摘要：刀盤作為盾構(gòu)機(jī)的主要工作部件，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中起開挖地層，穩(wěn)定掌子面，攪渣土等功能，盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)刀盤的結(jié)構(gòu)形式和刀具好壞以及刀具的配置形式直接影響盾構(gòu)施工進(jìn)度和盾構(gòu)施工的經(jīng)濟(jì)效益，本文介紹了刀盤的結(jié)構(gòu)、刀具破巖機(jī)理和刀圈失效原因和盾構(gòu)機(jī)穿越不同地層時(shí)的刀具配置形式。
　　關(guān)鍵詞：土壓平衡盾構(gòu)機(jī)；刀盤；刀具；刀圈失效
　　
　　刀盤是盾構(gòu)機(jī)的主要工作部件，在盾構(gòu)施工過程中開挖地層，支撐掌子面，攪拌渣土，施工過程中，其工作條件極其惡劣，受力復(fù)雜，是盾構(gòu)機(jī)檢查維護(hù)的主要部件，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)合刀具配置形式及刀具的好壞將直接影響盾構(gòu)施工能否順利進(jìn)行。
　　一、刀盤結(jié)構(gòu)組成及部件功能
　　刀盤為一焊接鋼結(jié)構(gòu)件，重量達(dá)55噸，開口率28%。其組成部件及其功能如下：
　　整體鋼結(jié)構(gòu)焊接件為刀盤骨架，屬整體鋼結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)中焊接刀箱，為刀具破巖提供支撐力。
　　刀箱與刀盤整體結(jié)構(gòu)焊接用于安裝刀具。
　　中心鑄件與刀盤整體鋼結(jié)構(gòu)件焊接，連接盾構(gòu)機(jī)軸承，傳遞扭矩、推力。
　　攪拌棒焊接在刀盤背面，掘進(jìn)過程中攪拌土倉內(nèi)渣土，使渣土混合均勻改善渣土流動性。
　　泡沫管焊接在中心鑄件支撐壁內(nèi)側(cè)，為泡沫流過刀盤，噴濺到掌子面提供通道。
　　耐磨條焊接在刀盤周圍，減小刀盤結(jié)構(gòu)磨損。
　　另外，在刀盤邊緣滾刀安裝部位焊接耐磨網(wǎng)，減小刀盤結(jié)構(gòu)的磨損。
　　二、盾構(gòu)機(jī)刀具及其破巖機(jī)理
　　刀具是盾構(gòu)施工的重要部件，在盾構(gòu)施工時(shí)，選用什么樣的刀具通常取決于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)通過的地層條件。
　　軟地層條件：正面齒刀、刮刀、切刀適用于軟地層或交替夾有堅(jiān)硬巖層的軟地層情況，其切巖方式為劈下相對大塊的地層，相對于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)硬巖時(shí)，這種破巖方法效率高，盾構(gòu)及掘進(jìn)速度快。
　　巖石地層條件，在硬巖條件下盾構(gòu)機(jī)破巖主要靠盤形滾刀，刀盤旋轉(zhuǎn)帶動刀具掃過開挖面，滾刀對圍巖的擠壓使得巖層表面形成裂紋繼而與掌子面脫落，實(shí)現(xiàn)巖層的成功破碎
　　1．盤形滾刀（17”單刃滾刀）。單刃滾刀用于掘進(jìn)硬巖地層，刀圈高于刀盤面板175mm，其刀圈可以更換，根據(jù)巖石的強(qiáng)度可以選用破巖能力不同得刀圈，同時(shí)根據(jù)開挖地層的條件可以與正面齒刀實(shí)現(xiàn)互換。實(shí)踐表明，單刃滾刀可以較好的應(yīng)用于〈5z-2〉、〈6z〉、〈7z〉、〈8z〉、〈9z〉等地層
