(总报告)富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究

富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道

施工关键技术研究

（总报告）

同济大学

中铁十三局集团有限公司成都地铁项目经理部

2008年9月

富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究

目 录

1 工程概况及项目研究意义 ........................................... 1

1.1 成都地铁1号线2标段工程简介 ................................ 1 1.2 工程地质及水文地质概况 ...................................... 2 1.3 本工程地层特点及施工难点 .................................... 3 2 砂卵石地层土压平衡控制 ........................................... 6

2.1土压平衡盾构技术概述......................................... 6 2.2 砂卵石地层的掘进模拟计算 .................................... 9 2.3 砂卵石土压平衡特点研究 ..................................... 10 2.4 土压平衡控制方法 ........................................... 18 2.5 渣土改良试验及结果分析 ..................................... 18 3 刀具磨损机理研究与预测 .......................................... 27

3.1 硬岩中滚刀破岩机理 ........................................ 27 3.2 切削刀具的掘进原理 ........................................ 30 3.3 本工程滚刀磨损特点及原因分析 ............................... 31 3.4 刮刀磨损及离散元计算 ....................................... 37 3.5 刀具磨损的计算分析 ......................................... 43 3.5 盾构刀具损耗分析 ........................................... 44 4 盾尾同步注浆材料及参数 .......................................... 48

4.1 注浆材料试验分析 ........................................... 48 4.2盾构推进至不同地段下浆液配比建议............................ 48 4.3 同步注浆参数实测分析 ....................................... 50 4.4 松散带对注浆量的影响 ....................................... 56 4.5 控制措施 ................................................... 56 5 砂卵石地层带压换刀技术 .......................................... 59

5.1 带压换刀基本原理 .......................................... 59 5.2 气压加压试验 ............................................... 64 5.3 带压换刀实践 ............................................... 68

I

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6 盾构穿越施工对建筑物影响研究 .................................... 75

6.1 盾构穿越建筑物工程概况 ..................................... 75 6.2盾构穿越冶金宾馆时采用的辅助措施............................ 77 6.3桩基荷载转移在盾构穿越施工中的效果分析...................... 81 6.4桩基托换在盾构穿越施工中的效果分析.......................... 86 6.5 盾构穿越冶金宾馆桩基的施工效果分析 ......................... 92 6.6盾构穿越安监局施工数值模拟计算.............................. 96 6.7 盾构穿越经委安监局的施工措施及效果分析 .................... 100 7结论 ............................................................ 103

7.1 砂卵石地层土压平衡控制研究结论 ............................ 103 7.2刀具磨损机理研究与预测研究结论............................. 104 7.3盾尾同步注浆材料及参数研究结论............................. 105 7.4 砂卵石地层带压换刀技术研究结论 ............................ 106 7.5盾构穿越施工对建筑物影响研究............................... 107

II

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1 工程概况及项目研究意义

1.1 成都地铁1号线2标段工程简介

本标段区间段地铁线路处于人民北路和人民中路上由北向南，沿人民北路南部和人民中路敷设，共三个区间：人民北路站～文武路站区间、文武路站～骡马市站区间、骡马市站～天府广场站区间。盾构区间隧道线路间距为11m～15m，隧道埋深15～20m，左线长2390.316m，右线长2407.774m。左右线区间隧道各采用一台直径6.28m海瑞克土压泥水盾构机掘进，盾构隧道采用管片拼装式衬砌，管片环宽1.5m，错缝拼装。成都地铁1号线规划图如图1.1所示，本标段线路平面图如图1.2所示。

图1.1 成都地铁1号线规划图

图1.2 线路平面示意图

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1.2 工程地质及水文地质概况 1.2.1 地形地貌

本区间段线路呈南北向纵贯成都市区，线路区域地处成都平原岷江冲洪积扇状平原的南东边缘，其东为位置相对较高、地形起伏相对较大的成都市东部台地。区内地形较平坦，地势受扇状平原的控制，总体上西高东低，北高南低。沿线地面高程于497.7m～506m，相对高差8.3m，由于后期人类工程活动，原始地形已不甚清晰。

