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1、摘要在施工中，所谓的盾构法就是使用盾构在地面以下开挖隧道的一种方法。随着时间的推移，到了上世纪末，伴随着我国的城市在地下空间的开发和利用率的提高与城市化进程的加快，盾构法作为一种既可以提高施工质量，又可以保护环境的施工方式，得到了政府和施工企业的大力推广和重视，所以，他们渐渐地开始大量的应用与引进这种先进的施工设备与技术。作为对盾构掘进效率和盾构掘进速度有着重要影响的盾构刀具，对于它的质量和选择就尤为重要。在国内，目前我们的盾构使用的刀具绝大部分依靠进口，这是因为第一，盾构在国内而言，是一种新型的设备，没有使刀具的研究人员和制造厂商所重视；第二，国内现有的一些道具不能够满足使用的要求。此文就主
2、要对盾构刀具进行详细的介绍，希望能引起我国一些研究人员和有能力的刀具制造厂商的关注，使盾构刀具的国产化进一步加快。关键词：盾构；刀具；材料；发展趋势AbstractIn construction, a method of shield method is called using the shield excavation tunnel in the below ground. With the passage of time, to the end of the last century, with the development of underground space in our ci
3、ty and improve utilization rate of city and urbanization, the shield as a can improve the construction quality, construction methods and can Protect environment, the government and the construction enterprise promotion and attention, so, they gradually began with the introduction of a large number o
4、f applications of this advanced construction equipment and technology. As for shield tunneling efficiency and shield tunneling rate has important influence of shield cutter, is particularly important for its quality and choice. In China, the tool currently using our shield, the vast majority rely on
5、 imports, this is because the first, shield in the domestic, is a kind of new equipment, not the tool for researchers and manufacturers attention; second, some of the props of domestic existing can not meet the use requirements. This paper is mainly on the shield cutters are introduced in detail, th
6、e hope can cause some Chinese researchers and the ability of the tool manufacturers attention, so that the shield cutter localization to further accelerate.Keywords: shield; tool material; development trend目录摘要1引言1第一章 盾构刀具使用环境2第二章 盾构刀具的分类和配置4第三章 常用的盾构刀具材料6第四章 盾构刀具材料未来的发展趋势74.1 优化刀具材料化学成分74.2 改进热处理工艺
7、充分挖掘材料潜力94.3 刀体材质的选用94.4 焊缝间隙的研究分析94.5 钎焊及热处理工艺研究104.6 抗冲击、耐磨、无裂纹的硬质合金刀头研制104.7 耐磨材料加强保护刀具基体11结论12参考文献13致谢14引言随着世界各国，尤其是发展中国家城市化进程的不断加快，地下空间开发利用的前景非常广阔。 近年来，我国城市轨道交通建设也步入了快速发展的时期，目前全国约有 30 个城市获批修建地铁工程。在非开挖技术飞速发展的背景下，盾构法以其对周边环境影响小、安全环保、推进速度快、质量优等特点在城市地铁工程建设中发挥了非常重要的作用，因而国内外对盾构机的需求也日益加大。盾构由刀盘旋转靠刀具切割岩土
8、体并由油缸向前推进，这要就可以使隧道掘进实现连续的机械化。但是，就我国复杂的地质而言，在盾构掘进过程中会碰到例如砂性及粉细砂、软塑粘土或砂卵石等较为复杂的地层结构，在对土体的旋转切削时，在隧道的挖掘过程中会有各异的，复杂的各种相互作用，对于土体条件不同的情况，因为刀具的切削原理和切削型式不同，存在着土体与不同的刀具和刀盘相互适应的问题，这些都会对盾构掘进速率，刀具的磨损，刀具的更换等产生较大的影响。目前，我国虽然已经能够自主研发地铁盾构设备，但还处于起步的合作阶段，盾构机及零配件还主要依赖进口。 由于国外盾构机（如德国海瑞克、维尔特，法国FCB，日本三菱重工、日立和小松）的不断引进，以及国产盾
