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1、盾构刀盘刀具,盾构掘进机(Shield machine，Shield tunneling machine) 隧道掘进机TBM（Tunneling boring machine）,在欧洲，盾构也称为TBM （Tunnel Boring Machine ） 在日本和我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构，将用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM。但通常定义中的TBM是指全断面岩石隧道掘进机，是以岩石地层为掘进对象，它与盾构的主要区别就是不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。 泥水盾构（Slurry shield），土压平衡（EPB）盾构机（Earth-pressure balanced s
2、hield） 盾构机的掘进性能很大程度上取决于刀盘的结构形式、刀具类型及布局方式等,1、概述,目前国际上只有德国、美国、日本、法国、加拿大等少数几个国家的企业具有能力生产，且造价高昂。 2002年8月，中铁隧道集团在河南建立了隧道掘进机产业化基地，成立了以盾构/TBM研究开发中心、盾构/TBM组装调试中心、盾构/TBM制造维修中心为主要发展方向的隧道机械制造公司。2004年7月，上海隧道工程股份有限公司也在上海外高桥建立了盾构产业化基地，成立了上海盾构设计试验研究中心和上海外高桥隧道机械有限公司。,“十一五”产业化方向,在全国范围内形成23个隧道掘进机产业化基地，每个基地具备年产20台隧道掘进
3、机的能力。 土压平衡盾构产业化、系列化 泥水盾构和复合盾构的研制 TBM关键技术研究,世界上最大的泥水盾构之一，开挖直径14.96m,泥水盾构结构,德国海瑞克EPB,刀盘刀具研究内容包括以下几个方面： 盘形滚刀的破岩机理（盘形滚刀垂直力、滚动力和侧向力的受力预测公式） 盘形滚刀改进研究（滚刀的形状和制造材料） 刀盘上刀具布置的研究（尽可能使每把刀破岩量相等，磨损量相似，刀盘不产生倾覆力矩，以提高刀具寿命和掘进效率。） 其它刀具零部件的研究（如刀圈改型技术的研究，刀圈材料的选择，刀具螺栓失效分析等）。,盾构刀盘刀具国内研究现状 上海交通大学（盾构在硬岩及软硬不均地层的掘进技术） 华北电力大学（盘
4、形滚刀受力分析及切割岩石数值模拟研究，盘形滚刀寿命预测理论，滚刀布置规律） 西南交通大学 大连理工大学（随机突变载荷下的TBM刀具布置与刀盘体结构耦合设计方法）,2、盾构机上常用刀具,滚刀:又分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀 切刀:主要使用于软土地层，一般布置在刀盘开口的两侧，用于切削和剥离土体。 刮刀:属于刀盘弧形周边软土刀具，在岩石地层中可用来刮渣。 先行刀:在切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。 仿形刀：,刀盘标称直径6280mm，刀盘厚度550mm，高1310mm，总重57t。31单刃滚刀，4双刃中心滚刀，64把切刀，8把双刃刮刀/右向旋转。,滚刀
5、分为盘形滚刀、球齿滚刀、楔齿滚刀。一般是用盘形滚刀，盘形滚刀的刀圈为整体结构。,盘形滚刀刀圈断面形状,刀具失效形式 刀具磨损（刀具更换总量的80%） 刀圈偏磨（刀具不能转动，轴承问题） 刀圈移位（挡圈损坏） 刀圈断裂崩刃（刀圈瞬时侧向力过大） 刀圈断裂，刀圈脱落，刀体损坏（失圆与超量磨损） 刀座与面板磨损,3、刀具失效形式及破岩机理,中心滚刀偏磨-,刀盘外周磨损（日本三菱 北京地铁),盾构刀具破岩方式有两种，滚压破岩是在岩石地层中利用盘形滚刀滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用破碎岩石。 切削破岩是在土、砂层或软岩地层中利用切刀的刀刃施力于岩体上，将岩体的外层剪切而剥离母岩。 一般在软土地层和砂性
6、地层中采用切削破岩方式进行盾构施工，在岩石地层、硬塑土层和砂砾地层中采用以滚压破岩为主、切削破岩为辅的方式进行掘进施工。 滚压破岩的主要机具为盘形滚刀，切削破岩的主要机具为切刀。,破岩机理,盘形滚刀破岩轴迹,轴向力P使滚刀压入岩石，滚动力矩M使滚刀滚压岩石，两者的共同作用使岩石得到连续的破碎。 推力是主要的参数，它决定了扭矩（滚动力矩）及其他参数，滚压破碎功率中扭矩是最主要的参数，占破碎功率的绝大部分,剪切和破碎岩石：刀圈与岩石接触界面上的摩擦力（碾碎）；刀圈作圆周运动的向心力（对刀圈内侧岩石产生剪切作用）；人为造成滚刀的滑动。 前苏联研究表明，其他条件相同时，刀刃外形为抛物线的刀圈可承受较高的剪应力，更时候破碎坚硬和塑性的岩石。,伊万斯公式（计算垂直推力比实际破岩垂直推力要小）,日本秋三藤三郎 （侧向力公式）,挤压破碎理论 剪切破碎理论,科罗拉多矿业学院预测公式（基于线性切割）目前刀盘设计中常用,垂直力 滚动力,科罗拉多矿业学院预测公式（基于压痕试验）,东北工学院岩石破碎研究室预测公式,上海交通大学640教研室预测公式,华北水电学院北京研究生部公式,P：侵入岩石深度 Pf：实际切深,滚刀布置规律 岩石对盘形滚刀作用力计算,倾覆力矩为0,研究内容：刀盘刀具受力分析、刀盘刀具的分布规律（Solidworks，Ansys， Deform-3D ）,
