刀具和刀盘是盾构机实现破岩、掘进的关键部件，堪称盾构机的“牙齿”。它们的配置是否合理、性能是否优良，直接关系到盾构设备的掘进速度，甚至关系到盾构施工的成败。
一、刀具的分类与工作原理
按照切削原理不同，盾构机刀具一般分为滚刀和切削刀。
1. 滚刀
滚刀与切削刀的差异在于，随着刀盘转动的同时，滚刀还作自转运动。滚刀主要依靠盘形刃圈在岩面上滚动产生的挤压和冲击作用破碎岩石，适用于硬岩地层。
当滚刀在岩面上滚动时，接触应力超过岩石的抗压强度，岩石被压碎形成裂纹，随着滚刀的持续碾压，裂纹扩展、交汇，最终形成岩片剥落。
2. 切削刀
切削刀只随刀盘转动，通过剪切作用切削土体，适用于软土地层和风化岩层。切削刀的前刀面和后刀面形成一定角度，在刀盘旋转时像车刀一样切下土体。
3. 其他辅助刀具
-
先行刀：安装在刀盘最前端，提前破碎硬质土层，为主切削刀创造更好工作条件
-
超挖刀：位于刀盘外侧，在转向掘进时可向外伸出，扩大开挖直径
-
边缘刮刀：用于清理开挖轮廓线上的残留土体
二、刀具的选型与配置
根据不同的岩土情况，选择恰当的刀具组合及刀盘结构形式，是盾构设备掘进速度的保证。
1. 软土地层
以切削刀为主，刀间距较小，刀具数量较多，以提高切削效率。刀盘开口率较大（通常30%-40%），便于渣土进入泥土仓。
2. 硬岩地层
以滚刀为主，通常配置大直径滚刀（17英寸、19英寸甚至更大）以提高破岩能力。刀盘开口率较小，强度要求高。
3. 复合地层
采用滚刀和切削刀混合配置，刀盘设计需兼顾两种刀具的安装要求和受力特性。加强型盾构配置6r/min刀盘转速和19英寸大直径滚刀，可大幅提升掘进效率，因此对硬岩地层和不良地质段兼具适应性。
三、滚刀磨损规律研究
刀具磨损是盾构施工中不可避免的问题，尤其是在硬岩地层中掘进时，滚刀磨损对施工效率和成本影响显著。
研究表明，加强型盾构滚刀累计磨损量与其安装半径呈指数型相关性，边缘滚刀磨损速率最大。这是因为边缘滚刀的运动轨迹长，且工作环境更为恶劣。
在包含硬岩和不良地质段的隧道工程中，需对加强型盾构在硬岩段掘进时的滚刀磨损进行回归分析，为刀具检查和更换提供依据。施工中应及时检修边缘滚刀，保障开挖直径充足。
四、刀盘的结构与功能
除开挖功能外，布置刀具的刀盘还具有稳定支撑掌子面和搅拌渣土等功能。
1. 刀盘结构形式
常见刀盘结构包括：
-
辐条式：由若干根辐条组成，开口率大，适用于软土地层
-
面板式：面板上开有进渣槽，强度高，适用于硬岩和砂卵石地层
-
复合式：结合两者特点，适用于复合地层
2. 刀盘关键部件
-
刀座：用于安装刀具，需有足够强度和刚度
-
耐磨层：在刀盘面板和边缘堆焊耐磨材料，延长使用寿命
-
搅拌棒：位于刀盘背面，用于搅拌泥土仓内渣土，防止沉积
-
回转接头：向刀盘面板输入泡沫或膨润土，向超挖刀油缸输送液压油
五、刀具磨损监测与更换
1. 磨损监测方法
-
经验判断：根据掘进参数（推力、扭矩、掘进速度）变化判断刀具状态
-
磨损检测装置：在刀具上安装磨损传感器，实时监测磨损量
-
开仓检查：通过气闸进入泥土仓直接检查刀具磨损情况
2. 刀具更换
当掘进过程中刀具磨损严重，工作人员需要进入到泥土仓检查及更换刀具时，要使用双室气闸。
在进入泥土仓时，为避免开挖面的坍坍，要在泥土仓中建立并保持与该地层深度土压力与水压力相适应的气压。工作人员通过调整气闸前室和主室的压力，适应常压和开挖仓压力之间的变化。
只有通过高压空气检查和受到相应培训有资质的人员，才可以通过气闸进出有压力的泥土仓。
六、刀具技术的发展趋势
1. 更大直径滚刀
从17英寸到19英寸，再到21英寸甚至更大，大直径滚刀可承受更大载荷，提高破岩效率和使用寿命。
2. 新材料应用
采用粉末冶金、陶瓷复合材料等新材料制造刀具，提高耐磨性和韧性。
3. 智能化监测
开发刀具磨损在线监测系统，实时掌握刀具状态，实现预测性维护。
4. 可更换技术
开发常压换刀技术，在不带压进入泥土仓的条件下更换刀具，提高安全性和效率。
在山东济南穿黄隧道、武汉两湖隧道等重大工程中，配备各种感知设备的高端智能化盾构系统，如同给盾构机装上了“眼睛”“耳朵”“鼻子”和“智慧大脑”，使其成为能够啃下“硬骨头”的“钢铁穿山甲”。