1.2.2 地质构造

成都平原在构造位置上处于我国新华夏系第三沉降带之川西褶带的西南缘，界于龙门山隆褶带山前江油～灌县区域性断裂和龙泉山褶皱带之间，为一断陷盆地。

从总体来看，成都市区距龙泉山褶皱带20公里，距龙门山隆褶带50公里，区内断裂构造和地震活动较微弱，历史上从未发生过强烈地震，从地壳的稳定性来看应属于稳定区。

1.2.3 土层特征

地铁一期工程沿线初勘钻孔所揭穿的地层单位自上而下依次为第四系全新统（Q4）、上更新统（Q3）和白垩系上统（K2g）。Q4上段为杂填土，主要为建筑垃圾混粘性土，分布连续，厚度1.1～6.8m。下段上部为黄灰色粉质粘土，呈可塑～硬塑状态，湿；分布不连续，埋深1.7～3.5m，厚度1.2～3.6m。下段底部为灰黄色卵石土，卵石呈圆～次圆状。漂石组、卵石组、砾石组和土粒组在卵石土中所占的重量百分比分别为15.4%、69.2%、7.1%和8.3%。根据密实程度，卵石土可以划分出稍密卵石、中密卵石和密实卵石3个亚层。卵石层埋藏深1.6～5.3m，厚度5.2～9.7m。卵石单轴抗压强度65．5-184MPa，平均102．2MPa，极值为206MPa。在该层中还存在钙质胶结、半胶结的砾石层，硬度大。

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③滞留于土舱内掘削土通过螺旋传送机滑动闸门作用挡土。 ①面板一次挡土。 高浓度泥水加压②高浓度泥水加压平衡，并确保土体流动。 式土压盾构 ③转斗排土器的泥水压的保持调节作用。 ①向土舱内注入泥土、泥浆或高浓度泥浆，经搅加泥土压盾构 拌后塑流性提高，且不渗水，稳定掘削面。 ②检测土舱内压控制推进量，确保掘削面稳定。 软弱粘土层，易坍的含水砂层及混有卵石的砂砾层。 砂层，砂砾层，易坍层 松软渗透系数大的含水2.1.3 加泥式土压盾构

（1）工作原理

加泥式土压平衡盾构，是靠向掘削面注入泥土、泥浆和高浓度泥水等润滑材料，借助搅拌翼在密封土舱内将其与切削土混合，使之成为塑流性较好和不透水泥状土，以利于排土和使掘削面稳定的一类盾构机。掘进施工中可随时调整施工参数，使掘削土量与排土量基本平衡。盾构机仍由螺旋输送机排土，渣土由出土车运输。加泥式土压平衡盾构(以下简称加泥土压盾构)的构造，如图2.3所示。

这类盾构主要用于在软弱粘土层、易坍塌的含水砂层及混有卵石的砂砾层等地层中隧道的掘进施工。

①为刀盘，②为工作仓，③为压力隔板，④为螺旋出土器， ⑤为推力油缸，⑥为盾尾密封，⑦为管片，⑧为盾尾同步浆液

图2.3 加泥式土压平衡盾构结构示意图

（2）构造特点

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与削土加压式盾构相比较，加泥式盾构是密封土舱内设有泥土注入装置和泥土搅拌装置、排土装置等与前者相同，这类盾构特点如下：

① 可改善切削土的性能。在砂土或砂砾地层中，土体的塑流性差，开挖面有地下水渗入时还会引起崩塌。盾构机有向切削土加注泥土等润滑材料并进行搅拌的功能，可使其成为塑流性好和不透水的泥状土。

