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[分享]国内外盾构机刀盘和刀具研究现状概况
1 引言
盾构机集机械、电气、液压、测量导向、控制等多学科技术于一体，专门用于隧道工程的大型、高科技综合施工设备，具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度等优点，从松散软土、淤泥到硬岩都可应用。
盾构机的主要组成部分包括盾壳、刀盘及刀具、刀盘驱动、推进系统、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备等。盾构机在隧道施工中，通过刀盘、刀具对前方土体进行切削，刀具与土体的适应程度至关重要。不同的土体需要用不同的刀盘和刀具配置对其进行挖掘，才能使盾构机完成快速的掘进施工，刀盘刀具于前方土体不适应，将使盾构机掘进非常缓慢甚至寸步难行，直接影响到盾构机的工作效率、工程进展及工程的经济效益。
因此，刀盘及刀具配置方式是盾构机最关键、最核心的技术。刀盘结构、刀具类型的选择、刀具的布置和磨损问题常成为盾构机选型和设计的重点内容。
因此，本文重点介绍了盾构机刀盘和刀具的国内外研究发展现状。
2 盾构机刀盘结构
盾构机刀盘结构形式与工程地质情况有着密切的关系，不同的地层应采用不同的刀盘结构形式，盾构机刀盘设计是盾构机的关键技术。
2.1 常见的刀盘形式
刀盘的结构主要有面板式和辐条式两大类型，另外，现在还发展出介于二者之 间的辐板式刀盘( 由辐条和幅板组成)。面板式刀盘一般为焊接箱形结构，其上设置刀座、刀具、开口、添加剂注入口及与主轴承连接部件切刀布置在面板上开口的两侧，滚刀通过刀座布置在刀盘上，刀盘开口率较小，在 30% 左右。面板式刀盘的优点是通过刀盘的开口限制进入土仓的卵石粒径，其缺点是由于受刀盘面板的影响，开挖面土压≠测量土压，因而土压管理困难; 刀具负荷大，寿命短; 由于地层对卵石的约束力弱，不论滚刀还是撕裂，都不能对卵石进行有效的破碎。辐条式刀盘主要由轮缘、辐条及布设在辐条上的刀具组成。刀具布置在辐条的两侧，一般较难布置滚刀，刀盘开口率很大，约在60%-95%之间，属开敞式。辐条式刀盘的优点是开挖面土压 = 测量土压，因而能对土压进行有效的管理; 同时刀具负荷小，寿命长; 卵石的处理与地层的约束力无关，缺点是不能限制大粒径的卵石进入土仓。辐板式刀盘兼有面板式和辐条式刀盘的特点，由较宽的辐条和小块幅板组成，切刀和滚刀分别布置在宽辐条的两侧和内部，开口率约在35%-50% 之间。
2.2 国内外盾构机刀盘的研究现状
目前，国内对于盾构机刀盘的研究有一定的成果。黄丙庆在其学位论文中对盾构机刀盘设计参数的适应性进行了研究，认为在盾构机刀盘的设计中，地质特性的试验及参数确定尤为关键。在宋云的学位论文中，对盾构机刀盘选型及设计理论进行了研究，得出了一些对盾构机刀盘选型、设计和施工有意义的结论和规律，并且利用有限元软件对刀盘以及刀具进行了数值模拟，形成了比较完整研究刀盘的理论和方法。张国京对北京地区地质和刀盘适应性进行过研究，认为北京大部分地区盾构机可以选用辐条式刀盘，而有些地层则可以采用面板式刀盘，而且对刀盘上各种切刀的选择做了详细的分析。闵锐通过广州地铁的一个具体地铁区间，对于复合式盾构机刀盘的总体设计提出了一些理论依据，包括刀盘的盘体结构、刀盘受力分析、刀具布置等情况。刘守法采用有限元分析的方法对盾构机刀盘的设计进行了研究，设计出的刀盘可以同时安装多种刀具，对复合型地层中进行隧道开挖，结构可靠，应力状况满足工作需求，总体性能达到了进口件的水准。国外方面，Handewith和Farmer研究了掘进过程中法向力 FN 和切向力 FR的操作关系。在进行刀盘设计时，法向力和切向力分别有其最大界限值，在不超过最大值的前提下，调整法向力 FN 和切向力 FR 的比例关系，可以将机械能量最大限度地传递，从而使刀盘达到最优的切削状态。
