盘形滚刀简称盘刀，是隧道掘进机滚压破岩常用的一种刀具型式，典型的盘刀一般由刀圈、轮毂和轴组成。
盘形滚刀在各类隧道掘进机上采用非常广泛，主要用于全断面岩石隧道掘进机、盾构及顶管设施。过去盘形滚刀主要用于全断面岩石隧道掘进机刀盘破岩，伴随隧道及地下工程的迅速进步，所遇到地层复杂性渐渐增加，开始在盾构刀盘上采用盘刀(同时布置切刀和滚刀)，形成所谓的复合式盾构，以应对各种软硬不均或富水地层，如砂卵(砾)石地层、风化岩地层及越江、跨海隧道的高水压地层[1]。实践证明，这种盾构对地层具有良好的适应性，大大拓展了盾构的适用范围。
国际上目前有研发全能隧道掘进机的趋势，复合式盾构应该是全能隧道掘进机的一种雏型。
1盘形滚刀的受力及破岩机理
每把盘形滚刀在切割岩石的流程中，刀刃与岩石之间都存在3个方向的相互功效力：(1)法向推重压FN，指向开挖面，由刀盘的推力供应；(2)切向滚动切割力FR，指向滚刀切向，由刀盘转矩供应；(3)滚刀边缘的侧向力FIJ，由滚刀对岩石的挤重压和刀盘旋转的离心力所产生，指向刀盘中心，其数值较小，与其它2个力不属于同一数目级，一般不分析。3个方向的用途力见图1。切向滚动切割力主要取决于推力、切深及滚刀直径。盘刀直径肯定，切深越大，所需滚动切割力越大；切深确定时，滚动切割力随盘刀直径的增大而减小。
刀盘工作时，滚刀先与开挖面接触，在推力功效下紧压在岩面上，伴随刀盘的旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自己轴线自转。盘形滚刀在刀盘的推力和转矩共同功效下，在掌子面上切出一系列同心圆沟槽。刀盘旋转并压入岩石的流程中，盘形滚刀对岩石将产生挤压、剪切、拉裂等综合功效，第一在刀刃下会产生小块破碎体，破碎体在刀刃下被碾压成粉碎体，继而被压密形成密实核，随后密实核将滚刀重压传递给周围岩石，并产生径向裂纹，其中有一条或多条裂纹向刀刃两侧向延伸，到达自由面或与相邻裂纹交汇，形成岩石碎片，整个流程如图2所示。由此形成的岩渣由破碎体、粉碎体及岩石碎
片组成，各部分的组成比例取决于岩石性质、刀圈几何尺寸、推重压及刀间距。
2盘形滚刀在刀盘上的布置
2．1布刀方法剖析
盘形滚刀在刀盘上的布置应满足肯定的力学和几何学规律，布置时一般应满：(1)尽可能使滚刀及刀盘受力均匀，使功效在大轴承上的径向载荷为零；
(2)使前面的刀具可以为后面的刀具供应破岩临空面，形成前后滚刀顺次破岩，如图3所示。
因此，盘形滚刀在刀盘上一般按单螺旋线或双螺旋线模式，相邻滚刀按肯定相位差布置。如Robbins型和Java型掘进机的中心刀都布置在同一直线上；Robbins型掘进机正刀和边刀都以相邻2把刀为一组呈对称布置(相位角相差180。，相邻2组刀具沿刀盘轴线旋转90。)；而Java型掘进机正刀和边刀亦以对称布置为原则，但相邻刀具相隔160。～165。。
盘形滚刀一般有单刃、双刃及三刃3种形式。盘形滚刀在刀盘上的布置应便于形成顺次破岩，即前一把滚刀先形成较好的切割轨迹及延伸裂纹，后一把滚刀到达时产生的裂纹将终止于前把滚刀形成的裂纹(即裂纹贯通、形成岩片)。由于双刃和三刃滚刀不可以较好地满足所有滚刀顺次破岩的需要，且轻易产生不均匀磨损，造成刀具受力恶化及刀具浪费，应尽可能选用单刃滚刀，边刀也应使用单刃滚刀。但为了节省刀盘空间，无论盾构还是掘进机，在刀盘中心大都布置双刃或三刃滚刀。
2．2刀间距的确定原则及办法
