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盾构机刀盘常见故障及原因分析
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。
刀盘泡沫管路图
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：
2.3.1刀圈极限磨损
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：
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。
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。
润滑油泄漏主要与刀具密封的耐压、耐高温能力有关。
根据硬岩掘进机的经验（TBM），损坏的刀具中，有70％都是因为刀具密封失效而遭到破坏的。
庞万力刀具密封能承受的最高温度为80度，最高能承受的水压和气压能达到10bar，对盾构机施工来说，前者是在掘进过程中应主要考虑的一方面。
在S179通过深圳地铁【福－会】区间竖井回填段时，就出现由于土仓内温度太高（刀盘中心部位达到了100度），超过了刀具密封能承受的最高温度，因此造成部分刀具因润滑油泄漏而导致轴承损坏，致使刀圈弦磨，不得不更换新刀的情况。
刀具过载主要由作用于刀盘的推力过大引起。
双刃滚刀轴承能承受的最高静载荷压力为25t，在连续工作的状态下，这个值会降低到20t，若作用于刀具轴承的推力大于20t，甚至超过25t，会导致刀具轴承被压溃，使刀具无法正常转动，导致刀具遭到更严重的破坏。
2.4刀座与面板磨损
在正常掘进时，滚刀，弧形刮刀和切刀对刀座与刀盘面板有保护作用，避免他们直接与掌子面接触而产生磨损。
当滚刀，弧形刮刀和切刀在硬岩段因损坏或严重磨损而无法起到屏障作用时，弧形刮刀刀座，切刀刀座，滚刀刀座和刀盘面板不可避免的与硬岩直接接触，因为他们的材质远不如滚刀刀圈的材质，耐磨性能低，所以往往在1－2环之间，就会造成严重的磨损或损坏。
S179在深圳地铁【福―会】区间施工时就碰到类似问题：
从497环到498环掘了700mm共2.2m左右，因为从27－28号刀位到36－38号范围内的滚刀全部损坏，造成所有的刮刀刀座与部分区域的刀盘面板被严重磨损，见下图。
单面刀座双面刀座
3．解决方法
3.1现场处理
3.1.1立柱焊缝开裂
用气刨将含有裂纹的焊缝刨去，视裂纹在焊缝深处的发展情况和连接件的尺寸来决定需要开多大的坡口，采用什么样的焊接工艺。
因为作用于刀盘的推力和扭矩主要由与立柱相接的2块厚度达40mm的侧板来承受，若此处有裂纹产生，必须保证此处的焊接质量，不能靠通过在两个焊接件之间加钢板来简化焊接工艺和节省焊接时间，必须用焊条（一般采用506）一点点地将缝填满。
若裂纹的宽度较宽，可以采用将刀盘转到一个合适的位置，使操作人员采用平焊的方法就能进行焊接，在保证焊接质量的同时，能简化焊接的工艺，降低焊接难度，提高劳动效率。
3.1.2泡沫孔堵塞
就如前面的分析，由于设计上的原因，泡沫孔疏通是一项比较难的工作。
当地质条件较好时，可以将旋转接头拆除，从刀盘面板的泡沫管出口和旋转接头的泡沫管进口分别用高压水枪和管道输通机同时疏通，以我们实践的经验，成功的几率较大。
但在掘进过程中，泡沫孔极易被再次堵塞，而且从掌子面疏通还受到地质条件的限制，因此，要从根本上解决问题，需要从设计上改进。
当然，若主司机能够提高操作技巧，更好的掌握泡沫添加的时机和数量，在一定程度上也能有效地降低泡沫孔堵塞的几率。
3.1.3刀具磨损与损坏
刀具是盾构机掘进的最终执行元件，刀具的好坏，磨损的严重程度直接影响掘进的效率，同时，较好的刀具状况，对掘进过程中进行刀盘的保护十分有利，因此，凡是磨损达到极限值或已损坏的刀具需立即更换。
在更换刀具时，我们遵循以下2个原则：
●相邻刀位的刀具磨损量相差不能太大（10mm）；
●高刀位的刀具尽量使用新刀，磨损不大的可以调换至低刀位继续使用。