刀盘系统设计方面，国内外主要采用相似模型实验、数值仿真和现场测试等手段，研究特定刀具的破岩能力、岩土性质及温度等因素对刀具的影响、随机载荷作用下刀具的疲劳寿命及对掘进效率的影响、刀盘系统整体强度、刚度及稳定性等问题。目前对刀盘开口率和界面稳定性及掘进效率关系等问题的研究尚不够深入，缺乏对刀盘系统与地质的相互作用规律的足够认识，尚未形成完整的刀盘系统设计理论与指标评价体系。其中，最突出的问题就是缺乏盾构机刀盘设计的理论和方法，刀盘开口率设计与地层特性不相适应。因此，如何建立一套合理的盾构机刀盘开口率与地层特性相适应的刀盘设计的理论和方法，即“刀盘参数的适应性理论”，从而更好地指导刀盘设计和施工，降低工程造价，已成为当前地下空间开发必须认真研究的课题。
3 盾构机刀具
近年来，国内外学者在切刀、滚刀的切削机理、刀具设计、刀具布局以及优化设计等多个角度，针对掘进机械中刀具切削所涉及的相关问题进行了大量的研究，并取得大量研究成果。
3. 1 刀具切削机理研究现状
由于各自安装位置及形状的不同，盾构刀盘上安置的各种形式的刀具基本上可以划分为两类: 切削刀和滚刀。
切削刀是利用刀刃和刀具前面对土砂施压，土砂受到的剪切力达到极限破坏应力时产生剪切变形，并以土屑形式沿刀具前面流出，实现土体开挖。
主要适用于软粘土、砂土及砂卵石地层的开挖。
宋克志对切刀周向运动、轴向运动及切深等运动特性进行了分析，并对切削刀进行了详细的受力分析，给出了切削力的计算模型。近年来也有很多学者利用有限元方法研究耕作部件与土体之间的相互作用，进行了二维或三维的仿真研究，在优化刀具宽度、角度等几何参数方面，在改进刀具形式方面取得了进展。
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。目前，滚刀切削机理研究主要集中在能量和受力分析两个方面。Teale于1965 年提出了比能( Specific Energe) 的概念，即切削单位岩石体积所需的能量。研究发现扭矩对比能的贡献较大，而推力则贡献很小，但推力是刀具产生切削作用的一个重要诱导因素。张照煌在 1995年提出了盘形滚刀的破岩是以剪切为主，其次为挤压和张拉，并得到了压痕实验的充分验证。大连理工大学刘志杰等研究发现盘形滚刀破岩机理直接影响到受力分析，目前有剪破坏、挤压破坏和拉破坏，以及几种机理混合作用等几种不同的理论。另外，张魁则在学位论文中系统地研究了盾构机盘形滚刀作用下岩石破碎特性和滚刀的振动特性，他总结出了岩石在盘形滚刀作用下的 12 种典型破碎模式，并发现在滚刀切割岩石的过程中，滚刀对刀架的垂直反力稍滞后于岩石对滚刀的激振力，且两力大小相差不超过 2% 。裴瑞英对盾构机刀具磨损与布局问题进行了较深入的研究，得出了刀具类型、刀具布局和地质之间的匹配性与刀具磨损之间的关系。
国内外有很多学者对盘形滚刀的受力状况进行了研究，用不同方法得到了盘形滚刀的预测力公式。Paul 和 Sikarskie得出了楔形刃侵入岩石的载荷与切深的关系; Roxborough 和 Phillips针对 V 形截面滚刀切削受力进行研究; Levent 等对 V 形截面盘形滚刀破岩机理进行了研究，先后得出了盘形滚刀受力预测公式; Rostami采用常截面滚刀建立了半经验公式。国内的茅承觉和刘春林经过实验室研究也得出了预测公式。张照煌和叶定海提出了滚动破岩刀具存在不平衡侧向力，并给出了预测力公式。屠昌锋在其学位论文中研究了机盘形滚刀垂直力和侧向力的预测，采用预测模型所得的预测结果与实验结果较好的吻合，证明该预测模型的正确性。
