7.2 刀具布置和刀具形状

　　刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常重要的内容。刀具布置方式及刀具形状是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。

　　7.2.1 刀具布置

　　对于全断面切削的辐条式刀盘，从盾构机的发展历史看，刀具布置有两种方式：第一种为刀具整体连续排列方式，因其切削阻力较大，盾构机密封舱内土体流动性差，现已很少使用，仅偶尔在切削阻力小的淤泥质地层中采用;第二种为刀具牙型交错连续排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌而被广泛使用。目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。我集团公司采购的盾构机，其刀具布置就是采用该方式。两种刀具布置方式见图13。

　　根据北京市地铁隧道施工中可能碰到的三种主要地质条件，刀具布置时应按照牙型交错连续排列的原理，确保盾构机刀具的切削轨迹布满开挖全断面;另针对不同切削要求(包括不同地质的要求)，需设置切削刀、超前刀、盘圈贝型刀、鱼尾刀、仿型刀等几种刀具。按照各种刀具的特点及作用，经过分析比较，各种刀具可采用图14的布置方式。

　　7.2.2 刀具形状及其作用

　　如前所述，刀具的形状必须适应施工地质的特点，并且刀具在切削断面不同的位置其作用及要求均不同，因此应对刀具进行设计。针对北京地铁隧道穿越三种主要地层的特点，刀具设计时应考虑以下几个要素。

　　①刀具在砂、砂卵石地层中的切削效率，即如何减少切削阻力，保证切削土体的流动性。

　　②通过刀具形状的改变，减少刀具掘进磨损，提高刀具的耐久性。

　　③适应城市繁华地区施工的需要，尽可能减少刀盘旋转刀具切削土体过程对周边土体及环境的干扰，如振动、噪音等。

　　④如何从材料和设计方面，对解决盾构机在砂卵石地层掘进时刀具的磨损(包括撞击掉块等)提出切实可行的措施，保证盾构机刀具长距离掘进的可靠性。

　　(1) 刀具的类型及切削原理

　　目前盾构机刀具按切削原理划分，一般公认有滚刀和切削刀两种类型(根据隧道围岩性质不同、切削目的不同，这两类刀具还可进一步细分)。滚刀的切削原理主要是刀具依靠挤压破岩，一般用于岩石隧道的掘进。当虽然穿越松散地层但有大粒径的砾石(粒径大于400mm)、并且含量达到一定比例时，也可采用滚刀型刀具。另在隧道地质条件复杂多变、岩石(强度不算太高)与一般土体(或粘土或砂土)交错频繁出现的情况，也有可能采用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。北京地区一般不需要采用滚刀型刀具，至少在西四环向东的北京市大部分地区不需要。

　　切削刀的切削原理则主要是盾构机向前推进的同时，刀具随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力，不断将开挖面前方土体切削下来。切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散体地层。

　　(2)主要刀具形状及作用

　　①切削刀

　　切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀一般形状如图15所示。一般情况下，β(前角)与α(后角)值随切削地层特性不同变化，取值范围在5°～20°之间，粘土地 层稍大，砂卵石地层稍小。针对北京市地层特点，β(前角)和α(后角)值建议采用15°。切削刀切削土体的示意见图16。

　　②超前刀(也

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