9、构机企业（如中铁装备公司、中铁轨道系统集团、无锡盾建重工、天业通联等）的不断发展，使得各种型式的盾构刀具需求量不断增加。 在盾构隧道施工中，盾构刀具的更换费用占了总施工费用的近 1/4。 因此，本文对常用的盾构刀具材料及发展趋势展开研究无疑具有重要的意义。第一章 盾构刀具使用环境第一，我国疆土辽阔 ，东西跨经度 60 以上 ，距离约5 000 km，南北跨纬度近 50 ，距离约 5 500 km，地理形势复杂多变，地质结构硬度差异很大，难以预料分析，因此在盾构刀具的选择上存在相当大的难度。当前我国地铁建设比较集中的城市主要有：上海、北京、广州、深圳、成都、南京、沈阳、郑州等。 如上海地质主要以
10、淤泥、黏土和粉质黏土为主，相对来说对盾构刀具的抗冲击性能和破岩能力的要求要低一些，普通的盾构刀具即能达到要求；南京地质以雨花石居多，成都地质以富水砂卵石为主，普通材质和工艺生产的盾构刀具就难以达到使用要求。第二，由于采用非开挖技术，施工过程中要求盾构机各部位的功能必须确保万无一失，这就对盾构刀具的质量提出了更高的要求。第三，地层盾构施工，只要是出现了正常磨损的条件下，没有达到预定挖掘距离(如一个施工区间段)或是出现盾构刀具的早期破坏，它是在施工过程中非常难以对付的问题。要是在无建筑的开阔地带下开凿隧道，大多会开挖检修竖井的方法，来对刀具进行更换或修理。一旦隧道在城市的密集建筑地带，如果要对刀具
11、进行修复或更换，就必须采用从盾构机内部通道进入开挖面的办法。该刀具的维修和更换在施工过程中进行是存在这较大的安全风险，如果处理不好，可能危及到整个项目。这就是北京的砂砾地质条件下地铁施工盾构说面临的一个重大问题。所以，对于今后开发可靠性强、使用寿命长、质量优的盾构刀具技术是至关重要的。冲击、磨损和一定程度腐蚀的恶劣环境，是盾构刀具长期工作的环境，尤其是在含有比较多的砂石地段进行作业，对于刀具的磨损就更加的严重，致使使用寿命大打折扣，对于盾构施工的施工成本和施工效率最直接的影响就是刀具使用寿命的长短，所以，怎样的把新的技术用到提高盾构刀具的抗冲击、抗磨损、耐腐蚀的性能上，从而使成本降低，就成为了
12、我国盾构施工中现有的最为急迫要解决的问题之一。作为盾构刀具的刀刃，都是由烧结硬质合金组成，它耐磨性好，硬度高，可是冲击韧性较低，所以既要保证刀刃的硬度，又要在此基础之上提高刀刃的韧性，这就成为了使刀具使用寿命提高的一个重要方面。而刀体材料一般采用中低碳钢，其韧性好，强度高，但耐磨性较差，硬度较低，可是因为刀刃是钎焊在刀体上的，过度磨损刀体，会使刀刃脱落，所以，对于刀体容易受到磨损的部位，要大大的提高其耐磨性，这是使刀具使用寿命提高的另一个重要方面。因为零部件的腐蚀和磨损都是从表面开始的，而后逐步由外向内发展，所以，利用一定的表面处理方法，对刀体和刀刃作表面的处理改性，就可以使刀体的耐腐蚀性和耐
13、磨性提高，使刀刃的冲击韧性加强，这是最有效，最经济的一种方法。第四，在盾构机推进力作用下刀具对开挖面土体产生一定压力。伴随着旋转的刀盘，土砂磨料与刀具之间产生摩擦，造成磨损。道具的材质，当地地质条件和刀具在刀盘上的安装位置都会影响到道具的磨损，在刀具掘削里程的增加过程中这种磨损也相应地增加。刀盘周边放置的刀具，因其切削路线长，线速度大，所以其，易磨损，易折断。刀具的脱落和磨耗是刀具破坏的主要形式。刀具的硬度，材质，其上的推力以及地质条件和切入速度，深度，时间等都是影响刀具磨耗的因素；安装位置制约了刀具的脱落。 在掘进中，盾构机会遇到各种不同地层，会尽力淤泥、砂层、砂卵石层到软岩及硬岩等多种情况
14、。所以在开挖的过程中刀具的受力是十分复杂的，它的工作环境也十分恶劣。所以说刀具的磨损和施工地层的结构密不可分。粉质黏土、淤泥质黏土等这些都刀具的磨损都比较小，但是砂卵石砾石、砂土等都是对刀具磨损较大的地层，甚至使刀具折断。这种情况在已经施工的工程中得到了印证。第二章 盾构刀具的分类和配置AVN2440DS盾构机是我们讨论的重点，它是6个双滚刀、4组刮刀、7个单滚刀和5个中心滚刀所构成。盘形滚刀：在刀盘旋转和盾构机推动力的作用下，刀具会在掘进面的岩体上转动挤压，在岩石的表面挤切处一个槽，并由于剪切力的存在使岩石开裂破碎。刮刀：它的适用范围是那些软土和一些交替夹有软岩的地质，在掘进面通过对土体铲切
15、的方法实现切削的一种方式，软岩层和土层用刮刀切削更为容易。盾构刀具可根据运动方式、布置位置和几何形状等进行分类。按切削原理划分，一般分为切削刀、滚刀及辅助刀具等。切削刀又分为齿刀、切刀（或刮刀）和先行刀等，图 1 为部分刀具的照片。盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保专证。在实际的工作中，不同的刀具组合及其不同类型的刀具，适用于不同的地质情况，这样能大大的提高开挖效率。若是在对硬岩地层开挖，常采用盘形滚刀；若是在对较软岩石开挖，常采用齿刀；若破碎软岩或软土，则常采用刮刀或切刀。图1 部分道具的图片图 2 是成都地铁 1 号线，在其施工中所使用的海瑞克土压平衡盾构刀盘（图片），详细技术参数如
16、下：刀盘开口率 25 26；盘形式为面板式；刀具布置为 8 把周边刮刀+28 把宽刮刀+32 把单刃滚刀+4 把中心双刃滚刀。盘形式为面板式； 这一标段的地下隧道主要通过的地层为砂卵石土层。图2 海瑞克土压平衡盾构刀盘及其刀具布置照片第三章 常用的盾构刀具材料硬质合金材料、刀具刃曰堆焊材料和基体(刀体)材料是盾构刀具材料的几大部分。作为滚刀的工作部位刀圈材料，其大多是热作模具钢（碳含量约为0.5%，还包括Mo、 V、Cr、Si等合金元素）。德国海瑞克公司所生产的盾构周边刀的刀体钢号为St52- 3，与我国国产的低碳钢Q235性能相近，这种材料硬度较低但是韧性好。磨粒磨损所带来的高应力主要由刃口承担，球齿材料是硬质合金，主要用于承受卵石、砂砾磨粒磨