　　（1）單刃滾刀的破巖機(jī)理分析。當(dāng)滾刀受載，刀刃切入圍巖時(shí)，巖石表面首先產(chǎn)生局部變形并出現(xiàn)微觀裂紋，此過程為巖石的初期破碎，當(dāng)載荷繼續(xù)增加，滾刀切入巖石深度也相應(yīng)的加深，在滾刀刃端的巖石粉碎破碎，并且又重新被碾壓，圍觀裂紋在刀刃兩側(cè)較快發(fā)展，一些裂紋開始延伸到巖石表面，最后形成幾道主要裂紋并迅速發(fā)展，便形成體積較大的巖石碎塊，繼而崩落，破巖過程如下圖所示：
　　（2）刃尖距對滾刀破巖的影響。實(shí)踐證明，采用盤形滾刀破巖時(shí)，刀尖距和刃間角是十分重要的參數(shù)，所以應(yīng)采用滾刀的最優(yōu)軌跡和位置和刀尖距，才能發(fā)揮滾刀的最佳破巖
　　作用，在巖石條件和滾刀所受正面壓力不變的情況下，巖面上兩相鄰平行切割巖槽間存在著臨界刃間距和最優(yōu)刃間距。臨界刀尖距等于有干涉的兩相鄰平行巖槽的最大距離，當(dāng)間距大于臨界刃間距時(shí)，各巖槽互不干涉，這邊相當(dāng)于單刀獨(dú)立破巖狀況，因此破碎刃口周邊的巖石，則需要刀具多次滾壓巖槽，使切槽不斷加深才能擠壓破落相鄰巖槽間的巖體，此種破巖效果顯然不夠理想，且刀具磨損劇烈。逐漸減小刃間距，達(dá)到理想刃間距時(shí)，破裂的較大巖塊將增多，破巖效率也會增加。若將刀尖距繼續(xù)減小巖石的碎片會變小，分析可知，刀具發(fā)生了不必要磨損，破巖經(jīng)濟(jì)性則降低，刀具消耗量增加。實(shí)際上，盾構(gòu)機(jī)破巖過程中，巖石狀況不可能一成不變，刀具在工作過程中會磨損變頓，這些都會影響盾構(gòu)機(jī)的破巖效率，這種情況下可以通過調(diào)整推力來保證盾構(gòu)機(jī)在最優(yōu)刀尖距下工作，以達(dá)到理想的破巖效果。但必須注意到，在巖質(zhì)變硬，巖石變得很難破碎時(shí)，如無限制增加推力，則會增加刀具承載力，使刀具受到機(jī)械破壞，增加施工成本，因此，刀具布置時(shí)要根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)地層，選擇合適的刃間距，探索滾刀刀刃的極限磨損量，以獲得最佳的掘進(jìn)速度和施工經(jīng)濟(jì)效益。
　　（3）影響滾刀使用壽命的因素。通過施工實(shí)踐表明，影響滾刀的使用壽命很多，主要有：地層條件，如：巖層抗壓強(qiáng)度，RQD指標(biāo)，盾構(gòu)機(jī)操作技術(shù)，掘進(jìn)參數(shù)的選用，滾到處于刀盤的位置，而滾刀自身零部件的工作性能、刀刃材質(zhì)性能則是決定滾刀使用壽命的基礎(chǔ)。
　　（4）盤形滾刀刀刃失效分析。刀圈是影響滾刀使用壽命的關(guān)鍵易損件之一，它直接接觸、破削巖石，承受的力由徑向力、軸向力、切向力組成，同時(shí)刀圈破巖時(shí)產(chǎn)生的沖擊力也是滾刀主要承載力之一。根據(jù)現(xiàn)場施工情況分析，刀圈磨損失效主要有以下幾種形式：①均勻磨損：整個(gè)刀圈均勻磨損，達(dá)到極限磨損量；②非均勻磨損：刀圈磨損不均勻，從外觀上看，刀圈承多邊形、橢圓形，刀圈失圓；③斷裂崩刃：刀刃局部破損，斷口齊整；④刀圈移位：刀圈沿其安裝軸發(fā)生軸向位移；⑤刀圈脫落：刀圈與其安裝軸脫落。刀刃損壞失效的原因很多，如刀圈與刀體配合不佳，刀圈材質(zhì)不良，機(jī)械產(chǎn)生的震蕩，刀具安裝質(zhì)量，在裂隙巖石中刀圈承受很大的力矩或被卡住，盾構(gòu)機(jī)的操作參數(shù)，渣土改良物的使用情況，都會使刀圈產(chǎn)生失效。
