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1、摘要 在施工中，所謂的盾構法就是使用盾構在地面以下開挖隧道的一種方法。隨著時間的推移，到了上世紀末，伴隨著我國的城市在地下空間的開發(fā)和利用率的提高與城市化進程的加快，盾構法作為一種既可以提高施工質量，又可以保護環(huán)境的施工方式，得到了政府和施工企業(yè)的大力推廣和重視，所以，他們漸漸地開始大量的應用與引進這種先進的施工設備與技術。作為對盾構掘進效率和盾構掘進速度有著重要影響的盾構刀具，對于它的質量和選擇就尤為重要。在國內，目前我們的盾構使用的刀具絕大部分依靠進口，這是因為第一，盾構在國內而言，是一種新型的設備，沒有使刀具的研究人員和制造廠商所重視；第二，國內現(xiàn)有的一些道具不能夠滿足使用的要求。此文

2、就主要對盾構刀具進行詳細的介紹，希望能引起我國一些研究人員和有能力的刀具制造廠商的關注，使盾構刀具的國產化進一步加快。 關鍵詞：盾構；刀具；材料；發(fā)展趨勢 Abstract In 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 i

3、n our city 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

4、number of 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

5、 rely on 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 de

6、tail, the hope can cause some Chinese researchers and the ability of the tool manufacturer's attention, so that the shield cutter localization to further accelerate. Keywords: shield; tool material; development trend 目錄 摘要 1 引言 1 第一章 盾構刀具使用環(huán)境 2 第二章 盾構刀具的分類和配置 4 第三章 常用的盾構刀具材料 6 第四章 盾構刀具材

7、料未來的發(fā)展趨勢 7 4.1 優(yōu)化刀具材料化學成分 7 4.2 改進熱處理工藝充分挖掘材料潛力 9 4.3 刀體材質的選用 9 4.4 焊縫間隙的研究分析 9 4.5 釬焊及熱處理工藝研究 10 4.6 抗沖擊、耐磨、無裂紋的硬質合金刀頭研制 10 4.7 耐磨材料加強保護刀具基體 11 結論 12 參考文獻 13 致謝 14 引言 隨著世界各國，尤其是發(fā)展中國家城市化進程的不斷加快，地下空間開發(fā)利用的前景非常廣闊。 近年來，我國城市軌道交通建設也步入了快速發(fā)展的時期，目前全國約有 30 個城市獲批修建地鐵工程。在非開挖技

8、術飛速發(fā)展的背景下，盾構法以其對周邊環(huán)境影響小、安全環(huán)保、推進速度快、質量優(yōu)等特點在城市地鐵工程建設中發(fā)揮了非常重要的作用，因而國內外對盾構機的需求也日益加大。 盾構由刀盤旋轉靠刀具切割巖土體并由油缸向前推進，這要就可以使隧道掘進實現(xiàn)連續(xù)的機械化。但是，就我國復雜的地質而言，在盾構掘進過程中會碰到例如砂性及粉細砂、軟塑粘土或砂卵石等較為復雜的地層結構，在對土體的旋轉切削時，在隧道的挖掘過程中會有各異的，復雜的各種相互作用，對于土體條件不同的情況，因為刀具的切削原理和切削型式不同，存在著土體與不同的刀具和刀盤相互適應的問題，這些都會對盾構掘進速率，刀具的磨損，刀具的更換等產生較大的影響。 目

9、前，我國雖然已經能夠自主研發(fā)地鐵盾構設備，但還處于起步的合作階段，盾構機及零配件還主要依賴進口。 由于國外盾構機（如德國海瑞克、維爾特，法國FCB，日本三菱重工、日立和小松）的不斷引進，以及國產盾構機企業(yè)（如中鐵裝備公司、中鐵軌道系統(tǒng)集團、無錫盾建重工、天業(yè)通聯(lián)等）的不斷發(fā)展，使得各種型式的盾構刀具需求量不斷增加。 在盾構隧道施工中，盾構刀具的更換費用占了總施工費用的近 1/4。 因此，本文對常用的盾構刀具材料及發(fā)展趨勢展開研究無疑具有重要的意義。 第一章 盾構刀具使用環(huán)境 第一，我國疆土遼闊 ，東西跨經度 60 °以上 ，距離約5 000 km，南北跨緯度近 50 °