② 以泥土压稳定开挖面。泥状土充满密封舱和螺旋输送机后，在盾构推进力的作用下可使切削土对开挖面形成被动土压力，与开挖面上的水、土压力相平衡，以使开挖面保持稳定。

③ 泥土压的监测和控制系统。在密封舱内装有土压计，可随时监测切削土的压力，并自动调控排土量，使之与掘削土量保持平衡。

（3）添加材料

添加材料一般采用由粘土、膨润土CMC、高吸水性树脂及发泡剂等材料制成的泥浆液。切削土体为软弱粘性土时，可不注入泥浆，但在砂土和砂砾等地层中则必须注入泥浆。泥土加压式盾构机添加材注入示意如图2.4所示。

在掘进施工中，加泥量应根据刀盘扭矩、螺旋输送机转速、推进速度和排土量等随时进行调整。

水/泡沫/矿物材料/抗粘结等材料添加处

盾尾密封

同步注浆

图2.4 泥土加压式盾构机添加材注入示意图

2.2 砂卵石地层的掘进模拟计算

本课题对该地层的土压平衡盾构的掘进过程采用离散单元法（DEM）进行模拟

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计算，对计算结果进行分析，得到该地层EPB掘进时的土压平衡特性。

为了分析求解EPB盾构掘进时的掘进特征，综合考虑PFC计算速度及模型需要，建立如下的简化计算模型：

（1）土体模型成样后大小为7.5m×9.5m； （2）土体级配按实际颗粒尺寸； （3）假定为平面问题；

（4）盾构按实际尺寸建立，盾构机外径6m，土仓长度1m；

建立计算模型，示意图如2.5所示。

砂卵石地层 土 仓 压力隔板 刀盘刀具

图2.5 PFC2D的计算示意图

2.3 砂卵石土压平衡特点研究 2.3.1 水平土压力规则系数

计算时分四种工况，包括理想平衡状态、盈压状态、欠压状态和土仓结块，在此分别对每种工况进分析。

（1）理想平衡状态

静止平衡条件下，此时为理想状态，土仓进出土平衡。因此，此时土仓压力上下均匀，前后一致。此时的土仓竖向土压力规则系数R2大小为1。此时的水平应力分布如图2.6所示。

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76.51000009000065.580000700006000054.550000400003000043.52000010000302.5256

图2.6 理想状态下的水平应力分布

（2）盈压状态

由于盾构掘进过程中一般情况是使土仓处于一定的“盈压状态”，本计算重点对两种“盈压状态”进行了计算分析。第一种情况：盈压率2.3%，第二种情况：盈压率3%。计算结果的水平应力云图分别如图2.7和图2.8所示。

两种盈压率情况下沿土仓的竖向应力分布如图2.9所示。根据计算，竖向不规则系数R2都在0.46左右，大大低于在软土地层的0.8-0.9。可见掘进中，土仓内竖向呈现了不均匀的土应力分布，并且中部的应力偏大。

776.56.5670000065000067000006500005.56000005500005.5600000550000550000045000040000055000004500004000004.53500003000004.5350000300000425000020000042500002000003.51500001000003.5150000100000500003500000302.52.52256

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图2.7 盈压率2.3%时水平应力分布云图 图2.8 盈压率3%时土仓水平应力云图

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201816141210864200.000.050.100.150.200.25

图2.9 土仓水平土压力分布

（3） 欠压状态

欠压情况下的应力分布较为均匀，如图2.10所示。

虽然欠压状态的土应力分布较为均匀，但欠压状态下EPB掘进常会带来工作面的不稳定，过量的地层损失，从而导致刀盘被卡和地表沉降过大等问题。因此，在实际掘进中一般的情况是保持一定的“盈压”状态。

76.5100000900005.58000070000600004.55000044000030000200003100000653.52.5256

图2.10 欠压状态下的土压力分布

（4）土仓结块的情况

同时对土仓内结块的情况进行了计算。计算中采用clump来模拟土仓内的渣土块，如图2.11所示。clump定义为某范围内的球体ball的聚合体，该聚合体范围内的ball之间被赋予了很高的bond值，因此一般情况下clump不能被破坏，