　　2．中心雙刃滾刀。中心雙刃滾刀應(yīng)用于硬巖段地層掘進(jìn)，破巖機(jī)理與單刃滾刀基本相同，刀刃高于刀盤面板175mm，由于其處于刀盤中心部位，轉(zhuǎn)動（饒刀盤中心公轉(zhuǎn)）半徑小,
　　雙刃滾刀起動力矩較大，使得其不易轉(zhuǎn)動，中心雙刃滾刀極易發(fā)生弦磨，實(shí)踐表明，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)〈9z〉地層時(shí)，中心雙刃滾刀仍有弦磨的可能。當(dāng)中心滾刀法生弦磨后不能較好的進(jìn)行破巖，使刀盤前方中心部位的巖層接近刀盤面板，呈“凸”字形，這樣使得中心滾刀附近的單刃刀極易發(fā)生刀圈移位。故而在中心滾刀的使用上，需著重注意。
　　3．邊刮刀。邊刮刀安裝與刀盤周邊，呈弧形，其破巖機(jī)理與齒刀相同，但不能與其他類型的刀具互換，在軟土地層中掘進(jìn)時(shí)破巖作用明顯，在硬巖地層中掘進(jìn)時(shí)可以起到刮渣作用。
　　4．小切刀。小切刀的破巖機(jī)理與正面齒刀相同，均為刮削下土體，由于其安裝在刀盤正面渣土流動槽旁邊，即在刀盤轉(zhuǎn)動過程中可以刮下滾刀破損后松動的圍巖，使且削下的渣土通過渣土流動槽直接進(jìn)入土倉，起到刮渣作用。當(dāng)正面滾刀替換成正面齒刀后，齒刀、切刀高出刀盤距離相同。
　　三、刀具配置形式
　　刀具的配置形式，直接影響盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的效率和施工成本，盾構(gòu)機(jī)的開挖性能主要通過刀具的選擇和布置來保證。一般情況下，在軟土地層（〈5z-2〉以下）中掘進(jìn)時(shí)，主要選擇切削性破巖刀具，如：正面齒刀、中心齒刀、切刀等考慮到地質(zhì)條件的變化的風(fēng)險(xiǎn)等因素，邊緣滾刀一般不更換為齒刀。分析刀具在刀盤上的位置可知邊緣滾刀公轉(zhuǎn)半徑大與巖層接觸容易產(chǎn)生較大的驅(qū)動力矩，不宜產(chǎn)生弦磨，另外軟土地曾對滾刀刀刃的磨損較小，滾刀使用壽命較長，經(jīng)濟(jì)性較好。在軟土地層中使用滾刀破巖時(shí)，應(yīng)事先測量道具的起動力矩，盡量配置起動力矩小的刀具，以避免刀具發(fā)生弦磨和布均勻磨損。下圖為盾構(gòu)機(jī)穿越軟土地層的刀具配置圖刀盤配置4把中心齒刀，16把正面齒刀、16把單刃滾刀，64把小切刀，8把邊刮刀，一把超挖刀。在〈6z〉、〈7z〉地層中掘進(jìn)時(shí)，正面滾刀可以代替正面齒刀使用，但中心部位宜采用與中心滾刀互換的中心齒刀，這樣可以增加刀盤中心部位的開口率，減小泥餅形成幾率，提高破巖效率。在〈8z〉、〈9z〉地層中掘進(jìn)時(shí)，刀盤要盡量多的配置盤形滾刀。下圖為盾構(gòu)機(jī)穿越硬巖地層的刀具配置圖。刀盤配置4把中心雙刃滾刀，31把單刃滾刀，64把小切刀，8把邊刮刀，一把超挖刀。
　　四、結(jié)語
　　刀盤作為盾構(gòu)機(jī)的重要工作部件，刀盤的結(jié)構(gòu)形式及刀具配置形式?jīng)Q定著盾構(gòu)機(jī)能否順利破巖和盾構(gòu)施工成本，結(jié)合本工程建設(shè)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該注意一些相關(guān)問題，并采用相關(guān)措施解決。