3. 2 刀具设计理论研究现状
盾构机刀具设计理论涉及到刀具类型选择、刀具整体的布局、刀具本身的结构设计以及刀具几何参数确定。
张照煌在分析刀盘受力对刀盘影响的基础上，建立了刀盘受力平衡且不受径向载荷影响的刀盘螺旋线布置规律和方程式。这为刀盘大轴承寿命的提高、降低掘进机工作时振动及噪声，提供了可靠的理论依据。文献还指出要使相邻布置的盘刀在刀盘每转一周的切深相等，且破岩量相同( 以保证刀具磨损量相同) ，则应使刀盘转动多周而不存在未被连同的岩脊。Ozdemir 等认为滚刀刀间距与切削力、比能存在一定的关系。
Moon使用 DEM 优化 S /P 以确定最优的岩石切削条件( 使比能最低) ，提出的最优 S /P 值是岩石材料脆度和刀具宽度的线性函数。Gertsch使用 432mm 等截面盘刀进行了红花岗岩的线性切割机试验，通过分析表明 6mm 刀间距接近最优，这时贯入量对比能几乎没有影响，这一刀间距值常用在盾构机刀盘设计中。大连理工大学的霍军周给出了全断面岩石掘进机的刀具布置设计方法，归纳出刀具布置的技术要求，并给出刀盘上不等刀间距的盘刀破岩量的估算方法。张厚美 以盘刀等磨损为布刀原则，编制了预测程序，可用于优化盾构机刀具布置，验算刀盘不平衡力，以及预测盾构机施工性能参数。此外，大连理工大学的研究人员在航天器舱布局优化与仿真研究基础上，研究了盾构机刀具布置优化设计方法。
切刀在刀盘上的布置一般有同心圆和阿基米德螺线布置，目前采用较多的是阿基米德螺线布置法，且考虑施工的安全性，有两条或多条螺线布置，按照螺旋线来优化刀头布置。但这只是按照几何学原则布置刀具，没有考虑到施工地质状况，切削距离、隧道直径及刀头磨耗量等因素。文献分析了盾构机刀具磨损的原因和寿命计算方法，预测了盾构在隧道开挖区间刀具是否需要更换以及需要更换的次数。
文献研究发现，在机械掘削土的过程中，刀具的几何参数对掘削过程影响很大，刀具前角及刀具刃角对切削阻力有很大影响，同时刀具的前角在控制被切削下来的土体的流动方向具有重大作用。目 前，现在工程上选用切刀宽度大都在100mm，但是其合理性还有待验证。
3. 3 我国盾构机刀具的发展方向
长期以来，盾构机刀具因材质特殊、制造工艺复杂，目前世界上只有少数几家知名企业能够制造。盾构机刀具属于易损件，需经常更换，国外进口刀具价格昂贵，且制作周期较长。国内盾构机刀具发展较晚，无论是刀具材料还是刀具设计都与国外有一定的差距，因此这也制约了我国盾构机产业的发展。
在盾构机刀具的设计与制造过程中，应使刀圈的耐磨性与冲击韧性更好地结合，使盾构机适应长距离以及复合地层的掘进要求; 研究刀具的磨损、寿命检测方法及探查工作面坍塌和装置，防止刀具过度磨耗、损坏而磨损刀盘; 寻求耐磨、耐热、耐腐蚀、高硬度材料制作刀头。另外，重点还要研究盾构机刀体与土体相互作用的机理，开发适用于不同土质和地下水状况、掘削速度的刀具与刀盘，研究刀具数量、刀具形式、在刀盘上的布设及其优化组合方式。特别是随着高新科技的发展，我国盾构机刀具的研发设计应向信息化、智能化发展。
4 结语
随着制造与施工技术的发展，今后要求盾构机能够适应各种复杂地层的施工，所以必须完善当前已问世盾构机的技术细节，不断推出新概念、新材料、新结构的盾构机。为此，施工企业、重工企业和高等院校、科研院所应携起手来，发挥自身的优势，共同研究和开发盾构机，以加速我国盾构机的发展步伐。
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