10、，距離約 5 500 km，地理形勢復雜多變，地質結構硬度差異很大，難以預料分析，因此在盾構刀具的選擇上存在相當大的難度。當前我國地鐵建設比較集中的城市主要有：上海、北京、廣州、深圳、成都、南京、沈陽、鄭州等。 如上海地質主要以淤泥、黏土和粉質黏土為主，相對來說對盾構刀具的抗沖擊性能和破巖能力的要求要低一些，普通的盾構刀具即能達到要求；南京地質以雨花石居多，成都地質以富水砂卵石為主，普通材質和工藝生產的盾構刀具就難以達到使用要求。 第二，由于采用非開挖技術，施工過程中要求盾構機各部位的功能必須確保萬無一失，這就對盾構刀具的質量提出了更高的要求。 第三，地層盾構施工，只要是出現(xiàn)了正常磨損的條

11、件下，沒有達到預定挖掘距離(如一個施工區(qū)間段)或是出現(xiàn)盾構刀具的早期破壞，它是在施工過程中非常難以對付的問題。要是在無建筑的開闊地帶下開鑿隧道，大多會開挖檢修豎井的方法，來對刀具進行更換或修理。一旦隧道在城市的密集建筑地帶，如果要對刀具進行修復或更換，就必須采用從盾構機內部通道進入開挖面的辦法。該刀具的維修和更換在施工過程中進行是存在這較大的安全風險，如果處理不好，可能危及到整個項目。這就是北京的砂礫地質條件下地鐵施工盾構說面臨的一個重大問題。所以，對于今后開發(fā)可靠性強、使用壽命長、質量優(yōu)的盾構刀具技術是至關重要的。 沖擊、磨損和一定程度腐蝕的惡劣環(huán)境，是盾構刀具長期工作的環(huán)境，尤其是在含有

12、比較多的砂石地段進行作業(yè)，對于刀具的磨損就更加的嚴重，致使使用壽命大打折扣，對于盾構施工的施工成本和施工效率最直接的影響就是刀具使用壽命的長短，所以，怎樣的把新的技術用到提高盾構刀具的抗沖擊、抗磨損、耐腐蝕的性能上，從而使成本降低，就成為了我國盾構施工中現(xiàn)有的最為急迫要解決的問題之一。 作為盾構刀具的刀刃，都是由燒結硬質合金組成，它耐磨性好，硬度高，可是沖擊韌性較低，所以既要保證刀刃的硬度，又要在此基礎之上提高刀刃的韌性，這就成為了使刀具使用壽命提高的一個重要方面。而刀體材料一般采用中低碳鋼，其韌性好，強度高，但耐磨性較差，硬度較低，可是因為刀刃是釬焊在刀體上的，過度磨損刀體，會使刀刃脫落，

13、所以，對于刀體容易受到磨損的部位，要大大的提高其耐磨性，這是使刀具使用壽命提高的另一個重要方面。因為零部件的腐蝕和磨損都是從表面開始的，而后逐步由外向內發(fā)展，所以，利用一定的表面處理方法，對刀體和刀刃作表面的處理改性，就可以使刀體的耐腐蝕性和耐磨性提高，使刀刃的沖擊韌性加強，這是最有效，最經濟的一種方法。 第四，在盾構機推進力作用下刀具對開挖面土體產生一定壓力。伴隨著旋轉的刀盤，土砂磨料與刀具之間產生摩擦，造成磨損。道具的材質，當?shù)氐刭|條件和刀具在刀盤上的安裝位置都會影響到道具的磨損，在刀具掘削里程的增加過程中這種磨損也相應地增加。刀盤周邊放置的刀具，因其切削路線長，線速度大，所以其，易磨損