无论是使用哪种方法布置刀具，刀间距都是首要分析的技术问题之一。刀间距的分析有两种方法：(1)在同一台机器上刀间距不变，以改变刀盘推力来适应岩石强度的变化；(2)在同一刀盘上增减刀具数目或改变每把滚刀上的刀圈数来改变刀间距，以适应岩石强度。一种分析方法容易且实用性强，应用较多。刀间距的确定主要取决于开挖岩层的状况及岩石的类型与强度等，其与岩石强度的关系见图4。
根据剪切破岩理论，破岩模式如图5所示。
由图可知，当刀盘旋转一周，滚刀的切入深度为，则按剪切破岩理论，破裂宽度=P tana，要使同一装配半径上的盘形滚刀在刀盘旋转一周的切深相等，切破岩量相同，在相邻滚刀之间就不应存在累积岩脊。因此为保证岩石切割的条件，刀间距应为：
根据上述刀间距计算理论，并分析刀盘空间，在混合地层中掘进时，刀间距的选择原则一般为：
(1)中心刀较少按较优刀间距布置，它们往往以比较小的刀间距布置，以补偿掘进流程中滚刀可能遇到的困难切割条件。
(2)正刀的刀间距在50～120mm之间，对于软岩层取大值，硬岩层取小值。
(3)隧道以软岩为主并有少量硬岩时，刀间距按软岩选择，掘到硬岩地段时，可以慢速掘进。
(4)隧道以硬岩为主并有中硬岩时，刀间距按二者兼顾原则选择。如石灰岩地层的刀间距取80mm，花岗岩地层取50mm，在综合布置时刀间距取70mm为宜。
(5)边刀处于刀盘外缘，速度很高，磨损紧急，很少按较优刀间距布置。边刀的刀间距从邻近正刀开始，向外缘渐渐降低，随后2把相邻边刀的刀间距弧长一般为20~25mm，随后一把边刀的刀倾角一般为70。。边刀的布置使用圆弧过渡，过渡区的曲率半径及边刀数目取决于掘进机直径的大小。对于小直径掘进机，曲率半径为300～350mm，边刀数为6～8把；对于大直径掘进机，曲率半径为600~650mm，边刀数为15～18把。伴随滚刀的高强度、耐磨性等技术的综合借助，滚刀的切深得到了很大的提升。但此时为了达到所需的临界推力，需相应地扩大刀间距，否则会使滚刀处于前较优区工作。这也可理解为，使用较宽的刀间距后，为使滚刀处于较优间距下工作，需要相应地增加单把滚刀的推重压。在比切深不变的状况下，增大刀间距可以产生更多的岩石碎片，提升切割效率。因此，使用较宽的刀间距，降低了刀具的数目，有利于减少单位进尺的刀具消耗，同时，可以减小所需的总转矩和总推力。但是，滚刀直径从20世纪70年代的280mm进步到9()年代的480am，刀间距并没有改变。究其
起因，有两个方面：(1)工程实践中总存在保守的观念；(2)使用较宽的刀间距时，将额外地增加预测机一岩相互功效的随机性，特别是在围岩条件较
差时更为明显。Ozdemir和DollingerE](1987)、Hartwing~](1993)等的研究都表明了上述看法。
3盘形滚刀的切割力剖析
为研究滚刀切割力，设定基本参数如图6、图
7所示，其中：
刀盘刀具设计时，认为总推力在每把滚刀上平均分布，因此有：
单把滚刀的推重压可依据岩石的性质及刀圈几何尺寸来确定。
刀盘转矩为每把滚刀到刀盘旋转中心的力矩之和，即：
式中为滚刀的平均旋转半径，可按式(4)近似计算：
滚刀滚动切割阻力为：
式中ben为滚刀滚动切割阻力系数，一般beN~0．1～0．15，具体与岩石物理力学性质及滚刀切深有关。需要说明的是，滚动轴承摩擦系数一般取0.002，
远小于，因此可以忽视滚动轴承的摩擦阻力。
由此可得刀盘转矩：
式(7)中，令，称之为转矩系数。因此，TBM开挖所需的刀盘转矩为：
该式不一样于盾构刀盘转矩[算例]已知某TBM，刀盘直径为8．0m，滚
刀布置的平均刀间距为70mm。设计使用17”盘形滚刀，其容许推重压为50kN，实质切割时为196kN，。所需滚刀数目：
实质设计布设62把滚刀。
按式(6)可得转矩系数：
(按容许推重压250kN计算，=64．2)
则刀盘转矩为：
