土压平衡盾构机刀盘结构介绍和维护

土压平衡盾构机刀盘结构介绍和维护单位：中铁十四局隧道公司长株潭一工区姓名：王岚内容提要：本文介绍了盾构机刀盘的结构、刀具的类型、刀具破岩机理和维护。

关键词：盾构机；刀盘；刀具；刀具磨损；刀具维护刀盘是盾构机的切削工具，是盾构机的主要工作部件。

刀盘旋转时，刀具切削隧道掌子面的土体，对掌子面的地层进行开挖，开挖后的碴土通过刀盘的开口进入土仓；同时支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能；对于土压平衡盾构，刀盘对土仓内的碴土进行搅拌，使碴土具有一定的塑性，然后通过螺旋输送机将碴土排出。

施工过程中，其工作条件极其恶劣，受力复杂，是盾构机检查维护的主要部件，其结构特点结合刀具布置形式及刀具形状是否适合应用工程的地质条件，直接影响到盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。

1.刀具的选择对于不同地层的开挖，盾构的刀具通常采用不同型式：开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀；地层为较软岩石时，采用齿刀；地层为软土或破碎软岩时，可采用切刀或刮刀。

2.刀具的布置刀具的布置有两种方式:（1）刀具整体连续排列方式，因其切削阻力较大，盾构机密封舱内土体流动性差，现已很少使用，仅偶尔在切削阻力小的淤泥质地层中采用。

（2）刀具牙型交错连续排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌而被广泛使用。

目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。

3.常用的主要刀具种类盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。

根据不同地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合，实现刀具配置的灵便性，提高刀盘的开挖效率。

目前盾构机上常用的主要刀具有切刀、刮刀、齿刀、双刃滚刀、单刃滚刀等。

图1 刀具的示意图和实物照片3.1滚刀3.1.1滚刀的分类滚刀分为单刃滚刀和双刃滚刀。

盘形滚刀刀圈盘形滚刀单刃滚刀双刃滚刀单刃滚刀也叫盘形滚刀，用于硬岩地层的掘进，刀圈高于刀盘面板175mm,其刀圈可以更换，根据岩石的强度可以选用破岩能力不同的刀圈。

掌子面与刀盘面间碴土空间大，利于流动，可根据开挖地层的条件与齿刀实现互换，所以它们的刀座相同。

双刃滚刀：双刃以上的一般都是中心滚刀，所以双刃滚刀也叫双刃中心滚刀。

双刃滚刀应用于硬岩段地层掘进，破岩机理与单刃滚刀基本相同，刀刃高于刀盘面板175mm,由于其处于刀盘中心部位，绕刀盘中心公转半径小，双刃滚刀起动力矩较大，使得其不易转动，中心双刃滚刀极易发生弦磨。

当双刃滚刀发生弦磨后不能较好的进行破岩，使刀盘前方中心部位的岩层接近刀盘面板，呈“凸”字形，这样极易使得中心滚刀附近的单刃刀发生刀圈移位。

双刃滚刀在软土中可以换装齿刀。

安装在刀盘上的盘形滚刀在千斤顶的作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘转滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。

滚刀在刀盘的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圆沟槽。

当推力超过岩石的强度时，盘形滚刀刀尖下的岩石直接破碎，刀尖贯入岩石，形成压碎区和放射状裂纹；进一步加压，当滚刀间距S满足一定条件时，相邻滚刀间岩石内裂纹延伸并相互贯通，形成岩石碎片而崩落，盘形滚刀完成一次破岩过程。

3.1.2硬岩滚刀破岩的步骤（1）挤压阶段：滚刀在高推力作用下，切入岩石表面（切入深度1~10／15mm，取决于岩体强度），同时岩面产生局部变形及很高的接触应力。

并在此应力作用下，刀刃与岩石接触部分的岩体产生粉碎区，即应力核心区。

此核心区深度越深、范围越大对提高破岩效率越明显。

（2）起裂阶段：沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉强度或抗剪强度时，便产生张拉裂缝。

该裂缝是滚刀能否破岩的先决条件。

在应力核心区下层是应力过渡区，该区为应力衰减区，对岩体裂缝的产生不起控制性作用。

在刀刃正下方分布有主裂缝，由于其方向与破岩方向一致，因此也不能显著地提高破岩效率，但能加大下个循环中压入阶段应力范围。

（3）破碎阶段：当相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互连通时，表面部分岩体便被裂缝分割，形成碎片并脱离开挖面。