14、，易折斷。刀具的脫落和磨耗是刀具破壞的主要形式。刀具的硬度，材質，其上的推力以及地質條件和切入速度，深度，時間等都是影響刀具磨耗的因素；安裝位置制約了刀具的脫落。 在掘進中，盾構機會遇到各種不同地層，會盡力淤泥、砂層、砂卵石層到軟巖及硬巖等多種情況。所以在開挖的過程中刀具的受力是十分復雜的，它的工作環(huán)境也十分惡劣。所以說刀具的磨損和施工地層的結構密不可分。粉質黏土、淤泥質黏土等這些都刀具的磨損都比較小，但是砂卵石礫石、砂土等都是對刀具磨損較大的地層，甚至使刀具折斷。這種情況在已經施工的工程中得到了印證。 第二章 盾構刀具的分類和配置 AVN2440DS盾構機是我們討

15、論的重點，它是6個雙滾刀、4組刮刀、7個單滾刀和5個中心滾刀所構成。盤形滾刀：在刀盤旋轉和盾構機推動力的作用下，刀具會在掘進面的巖體上轉動擠壓，在巖石的表面擠切處一個槽，并由于剪切力的存在使巖石開裂破碎。刮刀：它的適用范圍是那些軟土和一些交替夾有軟巖的地質，在掘進面通過對土體鏟切的方法實現(xiàn)切削的一種方式，軟巖層和土層用刮刀切削更為容易。 盾構刀具可根據(jù)運動方式、布置位置和幾何形狀等進行分類。按切削原理劃分，一般分為切削刀、滾刀及輔助刀具等。切削刀又分為齒刀、切刀（或刮刀）和先行刀等，圖 1 為部分刀具的照片。盾構開挖性能主要通過刀具的選擇和布置來保專證。在實際的工作中，不同的刀具組合及其不同

16、類型的刀具，適用于不同的地質情況，這樣能大大的提高開挖效率。若是在對硬巖地層開挖，常采用盤形滾刀；若是在對較軟巖石開挖，常采用齒刀；若破碎軟巖或軟土，則常采用刮刀或切刀。 圖1 部分道具的圖片 圖 2 是成都地鐵 1 號線，在其施工中所使用的海瑞克土壓平衡盾構刀盤（圖片），詳細技術參數(shù)如下：刀盤開口率 25％ ～26％；盤形式為面板式；刀具布置為 8 把周邊刮刀+28 把寬刮刀+32 把單刃滾刀+4 把中心雙刃滾刀。盤形式為面板式； 這一標段的地下隧道主要通過的地層為砂卵石土層。 圖2 海瑞克土壓平衡盾構刀盤及其刀具布置照片 第三章 常用的盾構刀具材料

17、 硬質合金材料、刀具刃曰堆焊材料和基體(刀體)材料是盾構刀具材料的幾大部分。作為滾刀的工作部位——刀圈材料，其大多是熱作模具鋼（碳含量約為0.5%，還包括Mo、 V、Cr、Si等合金元素）。德國海瑞克公司所生產的盾構周邊刀的刀體鋼號為St52- 3，與我國國產的低碳鋼Q235性能相近，這種材料硬度較低但是韌性好。磨粒磨損所帶來的高應力主要由刃口承擔，球齒材料是硬質合金，主要用于承受卵石、砂礫磨粒磨損與沖擊。齒刀由刀體、端部硬質合金刀片和背部球齒構成。表1為用于盾構刀具硬質合金的力學性能和化學成分; 表2為一種用于盾構刀具刃曰的鐵基堆焊材料的力學性能和化學成分。 表1 用于盾構刀具的硬質合金的