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（3）掘进效率降低；

（4）工作面支护土压力不均。

综合以上分析，在条件允许的情况下，EPB的设计及施工应充分提高工作面的土压支撑率。

2.4 土压平衡控制方法

根据该地层中的土压特点来进行针对性的土压平衡控制措施，管理方法如图2.20所示。

土仓竖向均匀提高渣土特性土压分布特点土仓前后应力比改进施工参数工作面土压支撑率图2.20 土压平衡管理思路

提高渣土的特性包括以下几个方面： （1）提高其流塑性；

（2）减小对刀盘刀具的磨耗；

（3）降低渗透系数，阻止喷涌发生； 提高施工参数包括以下几个方面： （1）提高土压支撑率；

（2）根据计算结果调整土仓土压力； （3）提高土仓土压规则系数；

（4）根据土仓前后应力的计算结果，前后应力比在“盈压状态”下较大，因此，在掘进过程中，一方面要减小盈压率，降低土仓前后应力比，另一方面，由于土仓前后存在应力比大于1的情况，应响应减少压力隔板的控制土压力。

2.5 渣土改良试验及结果分析

根据土压平衡盾构施工的要求，需要对改良土体进行试验研究。由于该种土

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体的特殊性：卵石颗粒直径达到了100mm以上，因此，采用常规的试验不能满足该条件。根据特殊情况，设计了如下的试验。

测试项目见表2.4。

表2.4 试验测试项目

No. 1 试验项目 塌落度试验 目 的 改良土的塑流性 流动度（cm） 自制直径为20cm的有2 渗水试验 改良土的止水性 改良土和钢之间的摩3 滑动试验 擦 搅拌难易程度、内摩4 电机搅拌试验 擦角、粘聚力 是否离析，流动性、5 观 察 包裹小卵石的情况 电流消耗 机，数字电流计 擦系数 采用拉力计测得拉力 转速为60rpm的搅拌渗透系数（cm/s） 机玻璃渗透系数仪 铁块与土体之间摩自制角钢和土体接触，试验求取值 塌落度（cm） 标准塌落度桶 试验设备 本试验添加材料类型见表2.5。

表2.5 试验添加材料类型

No. 改良类型 材 料 1 泡沫 采用YT-2型泡沫剂 2 矿物材料 粘土和膨润土 3 复合式 泡沫+矿物材料 电解质制成 4 硅溶胶 采用硅胶溶液和强试验分别对粗粒土，细粒土和一般情况下的土进行了针对性的试验、研究及对比。

2.5.1 对偏细颗粒土的试验

该组试验主要对偏小颗粒的渣土进行了试验，首先对该细粒土进行了颗分，测得该土的颗分曲线如图2.21所示

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100??p`P@0 %0%0.01系列1百分比0.11粒径101001000

图2.21 细颗粒的级配曲线

由该曲线可以看出，该试验所用的细粒径的土粒径大于20mm的占了25%。小于1mm的接近50%，其中小于0.1mm的颗粒含量占到了10%。

试验中，往该样渣土中加水，将其加到饱和状态，当含水率17%时，塌落度为19cm。根据观察具有较好的塑性流动性和一定的保水性。

但是通过拉动试验和搅拌测功率的试验，表明该土体的摩擦系数还偏大，因此，需要加入泡沫剂进行减磨。

加入浓度为3%的泡沫剂200ml发泡后，掺入该土体。该土体具有了更好的流塑性，并且内摩擦角大大地减小，减少了机器及刀盘刀具的消耗。

2.5.2 对偏大颗粒的土的改良试验

该组试验主要由大粒径的卵石组成，级配曲线如图2.22所示。

100??p`P@0 %0%0.01系列1百分比0.11粒径101001000

图2.22 大粒径颗粒的级配曲线

由级配曲线可以看出，该组试验的大颗粒的渣土，颗粒粒径大于20mm的占

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了83%，粒径小于10mm的仅占10%左右，小于0.1mm的含量极少。