3.2齿刀弦磨齿刀破岩机理图齿刀应用于软土地层掘进，刀刃高于刀盘面板140mm,盾构机掘进时，刀盘转动带动刀刃直接切入围岩刮下土体。

齿刀在软土地层掘进时，磨损部位两个刀刃的中间位置，中间磨损部分经用耐磨焊条堆焊后，扔可继续使用。

但在刀具碰到较硬地层或者刀刃支撑部位磨损严重时，容易产生硬质合金块崩落现象，当刀刃崩落较为严重时，须重新镶嵌合金块。

在岩石较软的情况下掘进时，由于盘形滚刀与岩石掌子面之间不能产生一定的附着力，将导致滚刀不能滚动而产生弦磨，滚刀不能滚动将失去有效的破岩功能。

因此，在较软的岩层中应将部分盘形滚刀更换成齿刀，利用齿刀进行破岩。

由于齿刀上装有2个切削刃，因此刀盘正反转时齿刀都能进行破岩。

3.3切刀切刀是软土刀具，图示斜面结构利于软土切削中的导渣作用，同时可用作硬岩掘进中的刮渣。

切刀的破岩机理与齿刀相同，均为刮削下土体，由于其安装在刀盘正面渣土流动槽旁边，即在刀盘转动过程中可以刮下滚刀破损后松动的围岩，使其削下的渣土通过渣土流动槽直接进入土仓，起到刮渣作用。

当滚刀替换成齿刀后，齿刀、切刀高出刀盘距离相同。

3.4刮刀刮刀呈弧形，安装与刀盘周边，也叫弧形刮刀。

软土刀具，斜面结构，利于碴土流动。

其破岩机理与齿刀相同，不能和其他类型的刀具互换。

同时在硬岩掘进下可用作刮渣。

刮刀是一种装配了超硬刀头的特殊挖掘工具。

安装在刮刀底座上并能从背面更换。

3.5仿形刀盾构机一般设计两把仿形刀（一把备用），布置在辐条的两端。

施工时，可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从辐条两端径向伸出和缩回仿形刀，达到仿形切削的目的。

仿形刀伸出最大值一般在80~130mm之间。

盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削土体创造所需空间，保证盾构机在超挖少、对周边土体干扰小的条件下，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏。

4.刀具磨损的分析土压平衡盾构机的刀盘根据地质条件的不同一般分软土和硬岩两种刀盘布置形式，软土区刀盘的布置形式是以齿刀为主辅以边缘滚刀和刮刀，硬岩刀盘的布置形式是以滚刀为主辅以刮刀。

刀具是盾构机的一个非常重要的组成部分，对刀具地合理选择、使用、维护和更换，直接决定盾构掘进工程的质量、进度和工程成本。

所以对盾构机刀具磨损情况地分析尤为必要。

4.1滚刀刀具的磨损及原因（1）正常磨损（Normal Wear）滚刀的“Normal Wear(正常磨损)”是指切削环均匀磨损到特定的程度。

磨损程度可以用样板测量出来。

（2）堵塞负荷（Clogging Bearing）如果滚刀转不到隧道面，因为隧道面和切削环之间的相对运动使得切削环承受单面的磨损，形成一个扁平的切削环。

（3）切削环龟裂或裂口（Fissures or Breakage at the cutting ring）触点压力过大或者翻转抵到过硬的物体，都会导致切削环破损。

如果切削环在两个点有破损，则切削环或其部分就会因此掉落在挖掘仓内。

（4）切削环严重变形（成蘑菇状）(Strong Deformation of the cutting ring(Mushrooming)) 如果刀盘用于隧道面的工作表面拓宽了，并在外围发生了变形，形成了蘑菇状，即所谓的“蘑菇状切削环”。

（5）带缺陷的辊轴套（Defective Roller Casing）滚落的金属（脱落的切削环部分、螺钉等），会使保护套被损坏或在提升设备和密封固定器之间发生死锁，会出现密封护圈，那样就会阻止碟状刀具绕着其本身的轴心转动。

