北京地区地层中含有大量的砂砾和卵石,地铁盾构施工时,盾构机刀具受到砂砾、卵石的冲击和高应力磨粒磨损,进口盾构机刀具的挖掘长度仅为250米左右。由此造成的刀具更换次数的提高增加了隧道塌方隐患,而且刀具的进口耗资耗时,严重影响了地铁隧道施工的进程。基于北京地区盾构机刀具的失效分析,本文从盾构机周边刀的修复着手,明确了盾构机刀具耐磨、耐冲击的性能要求,进行了刀具的堆焊层设计和性能研究,完成了盾构机刀具国产化的关键工作。盾构机刀具的堆焊修复条件苛刻:施焊空间狭隘,通气条件差,无法对刀体进行焊前预热和焊后热处理。本文对盾构机刀具修复用药芯焊丝进行了系统的开发研究,通过一系列配方调整和工艺性能实验,研制出了可用于盾构机刀具修复及制造的气保护堆焊药芯焊丝DG7和自保护堆焊药芯焊丝SDG7。上述两种药芯焊丝焊接工艺性能良好,满足刀具修复及制造的施焊条件和刀具的性能要求。所制堆焊层组织为低碳板条状马氏体和断续的网状奥氏体,堆焊层硬度在HRC51以上,具有一定的韧性和冲击强化性能,堆焊层冲击后的硬度可达HRC55～60。堆焊层在MLS-225型湿式橡胶轮磨粒磨损机和MLD-10型动载磨粒磨损机上均表现出良好的耐磨粒磨损性能。在盾构机刀具堆焊层设计方面,本文从周边刀的修复研究入手,根据周边刀的具体部位的磨损特征,对周边刀刃口、侧面和迎土面(工作面)进行了堆焊强化处理;根据齿刀的失效特征,对其正面、背面和侧面进行了堆焊强化。此外,根据盾构刀盘的失效早于强化后刀具失效的状况,对刀盘进行了耐磨复合钢板强化设计,最终实现了盾构机刀具的整体强化。在2007年2月结束的北京市地铁十号线第十一标段农展馆至亮马桥的施工中,研制的盾构机刀具一次挖掘长度达780余米,大大超过了进口刀具的使用寿命,而其制造成本仅为进口刀具的75%,研制的国产盾构机刀具具有巨大的经济效益和社会效益。