试验首先对该渣土进行了掺入泡沫的试验，试验结果表明，对于该大粒径的卵石渣土，仅对该渣土添加泡沫材料，可以得到以下几个结论：

(1) 对其流动性基本没有改善；

(2) 钢条的拉动试验表明，拉力在25N左右，而且拉动时波动较大，说明大块易发生卡住；

(3) 渗透系数测试发现，该大粒径渣土只加泡沫的情况，会直接发生涌水，渗透系数远远不能满足使用要求。

因此，需要对该种土体进行进一步改良，添加粘土类矿物材料，一方面，补充粗颗粒中的细颗粒量，另一方面，适当增加粘性，提高土体的保水性和抗水性。

因此，在渣土中加入了浓度为55%的粘土浆2360ml，30.3%的膨润土浆330ml，进行搅拌，矿物材料的掺入率为48%。

试验表明，加入粘土及膨润土后的土体，有了一定的流动性和保水性。

2.5.3 对中等颗粒分布的的改良试验

对该组渣土进行了较为详细的试验，级配曲线如图2.23所示。

100??p`P@0 %0%0.01系列1百分比0.11粒径101001000 图2.23 该组的级配曲线

对该组渣土，进行了几组试验： ① 只添加泡沫材料； ② 只添加矿物材料；

③ 添加泡沫和矿物复合材料； ④ 添加硅溶胶材料；

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取渣土16kg，含水率大概4～5%，做塌落度试验，结果如图8.11，塌落筒取出后，渣土为崩塌，不具有流动性。又在其中加入270g水时，此时含水率大概在6～7%左右，此时又做了塌落度试验，显示塌落度为零，也不具流动性。

对该渣土进行拉动钢条试验，试验表明，拉动钢条的力很不均匀，拉动过程中的力的波动达到了10N。最大为45N。 （1）添加泡沫材料试验

土体中添加的泡沫指标如表2.6所示。

表2.6 添加泡沫指标

项目 指标 泡沫掺入比 35% 发泡倍率 25 每延米泡沫成本（元） 600 对加入泡沫后的渣土进行塌落度试验，加入泡沫后的塌落度为15.5cm。试验表明：改良后的渣土具有较好的流动性和一定的保水性。

拉动试验表明拉动钢条的力为13N，可见泡沫材料对于改善钢条和渣土之间的摩擦有很大作用。

对改良后的搅拌电流进行了测试，结果表明，电流消耗仍有一定的波动不稳定性。

4.54.34.13.93.73.53.33.12.92.72.50102030405060系列1 图2.24 改良后的电流情况

对于该组试验改良后的渣土进行了渗透系数试验。试验中，当水头加到30cm左右时，渣土突然出现了涌水，渣土上部的水压贯通了渣土。不得已，试验人员把渣土取出，挑拣出其中的大块，保留了其中的偏小的颗粒，重新进行了渗透系数的试验，测得渗透系数1.4x10-4cm/s。

因此，该组试验表明：在渣土中添加泡沫进行土体改良，仅添加泡沫剂的渣

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磨损严重区域

图3.8 刀盘上磨损最严重的滚刀位置

3.3.2砂卵石地层受力滚刀磨损的分析

对于在该砂卵石地层，由滚动受力示意图4.8可以看出，阻止滚刀转动的力矩主要由三部分组成，土仓内渣土的摩擦阻力力矩、刀箱内的渣土的阻力力矩和滚刀的启动力矩（大小为30～50N·m）。

T阻?T土仓＋T刀箱＋T启动 （3.3）

图3.9 滚刀与砂卵石地层的作用

但在该种松散砂卵石地层，由于阻力力矩有三部分组成当滚刀的转动力矩小于阻力力矩时，滚刀便不能转动即：

T转?T租 (3.4)

图3.10即为滚刀实际堵塞不能转动时的照片。

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图3.10 滚刀刀箱内渣土结块的情况

经分析，造成滚刀不转动的原因有以下几点：

（1）开挖面松散，不能给滚刀提供足够的反力，因此不能提供足够大的转动力矩T转；

（2）刀箱内渣土的结块、结饼，使得滚动的阻力力矩T租增大；

（3）由于掘进松散带的存在，刀鼓直接和松散带的卵石接触，经过卵石的撞击，造成了主轴承的启动扭矩增大，从而造成T租加大，使得转动困难； （4）由于滚刀的长期不转动，使得砂卵石对其一个方向发生摩擦，从而造成滚刀的严重偏磨。