18、化學成分和力學性能 力學性能 化學成分 （/%） HRA硬度 抗彎強度/MPa W Co C ＞88 ＞1 600 83～87 7～17 5～6 表2 鐵基刀具刃口堆焊材料的化學成分和力學性能（%） C Cr Ni Si Mn Mo Fe 0.1～0.3 5～10 1～3 ＜1 0.5～2 ＜0.5 少量 硬質合金作為盾構切削刀具的材料，它的制作通常采用粉末冶金法。然后再用鑲鑄、焊接法或釬焊法把與基體(刀體) 與硬質合金刀片結合起來。一般會使用鍛造的方法制作滾刀的刀圈，這樣能夠提高韌性。美國ROBBINS、德國海瑞克和

19、WIRTH都是世界上一些盾構刀具制造技術較為成熟的企業(yè)，可是他們都對生產盾構刀具的做法采取嚴格的保密措施，在國內對于盾構刀具的試制及研究還有待提高。 第四章 盾構刀具材料未來的發(fā)展趨勢 4.1 優(yōu)化刀具材料化學成分 影響盾構刀具耐磨性能最主要的內在因素為刀具材料的化學成分，綜合考慮刀具的強度、韌性、工件幾何形狀、耐腐蝕性、地質條件等因素，通過刀具材料含碳量的控制，在鋼中加入鉻、鉬、釩、硅等第二相形成元素，有意增加沉淀析出相的數(shù)量，形成細而分散的共格、半共格硬質點，從而在一定程度上提高耐磨性。這種材料是含有碳化物相的多相材料，通過調整各元素的含量，控制各碳化

20、物的含量、形態(tài)和分布情況，從而有效提高金屬材料的耐磨性能。各相關合金碳化物的硬度和晶體結構見表 3所示。 表3 各相關合金碳化物的硬度和晶體結構表 碳化物類型 硬度 HV 晶體結構 Fe3C 1 150 ～ 1 250 斜方 Cr3C2 ≈1 300 斜方 Mo2C 1 800 ～ 2 200 六方 W2C 2 800 ～ 3 000 六方 MoC ≈2 250 六方 WC 2 400 ～ 2 700 六方 VC 2 500 ～ 2 900 立方 TiC 3 200 立方 M3C 1 150

21、 ～ 1 770 斜方 M7C3 1 800 ～ 2 800 六方 M23C6 1 600 ～ 1 800 立方 M2C 1 800 ～ 3 000 六方 M6C 1 600 ～ 2 300 立方 M3C 型主要是富鐵的滲碳體型碳化物，我們選用的材料中含有鉻、鉬等，通常會形成含有少量這些元素的合金滲碳體。M7C3 型碳化物主要是 Cr7C3 型，M7C3 型碳化物的熱穩(wěn)定性較好，在奧氏體化溫度較高時才開始溶解。M23C6 型是富鉻的 Cr23C6 型立方系碳化物，能夠溶解大量的鐵。M2C 型相當于Mo2C或 W2C，這種類型的碳化物只是在淬火后接近二次硬化峰回火

22、時產生，進一步提高回火溫度則轉變?yōu)?M6C型或 M23C6 型碳化物。 同時，加強鋼鐵冶煉時的精煉，提高鋼材的純凈度和均質性，減少夾雜物的含量，努力降低鋼中硫化物、氧化物、硅酸鹽等夾雜物對耐磨性的負面影響。 4.2 改進熱處理工藝充分挖掘材料潛力 改變了傳統(tǒng)的淬回火工藝，將以前的馬氏體 + 殘余奧氏體型組織調整為下貝氏體組織，有效提高了盾構刀具的耐磨性能。 在硬度相同的情況下，等溫轉變的下貝氏體比回火馬氏體的耐磨性好得多，因為貝氏體組織比相同成分的馬氏體含有更多的殘留奧氏體，這種鋼中的殘留奧氏體有助于改善耐磨性，而且貝氏體組織中的內應力一般都低于馬氏體組織的內應力。同時

