盾構滾刀斷裂失效分析

張 敏/ZHANG Min

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250000）

近年來，隨著我國城市地下軌道交通發展的加快以及建設力度的不斷加大，隧道掘進機（TBM）在地下工程建設中被廣泛應用，土壓平衡（EPB）盾構是一種可平衡開挖面的土壓及地下水壓力的TBM。EPB 盾構不僅對地表干擾較小且掘進效率高，因此在地下工程建設中被廣泛采用。由于盾構不僅要在常見的軟弱地層中掘進，還要在一些高強度與高硬度的硬巖及地質條件復雜的地層中掘進，使盤形滾刀成為掘進過程中最容易損壞及失效的部件，因此盤形滾刀的正常工作直接影響到掘進效率。

盤形滾刀刀圈的失效形式通常有正常磨損、刀圈偏磨、刀圈崩裂及刀圈移位或脫落。國內外許多研究者對滾刀刀圈的不同失效形式進行了研究。Frenzel 認為過沖擊載荷和熱處理缺陷導致了刀圈斷裂[1]；趙金華等人認為國產刀圈磨損主要是因為顯微切削轉變為疲勞剝落，進口刀圈主要是因為切削犁溝變形疲勞[2]；Paez 認為高應力會使刀圈表面疲勞甚至斷裂[3]。

為研究盤形滾刀失效的原因，筆者從現場帶回了失效的滾刀試樣，采用高頻紅外C-S 分析儀、ICP-OES、沖擊試驗機、洛氏硬度計、金相顯微鏡等對盤形滾刀的化學成分、力學性能和顯微組織進行了分析。研究了某隧道工程盾構滾刀失效的原因，并提出了建議。

1 工程概況

某隧道掘進地質主要為中風化灰巖，巖石抗壓強度在在9.4～115.7MPa 之間，平均值為57.48MPa。另外，該隧道中發現有大量的喀斯特洞穴，并且大量充斥著黃褐色黏土，在隧道掘進過程中，滾刀與硬、軟巖交錯接觸，會產生沖擊載荷。EPB 盾構如圖1 所示。

圖1 EPB盾構

掘進過程中失效的盤形滾刀如圖2 所示，在EPB 盾構刀盤上安裝了49 個盤形滾刀，出現刀圈斷裂、局部磨損等失效的盤形滾刀超過40 把，刀具主要失效形式為刀圈斷裂，占更換滾刀的60%，嚴重影響了掘進機的施工效率，特別是在惡劣地質條件下，刀圈斷裂是制約掘進機掘進效率的主要因素之一。

圖2 失效的盤形滾刀

2 刀圈性能檢測與分析

2.1 宏觀斷裂表面檢測

如圖3(a)所示，刀圈從中部向兩個側邊對稱地剝離。如圖3(b)所示，在斷裂表面可以明顯觀察到斷裂原點和輻射條紋。刀圈兩側被剝離，斷裂原點并不位于滾刀刃口，斷裂表面有明顯的磨損跡象，是因為此盤形滾刀在刀圈斷裂失效后繼續工作了一段時間，目前被視為二次斷裂。未發現有明顯的塑性變形，判斷此斷裂類型為脆性斷裂。

2.2 化學成分分析

從失效的盤形滾刀上截取樣塊進行化學成分檢測，刀圈材料為H13 鋼，利用高頻紅外碳硫分析儀測定碳硫含量，利用電感耦合等離子體發射光譜法測定其他元素含量，并將其與ASTM A681《合金工具鋼標準規范》和GB/T 1299-2014《工具模鋼》中合金工具鋼的化學成分做對比，結果如表1 所示。根據測定數據，化學成分符合標準ASTM A681《合金工具鋼標準規范》和GB/T 1299-2014《工具模鋼》的要求，但C含量高于標準值，為0.5%，C 元素能提高鋼的強度和硬度，提升耐磨性，但因此也會導致韌性下降，使得在復雜地質條件及強沖擊工況下較難保證掘進正常進行。

圖3 宏觀斷裂形態

2.3 刀圈力學性能分析

自刀圈刃部至內圈徑向依次等距取點，測量其洛氏硬度。硬度試驗按國標GB/T 230.1-2004《金屬洛氏硬度試驗第一部分試驗方法》進行。檢測結果如圖4 和表2 所示，平均值約為55HRC，但靠近刀刃部位的硬度比刀圈芯部的硬度低。這可能是在掘進過程中滾刀受到高溫，對刀刃部位起到回火軟化作用，導致了硬度有所下降。

在室溫條件下，按國標GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘試驗方法》標準對金屬材料進行沖擊測試，測得刀圈的外緣、內緣和內圈的沖擊韌性分別為3.83J/cm2、4.74J/cm2、6.32J/cm2，表明從外緣到內圈沖擊韌性逐漸增加。高韌性內圈抗強沖擊，但外緣韌性較低，在強沖擊工況下易產生裂紋。同時，相比其他廠家制造的滾刀，此滾刀刀圈邊緣沖擊韌性也較低，例如在同一項目中使用的其他制造商的滾刀，從施工現場取回刀圈樣品并進行測試，結果表明，這些制造商生產的刀圈外緣沖擊韌性在6J/cm2以上。

表1 刀圈的化學成分 （wt%）

圖4 硬度測試位置

刀圈硬度與沖擊韌性等力學性能主要由元素含量以及熱處理決定。不同的熱處理工藝會導致刀圈性能有差異。淬火加熱溫度決定晶粒度，淬火冷卻速度左右生成的組織，回火溫度決定最終的硬度水平[4]。

2.4 金相組織分析

從失效的滾刀刀圈斷裂周圍區域截取光學顯微鏡試樣。刀圈的金相組織如圖5 所示，斷裂處的金相組織主要為點狀滲碳體和馬氏體，晶界不是十分清楚。圖5 表明斷裂附近的金相組織存在大量帶狀沉淀物，這降低了材料性能，也使得刀圈在強沖擊下易產生裂紋。

圖5 斷裂附近的金相組織（×750）

3 結論

1）此工程中所用滾刀的刀圈材料不符合H13鋼標準，是因為其他各元素在規定范圍之內，但C 元素的含量比標準要高，雖然這會提高刀圈的硬度和強度，但同時也會降低刀圈的韌性。

2）刀圈的宏觀斷口顯示，斷裂是由中部向兩側擴展，與垂直方向一致，其斷裂類型為脆性斷裂。

3）該工程實際工況是一種有著復雜地質條件，軟硬巖交替及沖擊力強的巖溶地層。滾刀刀圈的本身性能缺陷使之難以適應這種工況，極易斷裂失效。

4 建 議

1）嚴格控制刀圈的選材和熱處理工藝，使刀圈不僅有一定的硬度，而且具有強韌性，保證刀圈具有良好的力學性能。

2）從刀圈與地質條件適配角度出發，根據巖石的硬度和抗壓強度的不同及不同的地質條件，選擇合適的刀圈與之相匹配，減少刀圈失效的發生，保證掘進效率。O