3.1.4刀座与面板磨损
磨损刀座的现场处理方法视刀座磨损（损坏）的程度而定：
对磨损不严重的刀座，采用焊接的方法进行修复；对磨损严重的，采用简单的焊接不能恢复原有尺寸的刀座，只能采用其它的维修方法。
以刮刀刀座为例，其它的维修方法目前主要有两种：
一种是将新刮刀直接焊接在磨损的刀座上；另一种是将旧刀座割除，在原位置上焊接新的刀座。
两种方法各有千秋，但总的说来，第一种方法只能作为应急手段，在剩余区段长度不是很长（以外国维修的经验，一般不超过20环）时，可以采用，若超过20环，应采用第二种方法。
采用第二种方法进行维修时，有以下几个方面需要注意：
●地层的稳定性
维修时，割除与焊接的工作量很大，需耗费大量的时间，在地层稳定性较弱的地层，为确保安全，需采用旋喷、压密注浆或者两者相结合的方式对地层进行加固，以使其在较长的一段时间内保持稳定；
●施工场地
城市地铁施工，受很多条件的限制，尤其在施工场地方面。
地表有高层
建筑、立交桥与繁华的商业街，地下各种各样的管线纵横交错，如何安全、快速的进行地层加固，又不影响居民的正常生活秩序，需提前做好沿线地质水文情况的调查及相关场地与时间的协调工作；
●配件供货周期
刮刀刀座不属于易损件，库存量一般都很小，而且刮刀刀座损坏都是大
面积的全部损坏，所需数量较大，且刀座供货、加工周期较长，需提前做好配件购买或加工的联系工作。
3.2技术改进
技术改进包括施工技术改进和设备改进，两者相互促进又相互制约：
施工技术改进能更好的改善设备工作环境，延长设备的使用寿命，设备改进给施工技术改进提高了一个更好的平台和发挥的空间；反之，很差的设备状况使施工技术改进有心无力，没有实际的意义，落后的施工技术又使先进的设备无用武之地。
3.2.1施工技术改进
在盾构施工中，施工技术改进主要体现在以下几方面：
●如何提高地质预报的准确性；
●如何较准确的评价、分析各种地层对刀具、刀盘的磨损和破坏程度；
●如何提高施工的灵活性，针对不同的地层，如何正确地选择掘进模式和掘进参数；
●如何提高盾构操作技巧，降低破坏设备和影响工程质量的人为因素。
3.2.2设备改进
S179和S180刀盘主要存在三大问题：
●泡沫孔易堵塞；
●刀盘的受力情况无法监控，若总推力过大，刀盘可能过载；
●刀盘无法后退，硬岩地段换刀困难。
通过与海瑞克公司的技术交流，在进行广州地铁三号线刀盘制造时，泡沫管路在设计上做了很大的改进。
如下图所示：
改进了安装在泡沫管路的刀盘面板出口处单向阀的结构，并将泡沫管路更改为外置可拆卸式。
增加的单向阀能有效地防止泥碴进入泡沫管路，减少泡沫管发生堵塞的可能性；外置可拆卸式的设计使我们可以在泡沫管发生堵塞时进仓进行拆卸疏通，经过在广州地铁三号线【大－汉】区间近200环的实践证明（目前，未发生一次泡沫孔堵塞的情况），这种改进较好的解决了泡沫管堵塞的问题。
改进后的泡沫管路图
关于刀盘推力监控与刀盘后退的问题，我们也做了探讨，如下图所示，增加刀盘调整机构可以解决这个问题。
刀盘调整机构由三个带有压力传感器的油缸组成。
通过三个不同位置的压力传感器反馈的不同的压力值，我们可以判断刀盘的承载情况；通过调节三个油缸的溢流压力，可以限定刀盘能够承受的最大推力，从而对刀盘起到保护作用。
在硬岩地段换刀时，通过调整机构可以将刀盘回收200mm，给刀具更换提供了足够的空间，降低了换刀时工人的劳动强度，大大提高了换刀的工作效率。
3.3信息收集与整理
解决一个问题的方法很多，不同的人，选择的方法可能不同，及时收集、整理不同的处理问题的方法，分析、比较其优劣，进而总结出一种更有效的、操作性更强的、耗时耗材更少的方法，对整体技术水平的提高能起到有效的促进作用。
同时，及时的总结与广泛的交流相结合，努力提高我们的工作质量，那么工程质量的提高就是水到渠成的事。
4.主要参考资料
（1）日本铁道建设公团《盾构隧道设计施工指针》，1999年8月版；
（2）广州地铁三号线【大石－汉溪南】投标书；
（3）海瑞克公司提供的盾构机技术资料。
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