3.3.3 刀盘侧面部位滚刀磨损严重的分析

PFC离散单元法的计算发现，在盾构掘进过程中，由于刀具、面板和工作面的相互作用，在工作面前方形成了一明显的“结构松散带”，如图3.11所示。土仓内部颗粒之间的粘结力已经被破坏的区域，而刀盘松散带之前的原始地层是粘结还完好的；而在刀盘前方的一个区域，由于刀盘刀具的挤压、扰动，形成了一个“过渡带”，即“结构松散带”。在该区域大部分的bond已被破坏，地层失去原始的粘接力，呈现出结构松散的特性。而盾构掘进时，刀盘、刀具直接和这一松散带相互作用，因此，相对于传统的也就使在该地层中的EPB掘进机理发生了变化，其中刀盘上滚刀如图3.12所示哦，侧面单侧滚刀如图3.13所示。

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图3.11 松散带示意图

图3.12 刀盘上正面滚刀和侧面滚刀 图3.13 侧面单刃滚刀受力

从图3.11可以看出，在刀盘的前上方存在一松散带，该部位正好对应了刀盘上弧部部位的滚刀。又有结构松散，不能给刀具提供足够的转动扭矩。同时，侧面该位置刀鼓暴露几率大，并且侧面位置线速度高，因此，该位置刀鼓很容易受卵石撞击从而，使得滚刀启动力矩更大。

双刃滚刀在该地层中，滚刀受力面积大，有利于增大转动力矩，同时刀鼓暴露面积减少，有利于保护刀鼓，如图3.14所示。

图3.14 侧面双刃滚刀受力

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3.3.4 中心滚刀偏磨原因分析

刀盘中心部位旋转的线速度小，渣土流通不畅，同时，根据离散元计算结果，在土仓内及工作面的水平土应力分布上，在中下部出现了应力凸起现象，如图3.15所示。

图3.15 离散单元法计算的沿土仓竖向水平应力分布图

因此，应力较大极易引起在中部的土体的固结，造成刀盘的“结饼”，如图3.16所示。

中心结饼

图3.16 刀盘中心结饼

在结泥饼的情况下，滚刀刀箱被堵住，因此使得T刀箱和T土仓增大，因此T阻 增大，大于了T转，使得滚刀不能转动，因此，中心部位滚刀磨损严重的主要原因为刀盘中心结泥饼。

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3.3.5滚刀的适应性设计建议

鉴于以上的分析和磨损的实际情况的验证，在盾构的设计中应根据滚刀在该砂卵石地层中的作用特点对滚刀的设计进行改进及提高。对于滚刀的适应性设计主要有以下几个方面：

（1）尽量使用双刃滚刀，这样可以增大刀圈和开挖面的接触面积，可使转动扭矩增大；

（2）可使用带齿的刀圈。在滚刀刀圈上镶嵌合金钢，以增大刀圈和开挖面接触时的摩擦系数，因而起到增大转动扭矩的效果；

（3）减小滚刀的启动扭矩。若启动扭矩过大，也会给滚刀转动带来困难，因此，在保证滚刀轴承密封安全条件的允许下，可适当降低滚刀的启动扭矩； （4）对刀箱内空隙进行改造。减小刀箱深度，同时采取倒喇叭形状，有力

与渣土的流动，不至于聚集于刀箱内，导致

增大；

（5）对滚刀刀鼓采取加焊耐磨层防护措施，以防止刀鼓破坏使得阻力力矩增大。

3.4 刮刀磨损及离散元计算 3.4.1 单个刮刀磨损分析

单个刀具磨损照片如图3.17所示。

两侧磨损较大 两侧磨损较大 （a）

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中间磨损相对较小

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