盾构刮刀的种类和功效、失效原因及换刀建议

一、刮刀的工作原理：在推力的作用下，刮刀嵌入松散岩层或土层中，刀盘带动刀具转动时刮削岩土层，其特点是效率高，刀盘转动阻力大，在软土地层或滚刀破碎后的松散岩层通过刮刀进行开挖，渣土随刮刀通过刀盘开口进入土仓。

二、刮刀的结构特点及固定方式

    刮刀由钢材刀体和刀刃口的硬质合金块构成，两者一般通过钎焊的方式结合在一起，钢刀体对硬质合金块起支撑作用，要求具有一定的强度和刚度。硬质合金块采用有一定的耐磨性、抗冲击韧性及与刀体的可焊性的地矿类牌号合金；由于硬质合金具有远超钢材的硬度及耐磨性能，所以刮刀相比纯钢材的滚刀具有更强的抗磨性能。在刮刀制作过程中，需在钢材刀体的刀口等关键部位施加耐磨堆焊进行保护，以延缓钢材刀体的磨损，最大程度上避免硬质合金块出现“唇亡齿寒”脱落现象。

由于刮刀的工作原理是通过刀盘的旋转来“硬刮”掘进地层，而硬质合金的脆性特点以及与钢材母体钎焊的焊接内应力无法完全消除，所以，刮刀通常刮刀适用于小于20Mpa的软弱、冲击力较小的松散地质层。

    刮刀在刀盘上的固定方式分焊接式和螺栓紧固式及插销式三种，插销式已不常见，焊接式刮刀就是将刮刀直接焊接在刀盘上，结构简单，安装灵活，无需利用刀座紧固，不易与刀盘脱落，但不易更换，确需更换的话，需要动火切割和电弧焊接，在掘进过程中更换磨损的焊接式刮刀尤为不易。

    螺栓紧固式刮刀的钢体上都有沉台螺栓孔，刮刀利用数颗螺栓紧固在刀座上，刀座与刀盘采用焊接式连接，螺栓紧固式刮刀如在掘进过程中磨损后，可以较方便的更换。

三、刮刀的功能与分类

盾构机（顶管机）刮刀是刀盘上的核心破岩部件，主要负责切削、剥离岩土并将碎渣输送至土仓。刮刀在以滚刀为主力破岩刀具的盾构复合刀盘中属于辅助刮削刀具，以适应软硬不均及硬岩地质层；在纯软土地质层中，由于掘进地质层较软弱，不能给滚刀提供足够的反向摩擦力，滚刀通常转动不起来，且滚刀耐磨性不如刮刀，所以，在软弱地质层掘进需全盘配置具备更强耐磨性能的固定式刮刀。

刮刀根据安装位置、功能特性及结构特点，可分为以下几类：

1、正面切刀（齿刀）： 分布在刀盘正面位置，应用于面板式和辐条式刀盘，布置于刀盘正面的开口或辐条的两侧，呈齿状错位分布，以覆盖整个切削面，刮刀刀刃对软土或松散地层进行切割，将土刮入土仓。

2、边缘刮刀 （铲刀）：安装在刀盘最外侧，负责隧洞边缘的切削与成型，保护刀盘外侧，保障隧洞的开挖直径，承受最大径向磨损。

       3、中心刮刀（中心鱼尾刀）：位于刀盘中心区域，改善刀盘中心部位渣土流动性，解决粘性泥土的结泥饼问题，确保刀盘旋转平衡。

4、先行刀（贝壳刀、撕裂刀）：

顾名思义，即为先行切削土体的刀具。先行刀在设计中主要考虑与切削刀组合协同工作。刀具切削土体时，先行刀在切削刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的切削条件。据其作用与目的，先行刀断面一般比切削刀断面小。采用超前刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少切削刀的磨耗。其安装形式一般为焊接在刀盘上，在复合刀盘中，如遇长距离软土地层，滚刀不易转动，与滚刀可互换安装的可更换撕裂刀能发挥显著效能。

5、保护刀：形状尺寸不一，有滚刀箱保护刀、刀盘外周保护刀，泡沫口保护刀等，其功效是利用保护刀上焊接的硬质合金块的高硬度来保护刀盘面上各重要位置在隧道掘进过程中不过早磨损。

 仿形刮刀：即超挖刮刀，安装在刀盘的边缘上，一个刀盘布置一到两个，通过液压油缸动作，伸缩于刀盘外径，实现隧洞扩径开挖，一般运用于盾构隧洞拐弯扩径，其行程一般为数公分。

四、刮刀的失效形式、原因分析与换刀建议

1、正常磨损：刮刀刀刃均匀磨损；

2、刮刀刀刃合金崩裂：复合刀盘在硬岩掘进中，如滚刀磨损太大，与同轨迹线的刮刀失去了刀高差，刮刀直接切割未经滚刀破碎的硬岩；或在掘进时，刀盘转速太快，突遇硬岩或金属异物，冲击造成刮刀刀刃崩裂；在较硬岩掘进中，刮刀贯入度太深也能原因造成刀刃崩裂。

3、刮刀刀体断裂：刀体本身的强度和韧性不够；进刀太深。

4、刮刀合金齿脱落：其表现是硬质合金齿整体脱落无残留，其原因一是合金刀齿的与钢材刀体没有焊好，二是刮刀突遇硬岩冲击力超过了合金刀齿与刀体的钎焊强度。

刮刀的更换建议：

盾构机的刮刀布置通常是覆盖刀盘面全轨迹线的，且相邻刮刀轨迹线之间有部分重叠，因此，刮刀的合金齿是允许一定的崩缺和磨蚀量的，一般建议更换刮刀的依据是：正常磨损量超过10毫米，崩缺齿大于硬质合金刃口总长度的四分之一或依据具体的刀型和具体的掘进工况定，比如，边缘刮刀由于与刀盘外侧的刀高差较小，所以需严格控制磨损量；在以滚刀为主要破岩刀具的复合刀盘，刮刀磨损量稍大，只要不伤及刀座、刀盘和失去功效，换刀条件可以放宽；在全刮刀的软土刀盘，换刀需严格按刮刀的磨损量及合金崩缺比例来更换。