蒙先君（中铁隧道股份有限公司TBM二分公司）
摘要：总结了在盾构施工过程中刀盘常见的故障与损坏的方式，分析了其产生的原因，提出了相应的解决方法。
关键字：盾构机 刀盘 原因分析
1．刀盘工作原理与结构特点
1.1 刀盘工作原理
土压平衡盾构通过液压马达驱动刀盘旋转来切削围岩，并通过给掌子面与土仓隔板之间充满的、经过搅拌的碴土加压（油缸推力）的方式来稳定掌子面。根据不同的工程，不同的地质条件，在刀盘上设置不同数量、不同类型的刀具来进行开挖，同时通过螺旋输送机排土来保持土压在设计允许的范围内。 1.2 结构特点
我集团引进海瑞克盾构机（S179，S180）刀盘为轮辐式，直径6230mm，开挖直径6280mm，刀盘面板厚度550mm，从法兰盘底面到刀盘面板高1410mm，刀盘总重约55t。 为了保证刀盘的整体结构强度和刚度，刀盘结构为焊接箱形结构。
1.2.1 开口形式
刀盘开口形式为对称分布的八个长条孔，开口尽量靠近刀盘的中心位置，以利于中心部位
碴土的流动。刀盘的开口率根据安装的刀具类型不同而有所变化，当全部安装硬岩刀具时开口率为28%，当安装齿刀时刀盘开口率可以达到30%。
1.2.2 耐磨设计
刀盘的周边布设三道耐磨条，刀盘面板焊接格栅状耐磨材料，充分保证刀盘在硬岩掘进时的耐磨性能。 1.2.3 刀具
盾构机刀具是根据工程地段地质特点，和刀具在软、硬岩中不同的破岩机理来进行设计和选择的。刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层的开挖，主要刀具类型为：双刃滚刀、中心滚刀、齿刀、切刀、弧形刮刀和仿形刀。其中滚刀和齿刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型两种刀具可以互换。在硬岩中掘进时刀盘需安装双刃滚刀、中心刀，在软岩中掘进时可以根据需要把双刃滚刀、中心刀更换为对应形式的齿刀。具体刀具型式及设计特点见下表： 刀具型式表
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双刃中心刀 用于硬岩掘进，在软土中可以换装齿刀。 数量：6 | 双刃滚刀 用于硬岩掘进可换装齿刀。 数量：13 | 中心齿刀 用于软土掘进 数量：6 |
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正齿刀 用于软土掘进。 数量：13 | 切刀 软土刀具。同时可用做硬岩掘进中的刮渣。 数量：64 | 弧形刮刀 软岩刀具，同时在硬岩掘进下可用作刮渣。 数量：32 |
| 仿形刀 用于局部扩大隧道断面 数量：1 |
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2．常见故障（损坏）及原因分析
2.1 立柱焊缝开裂
在S179与S180的使用过程中，连接刀盘与主轴承的立柱常出现焊缝开裂的情况，而且裂纹总是出现在同一部位----仿形刀所在的立柱。以S179在深圳地铁施工中曾出现的一次开裂为例，裂纹位于仿形刀处面板与立柱连接处，裂纹存在以下几个特点：
大型屋面板
图一 图二
1．裂纹长度较长，最长的一条长420mm；（图一）
炉温控制系统
2．裂纹连续性较强，沿立柱焊缝基本呈环状分布；（图二）
图三 图四
3．裂纹呈交叉分布，分枝较多；（图三）
4．裂缝宽度较大，最宽处约为4—5mm。（图四）
通过观察与分析，我们认为：因为防形刀的存在，所以此面板的结构强度较其他立柱的要薄弱许多，同时此处焊缝的交叉点较多，焊接产生的残余内应力较大，当盾构机在推进过程中使用的推力过大，刀盘扭矩过大时，此处焊缝极易开裂。
同时，我们发现，在刀盘制作时，在下图所示的竖向开裂部位（1）与另一条竖向焊缝（2）之间，厂家采用了16mm的钢板，而侧壁的其他钢板厚度为40mm，这就造成此处焊缝的强度最低，从而导致此处开裂宽度最大，长度最长，范围最广。
2.2 泡沫孔堵塞
在刀盘面板上共设计布置8个泡沫口，其中4个在刀盘中心部位，4个在刀盘外围。泡沫剂通过旋转接头，再经过安装在刀盘4根立柱内的泡沫管，进入掌子面。若泡沫难以加到掌子面，必然导致碴土改良的效果不好，由于刀盘在中心部位的开口率较小，在此部位更容易形成泥饼，不但严重影响掘进的效率，对中心部位刀具的保护也很不利。究其原因，主要有3点：
（1）泡沫管在面板处的开口设计安装的单向阀结构不合理，致使泡沫孔在掘进过程中常常因为土仓压力过高而被堵塞，泡沫难以加到掌子面；
（2）泡沫管设置在盾构机的4根立柱内，很难进行拆卸，并且如下图所示，泡沫管的走线从掌子面到旋转接头的泡沫出口呈多直角弯分布，管道输通机等机械式疏通机具难有用武之地；
（3）若碴土进入管路较长，经过弯管较多，靠泡沫系统本身最高的15bar的压力很难疏通管路。
刀盘泡沫管路图
中频淬火变压器2.3 刀具磨损与损坏
刀具属于刀盘上更换频率最高的易损件，在掘进过程中，当刀具出现以下几种情况时，必须更换刀具：
17吋盘刀设计允许的刀圈最大磨损值为：25mm，由于滚刀突出面板的高度为：175mm，比弧形刮刀和切刀，以及齿刀突出面板的高度140mm高出35mm，在实际的使用过程中，为更有效地利用刀圈，我们常常取其最大磨损值为：30mm。36－38号由于安装角度问题（60度），经过计算其值应为12.19mm，常常取其值为15mm。如右图所示：
在强度较高的硬岩地段，我们常选择遵从厂家提出的建议，取刀圈磨损极限值为20mm。这是因为刀圈在制造时淬火的厚度只有20mm，即刀圈硬度较硬的部分只有20mm左右，当刀圈磨损值超过20mm后，其磨损的速度将加剧，刀体遭到破坏的可能性也随之增大。
2.3.2 刀圈弦磨
如滚刀滚压破岩的示意图所示：
促进剂cbs
轴力P使滚刀压入岩石，滚动力矩M使滚刀滚压岩石，两者的共同作用使岩石得到连续的破碎。但在使用过程中，滚刀常常出现因为无法正常转动而造成刀圈非正常的磨损，形成平点，即刀圈弦磨。分析其原因，主要有以下几点：
●地质较软且粘性较大，刀孔容易被堵塞，使掌子面极易形成泥饼从而导致刀具转动困难， 造成弦磨；
●刀具轴承损坏，刀具无法转动；
●刀具启动扭矩过大，启动困难。
塑化剂检测
2.3.3 刀圈断裂与刀体损坏
66ssss双刃滚刀能承受最大的推力为25t，但刀圈承受侧向力的能力较弱，采用
土压平衡模式掘进时，若土仓的土压值较高，刀具的贯入量较大，刀圈会受较大的侧向力而出现移位，甚至断裂的现象。更有可能出现当刀圈受到较大的侧向力时，由于刀体与刀圈的过盈量不够，导致刀圈在刀体上能轻松的滑动，直至将挡圈切断，甚至连挡圈凹槽也一起挤掉。
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