23、，貝氏體中的鐵素體固熔碳含量較高，板條也比較細小，組織中碳化物分布均勻，這也有利于貝氏體組織耐磨性的改善。 4.3 刀體材質的選用 初期國產盾構刀具刀體的材質多采用 Q235 和 35號鋼。 這兩種材料具有柔韌性高，刀體不易斷裂的特點，但該材料硬度偏低。 35 號鋼經熱處理增加硬度后柔韌性降低，脆性增加。 為此，我們進行了以 42CrMo、37CrNi3、40CrNiMo 等合金結構鋼作為盾構刀具刀體材料的研究和試驗。 由于此類鋼材成分中添加了鉻、鎳、鉬等元素后，提高了淬透性和耐磨性，經熱處理后具有較高的疲勞極限和抗沖擊的能力，故綜合機械性能得到較大幅度提高。 4.4 焊縫間隙的研究分析

24、 影響刀具釬焊焊縫強度和焊縫致密性的重要因素是焊縫間隙的大小，間隙過大，使焊縫的毛細管作用受到破壞，焊料不能夠充滿焊縫間隙；間隙過小，又阻礙了焊料流入；盾構刀具的釬焊方法是硬質合金與鋼的異種材料焊接，因為硬質合金的線膨脹系數(shù)為鋼的30%到50%，所以釬焊焊縫間隙就要比鋼的焊接時稍小。在對幾組不同間隙焊縫的比試驗的數(shù)據(jù)分析，得到了盾構刀具焊縫間隙通常要在0.2～0.3 mm最為合適。 4.5 釬焊及熱處理工藝研究 1）釬焊是一種合金與刀體兩種材質分子間的相互滲透的作用，釬焊質量的好壞直接影響合金刀頭的抗剪切強度。 首先，盾構刀具合金刀頭的焊接宜采用銀釬氣體無氧保護焊接工藝，其焊

25、接溫度約 650 ℃，同時焊后采取加壓保溫緩慢冷卻的方法，這樣焊接殘余應力較小，減小產生焊接裂紋的趨勢；其次，刀體合金槽和合金外表面焊前清潔處理同樣關鍵，一般采用酸洗、精磨、麟花、化學液體浸蘸、干燥等工藝處理，保證焊接強度；再次，釬焊材料的選用也要適當，主要以 75 %銀基焊料為主。 2）熱處理的目的主要是提高刀體的耐磨性和綜合機械性能。 為保證這兩項性能指標，一般應對刀體采用淬火、回火處理工藝，硬度一般控制在 35～40 HRC 范圍內為宜。 同時，為了提高合金刀頭周圍刀體的耐磨性，采用氣體保護堆焊耐磨層的辦法。 4.6 抗沖擊、耐磨、無裂紋的硬質合金刀頭研制 在硬質合金研究方面，筆

26、者單位與春保森拉天時、濟南冶金研究所合作對硬質合金進行了研究。 通過對國內外硬質合金刀頭的解剖分析，發(fā)現(xiàn)國外硬質合金與國內合金的 3 項性能指標（磁力、密度、硬度）基本接近。在合金的顯微結構上，也很難看出兩者有很大的差距。 國外合金刀頭的耐沖擊性和耐磨性比較明顯的優(yōu)于國產合金刀頭，主要是由于國產合金刀頭原料純度低，粉末成型工藝落后造成的。 通過對盾構刀具典型失效形式的研究和分析，我們提出了可以切實有效地提高盾構刀具性能的新技術刀具，使得刀具具有耐磨損、抗沖擊的特性，并且在實際施工中取得了優(yōu)異的成績。 新型硬質合金刀頭選用了優(yōu)質原料，改進了成型工藝和合金制取工藝（高純鎢粉、高溫還原、高溫碳化、

