盾构机刀盘常见故障及原因分析

泡沫口搅拌棒仿行刀滚刀耐磨条周边开口

开口槽

切刀弧形刮刀 刀盘结构图 盾构机刀盘常见故障（损坏）及原因分析

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

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

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

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：

图一图二

1．裂纹长度较长，最长的一条长420mm；（图一）

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。

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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 －38号由于安装角度问题（度），经过计算其值应为12.19mm 常常取其值为15mm 。 取刀圈磨损极限值为20mm 有20mm 只有20mm 左右，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：

滚刀滚压破岩示意图

1、断裂体

2、碎断体

3、

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。

2.3.3 刀圈断裂与刀体损坏

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。

挡圈凹

槽位置

刀圈断裂挡圈凹槽被挤掉

2.3.4 漏油与轴承损坏

刀具轴承损坏会导致刀圈弦磨，甚至磨到刀体，使刀具无法再次使用。造成

刀具轴承损坏有两个主要的原因：刀具润滑油的泄漏和刀具过载。