（6）裂环磨损或遗失开裂的环阻止切削环与碟状刀具轴心并行移动。

如果切削环遗失，或因为严重磨损，必定会很快遗失，则碟状刀具必须更换。

（7）滚刀漏油由于密封件的损坏，就可能使密封油泄漏，从而导致油封座和轮毂的损坏。

（8）轮毂磨损刀盘和渣土不间断的摩擦，使得滚刀轮毂也发生严重磨损。

（9）油封座损坏由于漏油使得油封座损坏（10）轮毂或油封座损坏刀圈如果在金属物（掉了的刀圈或螺帽）上滚动，轮毂或油封座有可能被卡住，就会妨碍刀圈绕着滚刀中心轴自由转动。

（11）滚刀的多边形磨损在掘进时滚刀时转时不转，或者在某个点转动时间长在其它点转动时间短，就会产生这样的磨损。

4.2齿刀、正面区刮刀和边缘区刮刀的磨损及原因（1）齿刀磨损正常磨损：齿刀切削土层和砂砾层所形成的磨损。

异常磨损：由于换刀不及时在硬岩区的磨损。

（2）正面区刮刀磨损正常磨损：刮刀刮削土层、砂砾层和被滚刀挤碎的岩层时所形成的磨损。

异常磨损：由于滚刀刀圈掉落，在刀盘同一周上的刮刀就直接承受掘进工作面的载荷，刮刀和掘进工作面的相对摩擦，就导致刮刀严重偏磨。

（3）边缘区刮刀正常磨损：刮削土层、砂砾层和边缘滚刀挤压后的岩层时所形成的磨损。

异常磨损：由于边缘滚刀刀圈掉落或者边缘滚刀磨损严重超限，边缘滚刀开挖掘进工作面的径向尺寸小于边缘刮刀的径向尺寸，边缘刮刀被迫直接挤压在掘进工作面上运动，导致刀具磨损。

5.刀盘的维护刀盘是TBM是切削工具。

因此，有必要按照地质情况来检查刀盘。

经验证明，解决了首次障碍后，要直接进行刀盘的首次检查。

而后，每次掘进最多100米之后，刀盘都必须定期检查。

在检查过程中，必须检查刀具的破损情况。

重要检查点有：格栅条、吊桶开口、磨损保护设施。

诸如蝶状刀具、切削刀片、吊桶等工具，必须检查其磨损情况，相应的刀盘检查日志必须保留。

另外，必须检查固定材料的完整性和紧固扭矩。

使用损坏的或工具不完整的设备进行挖掘，会对刀盘造成严重损坏。

检查时间间隔可能由于地质条件而有很大的变化。

然而，每个轮班至少要检查一次。

无论任何时候，如果地质条件发生了变化，要求对刀盘进行一次检查。

刀盘由以下相关的维护部件组成：结构、刀具、耐磨板。

（1）结构对于动力传输相当重要。

振动，撞击及误操作会导致极大的损伤风险。

因此必须定期检查。

（2）刀具磨损严重或缺失，必须马上进行更换。

刀具和耐磨板的维护不力或过晚，会引起结构磨损、刀箱损伤、机器损坏。

因此必须小心施工并预先维护。

5、1更换刀盘刀具在开始进行刀盘工具更换前，要做好以下准备：（1）停止掘进周期。

将操作模式转变为“STOP（停止）”模式(推进油缸)。

（2）确保刀盘及螺旋输送机在维护期间不可被启动。

（3）确保提供足够的压缩空气。

（4）人员通过人孔闸进仓。

（5）借助吊具运送刀具至工作区域。

（6）使用服务控制板转动刀盘至合适位置。

（7）将换刀平台，护栏及吊具分别固定在各自相应的位置上。

挖掘工具的更换需要十分严格和仔细。

安装新的挖掘工具前，引导和支撑表面必须经过严格清洁和检查。

这是保证挖掘工具与工具固定架正确安装和使用准确扭矩紧固的唯一方法。

推荐使用新的紧固零件（螺钉、螺母等）。

任何挖掘工具的不正确安装都会导致严重的损坏：例如，挖掘工具、工具固定架和平板货车的松散和破坏，甚至可能是刀盘的破坏。

如有必要，在重装和更换之前，必须检查工具固定架、固定轴，千斤顶垫块和楔子是否破损（螺纹、固定器、表面等）。