦，需要采用高強(qiáng)度合金鋼刀體和超硬材料刀圈/刀刃(如碳化鎢硬質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金、甚至金剛石復(fù)合片)。
 

　　2.  優(yōu)異的抗沖擊韌性：地層不均勻，可能遇到孤石、障礙物或硬巖夾層，刀具需承受劇烈沖擊而不發(fā)生斷裂或嚴(yán)重崩刃。
 

　　3.  耐高溫性：切削摩擦產(chǎn)生大量熱量，尤其在硬巖掘進(jìn)時(shí)。
 

　　4.  幾何形狀優(yōu)化： 刀具的安裝角、后角、切削角等直接影響切削效率、磨損速率和排渣效果。
 

　　5.  磨損與失效：刀具磨損是盾構(gòu)施工中的常態(tài)和主要成本之一。失效形式包括：
 

　　正常磨損：刀刃/刀圈均勻磨鈍、磨耗。
 

　　崩刃/掉塊：硬質(zhì)合金刃口或刀圈邊緣因沖擊或疲勞碎裂。
 

　　斷裂：刀體或刀圈因過載或疲勞斷裂。
 

　　偏磨：因安裝問題或地層不均導(dǎo)致單側(cè)過度磨損。
 

　　刀圈松動/脫落：固定失效。
 

　　軸承卡死：密封失效導(dǎo)致泥沙進(jìn)入滾刀軸承。
 

　　6.  刀具管理：
 

　　狀態(tài)監(jiān)測： 通過掘進(jìn)參數(shù)(推力、扭矩、速度、貫入度、振動、溫度)、渣土分析(含金屬碎屑)、定期開艙檢查(最直接)等方式判斷刀具磨損狀態(tài)。
 

　　更換計(jì)劃： 根據(jù)磨損預(yù)測和地層條件，制定刀具檢查與更換計(jì)劃。更換通常在氣壓或泥漿壓力穩(wěn)定工作面的條件下進(jìn)行(帶壓進(jìn)艙)，風(fēng)險(xiǎn)高、成本高、耗時(shí)長。
 

　　刀具布置： 根據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告，在刀盤上科學(xué)布置不同類型、數(shù)量的刀具(滾刀、刮刀、先行刀的搭配、間距、覆蓋率等)，直接影響掘進(jìn)效率和刀具壽命。
 

　　三、 重要性
 

　　掘進(jìn)效率：刀具性能直接決定掘進(jìn)速度。
 

　　施工成本：刀具消耗是盾構(gòu)施工的主要直接成本之一，頻繁更換刀具會大幅增加成本和延誤工期。
 

　　施工安全：刀具嚴(yán)重?fù)p壞或失效可能導(dǎo)致刀盤損壞、卡機(jī)、地表沉降甚至塌方等重大事故。
 

　　隧道質(zhì)量：刀具狀態(tài)影響開挖面的穩(wěn)定性和隧道輪廓的精度。
 

　　盾構(gòu)機(jī)刀具是盾構(gòu)機(jī)征服地下世界的“利齒”，其設(shè)計(jì)、選型、布置、管理和維護(hù)是盾構(gòu)工程成功的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。工程師必須根據(jù)地層條件精心選擇和配置刀具，并在掘進(jìn)過程中密切監(jiān)控其狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行更換，才能確保盾構(gòu)機(jī)高效、安全、經(jīng)濟(jì)地完成隧道掘進(jìn)任務(wù)。持續(xù)研發(fā)更耐磨、耐沖擊、智能化的刀具是盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的重要方向。