盾构机刀具是盾构机征服地下世界的“利齿"，其设计、选型、布置、管理和维护是盾构工程成功的关键技术环节。工程师必须根据地层条件精心选择和配置刀具，并在掘进过程中密切监控其状态，及时进行更换，才能确保盾构机高效、安全、经济地完成隧道掘进任务。持续研发更耐磨、耐冲击、智能化的刀具是盾构技术发展的重要方向。

盾构机刀具是盾构机掘进系统的核心部件，直接负责切削、破碎前方土体或岩体，是盾构机能否高效、安全掘进的关键。它们相当于盾构机的“牙齿”

一、 主要类型（根据地层适应性）

1.  滚刀（盘形滚刀）：

    *  适用地层：硬岩、中硬岩、软岩、甚至部分高强度砾石层。 是破岩的主力刀具。

    *  工作原理：刀圈（通常由高强度合金钢制成）在刀体上自由滚动，通过巨大的盾构推进力将刀圈压入岩体，利用挤压、剪切和拉伸作用使岩石产生裂纹并破碎（主要是挤压破碎）。

    *   特点

    *   破岩效率高，尤其在高贯入度下。

        *   磨损相对均匀，寿命较长（与刮刀比）。

        *   需要较高的推力和扭矩。

        *   在软土中效果不佳，容易“裹泥”导致无法转动而失效。

    *  子分类：

       *   单刃滚刀： 最常见，一个刀圈。

       *   滚刀： 两个刀圈并列，承载能力更强，用于极硬岩或高磨损地层。

       *   中心滚刀：安装在刀盘中心区域，通常尺寸较小或设计特殊以适应中心低线速度。

       *   正滚刀： 安装在刀盘辐条正面，主要承担破岩任务。

       *   边滚刀： 安装在刀盘外缘，负责开挖轮廓线，有时设计有角度（如锥形边滚刀）以形成超挖间隙。

       *   保径滚刀：安装在刀盘外缘或刀盘护盾上，主要作用是保护刀盘结构不被磨损，维持开挖直径。

2.  刮刀（切刀、齿刀）：

*   适用地层：粘土、粉土、砂土、淤泥等软土地层，以及部分软岩和强风化岩。    

工作原理：利用刀具前端的切削刃（通常镶嵌硬质合金），像铲子一样刮削、剥离土层。主要依靠剪切力破坏土体。

    *   特点：

        *   在软土中切削效率高，阻力相对较小。

        *   结构相对简单。

        *   直接暴露在渣土流中，磨损非常快，需要频繁检查更换。

        *   在硬岩或含大砾石的地层中极易崩刃、断裂失效。

    *   设计： 通常设计有**后角**和**侧角**以利于排渣，减少粘附。刀体上常设计有过载保护结构（如断裂槽）。

3.  先行刀：

    *   适用地层：介于滚刀和刮刀之间，常用于复合地层（软硬不均）或含有卵石、漂石的软土地层。

    *工作原理：安装在刮刀前方（靠近刀盘中心方向），比刮刀突出更长。其作用是在刮刀接触土体之前，先将大块的、坚硬的障碍物（如卵石、漂石）或较硬土体进行预破碎或松动，保护后方的刮刀，并改善渣土流动性。

    *  特点：通常比刮刀更粗壮、耐磨，形状多样（锥形、羊角形、撕裂形等）。

4.  **仿形刀：**

    *   作用：不是用于常规掘进，而是用于开挖隧道转弯或纠偏时所需的超挖，以提供盾构机转向所需的空间。

    *   位置： 通常安装在刀盘外缘的可伸缩装置内。

    *   操作： 需要超挖时，操作人员将其从刀盘内向外推出，超出其他刀具的切削轮廓。完成超挖后缩回。

    *   **类型：** 可以是滚刀形式，也可以是刮刀形式。

二、 关键特性与挑战

1.  耐磨性：*刀具直接与磨蚀性强的土砂岩石摩擦，需要采用**高强度合金钢刀体和超硬材料刀圈/刀刃（如碳化钨硬质合金、钢结硬质合金、甚至金刚石复合片）。

2.  优异的抗冲击韧性：地层不均匀，可能遇到孤石、障碍物或硬岩夹层，刀具需承受剧烈冲击而不发生断裂或严重崩刃。

3.  **耐高温性：** 切削摩擦产生大量热量，尤其在硬岩掘进时。

4.  几何形状优化： 刀具的安装角、后角、切削角等直接影响切削效率、磨损速率和排渣效果。

5.  **磨损与失效：刀具磨损是盾构施工中的常态和主要成本之一。失效形式包括：

    *   正常磨损：刀刃/刀圈均匀磨钝、磨耗。

    *   崩刃/掉块：硬质合金刃口或刀圈边缘因冲击或疲劳碎裂。

    *   断裂：刀体或刀圈因过载或疲劳断裂。

    *   偏磨：因安装问题或地层不均导致单侧过度磨损。

    *   刀圈松动/脱落：固定失效。

    *   轴承卡死：密封失效导致泥沙进入滚刀轴承。

6.  刀具管理：

    状态监测： 通过掘进参数（推力、扭矩、速度、贯入度、振动、温度）、渣土分析（含金属碎屑）、定期开舱检查（最直接）等方式判断刀具磨损状态。

    *   更换计划： 根据磨损预测和地层条件，制定刀具检查与更换计划。更换通常在**气压或泥浆压力稳定工作面**的条件下进行（带压进舱），风险高、成本高、耗时长。

    *   刀具布置： 根据地质详勘报告，在刀盘上科学布置不同类型、数量的刀具（滚刀、刮刀、先行刀的搭配、间距、覆盖率等），直接影响掘进效率和刀具寿命。

三、 重要性

*   **掘进效率：** 刀具性能直接决定掘进速度。

*   **施工成本：** 刀具消耗是盾构施工的主要直接成本之一，频繁更换刀具会大幅增加成本和延误工期。

*   **施工安全：** 刀具严重损坏或失效可能导致刀盘损坏、卡机、地表沉降甚至塌方等重大事故。

*   **隧道质量：** 刀具状态影响开挖面的稳定性和隧道轮廓的精度。

盾构机刀具是盾构机征服地下世界的“利齿”，其设计、选型、布置、管理和维护是盾构工程成功的关键技术环节。工程师必须根据地层条件精心选择和配置刀具，并在掘进过程中密切监控其状态，及时进行更换，才能确保盾构机高效、安全、经济地完成隧道掘进任务。持续研发更耐磨、耐冲击、智能化的刀具是盾构技术发展的重要方向。