摘要：刀盤作為盾構機的主要工作部件，在盾構掘進過程中起開挖地層，穩定掌子面，攪渣土等功能，盾構掘進作業時刀盤的結構形式和刀具好壞以及刀具的配置形式直接影響盾構施工進度和盾構施工的經濟效益，本文介紹了刀盤的結構、刀具破巖機理和刀圈失效原因和盾構機穿越不同地層時的刀具配置形式。
　　關鍵詞：土壓平衡盾構機；刀盤；刀具；刀圈失效
　　
　　刀盤是盾構機的主要工作部件，在盾構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，受力復雜，是盾構機檢查維護的主要部件，其結構特點結合刀具配置形式及刀具的好壞將直接影響盾構施工能否順利進行。
　　一、刀盤結構組成及部件功能
　　刀盤為一焊接鋼結構件，重量達55噸，開口率28%。其組成部件及其功能如下：
　　整體鋼結構焊接件為刀盤骨架，屬整體鋼結構件，結構中焊接刀箱，為刀具破巖提供支撐力。
　　刀箱與刀盤整體結構焊接用于安裝刀具。
　　中心鑄件與刀盤整體鋼結構件焊接，連接盾構機軸承，傳遞扭矩、推力。
　　攪拌棒焊接在刀盤背面，掘進過程中攪拌土倉內渣土，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側，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，減小刀盤結構磨損。
　　另外，在刀盤邊緣滾刀安裝部位焊接耐磨網，減小刀盤結構的磨損。
　　二、盾構機刀具及其破巖機理
　　刀具是盾構施工的重要部件，在盾構施工時，選用什么樣的刀具通常取決于盾構機掘進通過的地層條件。
　　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，相對于盾構機掘進硬巖時，這種破巖方法效率高，盾構及掘進速度快。
　　巖石地層條件，在硬巖條件下盾構機破巖主要靠盤形滾刀，刀盤旋轉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，實現巖層的成功破碎
　　1．盤形滾刀（17”單刃滾刀）。單刃滾刀用于掘進硬巖地層，刀圈高于刀盤面板175mm，其刀圈可以更換，根據巖石的強度可以選用破巖能力不同得刀圈，同時根據開挖地層的條件可以與正面齒刀實現互換。實踐表明，單刃滾刀可以較好的應用于〈5z-2〉、〈6z〉、〈7z〉、〈8z〉、〈9z〉等地層
　�。�1）單刃滾刀的破巖機理分析。當滾刀受載，刀刃切入圍巖時，巖石表面首先產生局部變形并出現微觀裂紋，此過程為巖石的初期破碎，當載荷繼續增加，滾刀切入巖石深度也相應的加深，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較快發展，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。實踐證明，采用盤形滾刀破巖時，刀尖距和刃間角是十分重要的參數，所以應采用滾刀的最優軌跡和位置和刀尖距，才能發揮滾刀的最佳破巖
　　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，當間距大于臨界刃間距時，各巖槽互不干涉，這邊相當于單刀獨立破巖狀況，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，達到理想刃間距時，破裂的較大巖塊將增多，破巖效率也會增加。若將刀尖距繼續減小巖石的碎片會變小，分析可知，刀具發生了不必要磨損，破巖經濟性則降低，刀具消耗量增加。實際上，盾構機破巖過程中，巖石狀況不可能一成不變，刀具在工作過程中會磨損變頓，這些都會影響盾構機的破巖效率，這種情況下可以通過調整推力來保證盾構機在最優刀尖距下工作，以達到理想的破巖效果。但必須注意到，在巖質變硬，巖石變得很難破碎時，如無限制增加推力，則會增加刀具承載力，使刀具受到機械破壞，增加施工成本，因此，刀具布置時要根據盾構機掘進地層，選擇合適的刃間距，探索滾刀刀刃的極限磨損量，以獲得最佳的掘進速度和施工經濟效益。
　�。�3）影響滾刀使用壽命的因素。通過施工實踐表明，影響滾刀的使用壽命很多，主要有：地層條件，如：巖層抗壓強度，RQD指標，盾構機操作技術，掘進參數的選用，滾到處于刀盤的位置，而滾刀自身零部件的工作性能、刀刃材質性能則是決定滾刀使用壽命的基礎。
　�。�4）盤形滾刀刀刃失效分析。刀圈是影響滾刀使用壽命的關鍵易損件之一，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，同時刀圈破巖時產生的沖擊力也是滾刀主要承載力之一。根據現場施工情況分析，刀圈磨損失效主要有以下幾種形式：①均勻磨損：整個刀圈均勻磨損，達到極限磨損量；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，刀圈材質不良，機械產生的震蕩，刀具安裝質量，在裂隙巖石中刀圈承受很大的力矩或被卡住，盾構機的操作參數，渣土改良物的使用情況，都會使刀圈產生失效。
　　2．中心雙刃滾刀。中心雙刃滾刀應用于硬巖段地層掘進，破巖機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，轉動（饒刀盤中心公轉）半徑小,
　　雙刃滾刀起動力矩較大，使得其不易轉動，中心雙刃滾刀極易發生弦磨，實踐表明，盾構機掘進〈9z〉地層時，中心雙刃滾刀仍有弦磨的可能。當中心滾刀法生弦磨后不能較好的進行破巖，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，在軟土地層中掘進時破巖作用明顯，在硬巖地層中掘進時可以起到刮渣作用。
　　4．小切刀。小切刀的破巖機理與正面齒刀相同，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入土倉，起到刮渣作用。當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，直接影響盾構機掘進的效率和施工成本，盾構機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）中掘進時，主要選擇切削性破巖刀具，如：正面齒刀、中心齒刀、切刀等考慮到地質條件的變化的風險等因素，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半徑大與巖層接觸容易產生較大的驅動力矩，不宜產生弦磨，另外軟土地曾對滾刀刀刃的磨損較小，滾刀使用壽命較長，經濟性較好。在軟土地層中使用滾刀破巖時，應事先測量道具的起動力矩，盡量配置起動力矩小的刀具，以避免刀具發生弦磨和布均勻磨損。下圖為盾構機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〉地層中掘進時，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〉地層中掘進時，刀盤要盡量多的配置盤形滾刀。下圖為盾構機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、結語
　　刀盤作為盾構機的重要工作部件，刀盤的結構形式及刀具配置形式決定著盾構機能否順利破巖和盾構施工成本，結合本工程建設的實際經驗，應該注意一些相關問題，并采用相關措施解決。