目前我国城市轨道交通行业发展如火如荼，特别是近几年一直保持快速发展的势头，而作为一种在地铁、铁路、公路、市政、水电等各隧道工程中广泛使用的机器，盾构机有着举足轻重的作用。而盾构机刀具作为其掘削系统的重要组成部分对盾构机的施工效果有着决定性作用。今天我们就来了解一下盾构机的刀具知识。

1 盾构机上常用刀具的种类和切削原理

对于盾构机来说，盾构机的刀具布置和形状是盾构机设计中的重要组成部分，刀具质量以及刀具形状是否适合工程的的地质条件，直接影响到盾构机的工作效果以及掘进速度和工程质量，所以，刀具的选型和质量是盾构工程不可缺少的一个部分。

滚刀分为齿形滚刀和盘形滚刀。齿形滚刀常用于软岩，有球齿和楔齿两种；盾构上应用较广的是盘形滚刀。滚刀总成主要由刀圈、刀体(毂)、刀轴、轴承、金属浮动密封环、端盖及联接螺栓等件组成。滚刀的内部结构是保证滚刀工作时正常的关键，是由轴承、密封、润滑油脂组成。

切刀安装在刀盘开口槽的两侧，用来切削未固结的土壤，把切削土刮入土仓中，刀具的形状和位置按便于切削地层和便于将土刮入土仓来设计，在同一轨迹上一般有多把切刀同时开挖。目前最有效的切刀为双层耐磨设计，配有双层碳钨合金刀齿以提高刀具的耐磨性，在第一排刀齿磨损后，第二排刀齿可以代替第一排刀齿继续发挥作用，同时在刀具的背部设有双排碳钨合金柱齿，切刀在刀盘上的安装采用背装式，可以从开挖仓内拆卸和更换。

滚刀和切削刀的原理

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。

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 刀盘材料的选择

盾构刀具在材料方面一般由两至三种构成，即基体材料、硬质合金材料、刀具刃口堆焊材料等复合制成。下面以海瑞克刀具为例，其周边刀的刀体是德国产钢号为St52-3的钢材，其性能相当于国产低碳钢Q235，该材料韧性较好但硬度较低；周边刀刃口主要承受高应力的磨粒磨损，其迎土面钎焊有球齿，球齿材料为硬质合金，主要用于承受砂砾、卵石的磨粒磨损与撞击，刮刀用硬质合金钢做为到头，高耐磨合金高作为刀体。

3 刀具的失效形式

刀具的失效形式主要有以下几种：

刀具磨损：占刀具更换量的80%。

刀圈偏磨：滚刀在掘进过程中不转动，中心区滚刀容易出现此现象。

刀圈断裂：推力过大或刀圈在比较硬的岩石上滚动时有可能发生，边缘滚刀和正面区滚刀经常有此现象。

表面缺陷：金属或其他坚硬物损坏刀圈的局部表面。

刀圈挡圈磨损或脱落：一旦刀圈挡圈脱落或焊接处磨损严重，就应该更换刀具。

滚刀漏油：由于密封件的损坏，可能使密封油泄露，从而导致油封座和轮毂的损坏。

轮毂磨损：刀盘和渣土不间断的摩擦，使得滚刀轮毂发生磨损。

油封座损坏：漏油导致。

4 刀具磨损原因分析

刀具的磨损可分为以下几类：

粘着磨损：其外观表现为麻点；主要原因是材料的相互作用，粘着磨损的过程实际上是摩擦副双方间原子键的形成和分离过程。

磨料磨损：表现为擦伤、沟纹、条痕等；主要原因是硬颗粒或硬突起引起摩擦表面损坏。

疲劳磨损：表现为裂纹、点蚀；材料表面受循环接触应力，产生重复变形，导致裂纹和颗粒分离。

摩擦化学磨损：表面出现反应产物，膜、微粒等；在摩擦作用的作用下，发生化学反应或电化学反应。

微动磨损：表现为磨屑的研磨；由以上四种机理叠加而成。