27、冷等靜壓、低壓燒結、超粗顆粒）等數(shù)條技術措施，提高了盾構刀具硬質合金刀頭的壽命。新型合金刀頭具有高韌性、高耐磨性和高沖擊性，完全可以與日本標準 E5 硬質合金刀頭相媲美。 圖3、4 為北京地鐵施工中采用新技術的刀具與未采用新技術的刀具的使用情況對比，新刀的耐磨性和抗沖擊性相比原有刀具都有明顯的提升。 圖3 北京地鐵施工刀具 圖4 北京城建玉淵潭公園施工刀具 4.7 耐磨材料加強保護刀具基體 有一部分盾構刀具的基體材料因為受到一些限制，本身無法達到很好的耐磨性能，結合盾構刀具施工的特點，選用不同材料對基體進行保護，使基體與整個

28、 刀具壽命一致。 結論 不同生產工藝和材質的刀具用于不同地質情況，如果在不同地質中采用同一種刀具，這會嚴重的影響到刀具的使用壽命。例如，在較軟的地層中施工掘進，就要求刀具的硬度、抗磨性要比巖石的抗壓強度高10 MPa~15 MPa以上；而在硬巖的掘進中，刀具就要有優(yōu)良的抗沖擊性和耐磨性。 熱處理工藝和鍛造作為刀具加工生產工藝，對刀具使用壽命有重要的影響，工藝的不完整性會直接威脅到金屬材質的內部缺陷，如果刀具受到振動、沖擊、壓力的作用，內部的缺陷將造成微小裂紋，這一危害還會不斷地擴展和延伸，最終形成斷裂。對生產工藝的嚴格控制，是提高刀具壽命的最好方法。刀具的密封也是

29、對刀具使用壽命影響主要原因之一，因為早期對密封的破壞，使得刀圈偏磨、刀具軸承損壞、殼體損壞或是整個刀具總成的報廢，對刀具正確的密封，是一種保證滾刀壽命的重要方法。 總而言之，盾構機的施工作業(yè)，在國內還是初級的起步階段，伴隨著經濟的不斷發(fā)展，更多的穿越工程會選擇盾構機形式，無論是怎樣的盾構機施工，刀具的技術研究必定會成為盾構機應用關鍵技術。 通過對盾構刀具的研究并實施技改措施而研制出的盾構刀具，應用于南京小松、廣州海瑞克、北京華隧通、日立、三菱、石川島、維爾特等盾構機上取得了良好的效果，工程施工單位給予了極高的評價。研究結果表明：我國在盾構刀具的研究與制造技術水平方而又上了一個新的臺階，國產

30、盾構刀具的綜合質量性能完全達到了替代進口盾構刀具的水平，并在性價比上大幅度優(yōu)于進口盾構刀具.國產盾構刀具已開始出口國外市場。 參考文獻 [1]劉春光，劉晶，高偉賢.土壓平衡盾構機刀具的布置[J].鑿巖機械氣動工具.2011(01) [2]曾曉星，余海東，張凱之，王皓.盾構機復合巖土層掘進刀盤彎矩特性分析[J].上海交通大學學報.2010(01) [3]劉春光，劉晶，高偉賢.土壓平衡盾構機刀具布置原則解析[J].礦山機械.2010(03) [4]王永喜.復合地層中盾構機刀具磨損原因分析及更換案例[J].科技信息.2010(05) [5]夏曉中.盾構刀具異常磨損及改進研究[J].現(xiàn)代交通技術.2010(02) [6]陳閩杰，劉小波，賀石中.大型盾構機主軸承潤滑故障診斷與對策[J].潤滑與密封.2010(05) [7]何小娥.盾構機的刀盤和刀具[J].建設機械技術與管理.2010(05) [8]王梓晗.面板式盾構機刀盤修復技術在砂卵石地層施工中的應用[J].中小企業(yè)管理與科技(下旬刊).2010(05) [9]曹振生，莫忠華，彭仕云.淺談地鐵盾構機試掘進施工[J].科技創(chuàng)新導報.2010(13)