影響盾構(gòu)機(jī)滾刀使用壽命的因素分析

任 燕

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西太原 030032)

廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道位于東涌站—虎門站區(qū)間。線路出東涌站后，自沙公堡起，以隧道下穿小虎瀝、小虎島、沙仔瀝、沙仔島、八塘尾水道、獅子洋水道、虎門港沙田港區(qū)6號泊位、規(guī)劃虎門港的監(jiān)管保稅倉庫及沿江高速公路后出地面。

隧道全長10 800 m，是目前國內(nèi)隧道最長、標(biāo)準(zhǔn)最高的水底隧道，同時也是世界上速度目標(biāo)值最高的水底隧道，是廣深港客運(yùn)專線的控制性工程。盾構(gòu)隧道從上到下地層依次為:人工填土層、海陸交互相沉積層(粉質(zhì)粘土層、淤泥層、淤泥質(zhì)土層、粉土層、粉細(xì)砂層、中砂層、粗砂層、礫石卵石層)、沖積層(粘性土層、淤泥質(zhì)土層、粉細(xì)砂層、中砂層、粗礫砂層、礫石卵石層)、殘積土層、基巖(全風(fēng)化巖層、強(qiáng)風(fēng)化巖層、弱風(fēng)化巖層)。

2008年2月8日我部盾構(gòu)掘進(jìn)正式始發(fā)，至今已有1.5年時間。期間我們通過不懈努力針對獅子洋隧道的地質(zhì)變化，摸索出專門應(yīng)對不同地質(zhì)變化的刀具調(diào)整及使用經(jīng)驗。截至2009年8月31日，盾構(gòu)掘進(jìn)已過半，根據(jù)地質(zhì)報告并結(jié)合我部現(xiàn)階段施工特點，復(fù)雜地質(zhì)情況已全部順利通過，剩余部分均為全斷面巖層且?guī)r層較軟，中間夾雜有少量破碎帶，地質(zhì)情況相對比較穩(wěn)定非常有利于盾構(gòu)掘進(jìn)。在全斷面巖層中施工風(fēng)險大大降低，換刀頻率也隨之降低。由于地質(zhì)情況復(fù)雜刀具的用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計數(shù)量，根據(jù)當(dāng)前地質(zhì)情況分析刀具的消耗已成為最大的必需消耗品之一。其中刀具磨損主要集中在上軟下硬、復(fù)合地層、全斷面風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖這三種地層。

根據(jù)施工經(jīng)驗影響盾構(gòu)刀具使用壽命的主要因素有以下8點:

第1點:刀具與地質(zhì)不相適應(yīng)。

在刀盤設(shè)計過程中對地質(zhì)情況不完全了解或完全脫節(jié)，引起刀具分布/配置不合理(如:破巖能力差、刀盤/刀具偏磨、頻繁換刀、刀盤/刀座變形等)。在施工中主要表現(xiàn)為掘進(jìn)困難，刀盤變形、磨損盾殼、刀具磨損嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，增加施工風(fēng)險和成本。

在現(xiàn)階段施工過程中與地質(zhì)不相適應(yīng)的主要是指滾刀破巖能力差引起的推進(jìn)困難、推進(jìn)扭矩大。刀具破巖能力的強(qiáng)弱由刀圈的強(qiáng)度和刃口形狀決定(刃口有圓弧形和方口形兩種，刀圈分為普通刀圈和重形刀圈)。

充分證明更換新刀圈之后掘進(jìn)比較困難，因為刀圈刃口只有磨損后才能達(dá)到最佳破巖狀態(tài)。

由此可見方口形刀圈的刃口要磨損與圓弧形刀圈磨損成相比較困難，所以在現(xiàn)該地層圓弧形刀圈更有利于破巖。

第2點:偏磨位置刀具的正確安裝。

刀具偏磨是盾構(gòu)掘進(jìn)中常見的磨損形式之一，偏磨的形式有單邊磨、多邊磨兩種，其中影響刀具安裝的主要是單邊磨。單邊磨損過的刀具，在開挖面刀具軌跡線位置會出現(xiàn)一條圓弧凸出部分(見圖1)。

圖1 偏磨刀具

當(dāng)換裝新刀時，新刀安裝位置已被開挖面凸出部分占據(jù)，此時所安裝刀具只能施加外力將刀圈擠壓到開挖面內(nèi)，這樣新刀才能安裝在刀盤(見圖2)。

圖2 新刀安裝示意圖

在刀盤轉(zhuǎn)動時刀圈上主要受力有F1擠壓力、F2圓周力、因擠壓力而產(chǎn)生的與圓周力F2反向的摩擦阻力。當(dāng)新刀裝好后刀盤轉(zhuǎn)動時必須要克服摩擦阻力，圓周力F2也會隨之增大。真正作用在刀圈上的力是以上各個分力的合成(即最大合力F3)，當(dāng)F3大于刀圈強(qiáng)度時，刀圈就會出現(xiàn)斷裂。

因此偏磨刀具的正確安裝方法應(yīng)該是分步驟逐步換裝，磨損程度不同的兩種以上刀具，將挖開面的凸出部分依次逐漸切削至與其他切削面相同高度。此時才能對偏磨刀具進(jìn)行更換，否則新刀在安裝過程中刀圈斷裂的現(xiàn)象也會成倍增加。

第3點:產(chǎn)生安裝變形、內(nèi)應(yīng)力。

在刀具裝配過程中最易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的地方是刀圈裝配時，因為刀圈與刀轂配合時要求過盈量在0.2 mm左右，在裝配前需要對刀圈進(jìn)行加熱到190℃，但是加熱溫度不能超過230℃(達(dá)到這個溫度時就會影響熱處理工藝)，保溫90 min以上。刀圈膨脹后就可以順利地裝入刀轂。

刀圈裝配產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力主要是由于加熱溫度不到位、保溫時間不夠、裝配不及時造成的冷變形不均勻收縮等產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。這種應(yīng)力的產(chǎn)生主要集中表現(xiàn)在已修復(fù)刀具在吊裝運(yùn)輸過程中，外部沖擊力作用下刀圈斷裂，以及在高溫天氣條件下對新修復(fù)刀圈保管不到位，在廣州地區(qū)高溫直射且多雨的天氣里，刀圈熱膨脹引起內(nèi)應(yīng)力變化，雨水突然降落此時已修復(fù)刀具的刀圈會炸裂。因此解決這類問題嚴(yán)格控制安裝工序和主要參數(shù)指標(biāo)，做好刀具保管存放。

第4點:浮動密封的靜、動態(tài)調(diào)試。

滾刀浮動密封主要功用是隔離刀體內(nèi)部與外界環(huán)境，一套浮動密封由上下相同的兩部分組成，滾刀轉(zhuǎn)動時浮動密封一側(cè)固定，別一側(cè)隨刀圈的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。浮動密封的質(zhì)量性能要求非常高，在浮動密封不能正常工作或者是不能保壓時，浮動密封性能一受到影響，此時刀體內(nèi)部必定會有泥漿進(jìn)入，泥漿進(jìn)入刀體內(nèi)時刀具軸承必定會全部損壞因而導(dǎo)致刀圈無法轉(zhuǎn)動，從而引發(fā)刀具偏磨現(xiàn)象，更嚴(yán)重時會發(fā)刀圈斷裂、偏磨刀轂、以及磨損刀盤的嚴(yán)重后果。

以上所述問題均由浮動密封安裝不到位、安裝清潔度不夠、密封質(zhì)量問題引起。要解決此類問題關(guān)鍵是對已裝配刀具進(jìn)行動、靜態(tài)保壓試驗。

在刀具調(diào)試過程中，第一步進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試其主要內(nèi)容是在上端蓋注油口處，增加一個氣管密封裝置和壓力表一個，接入氣源保證氣壓在8 bar時保壓60 min，來檢驗浮動密封在靜止?fàn)顟B(tài)下的密封性。浮動密封的動態(tài)調(diào)試要根據(jù)不同安裝位置而定，并且與刀具的軌跡線有直接關(guān)系，由于每一把刀具在刀盤上的安裝位置不同，不但導(dǎo)致每一把刀的運(yùn)動軌跡不同，且每一把刀轉(zhuǎn)動時的線速度也不同，也就是說刀盤每轉(zhuǎn)一圈刀盤外圈位置的刀具工作量最大、中心位置最小。

為了便于刀具的檢測試驗，要求對所有刀具按照最大工作量進(jìn)行動態(tài)調(diào)試。以開挖面最大直徑11.182 m、刀盤以每分2.5轉(zhuǎn)計算得出總長度為87.77 m、刀圈周長1.35 m、測試刀具每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為65轉(zhuǎn)。動態(tài)測試就是在刀圈以每分鐘65轉(zhuǎn)時，壓力達(dá)到8 bar并保壓30 min，只要滿足這個要求動態(tài)測試才算合格。

影響浮動密封的因素很多，例如:

1)灰層對密封平面影響。2)在安裝時工人隨手用柴油與密封膠圈接觸，它對膠圈有腐蝕性，破壞密封性。3)密封平面沒成套使用，因為同一套密封中的兩個鋼圈密封平面，是在同一臺精密磨床上，同時成形的。4)密封鋼圈取出后要密封面向上，水平放置不能有任何磕碰。

第5點:啟動扭矩調(diào)試。

刀具調(diào)試中啟動扭矩不是一個常數(shù)，不同的安裝位置、不同的地質(zhì)情況的扭矩都各有不同。在刀具調(diào)試中扭矩大小是最重要的參數(shù)，它是將單純的機(jī)械裝配與盾構(gòu)地質(zhì)情況相結(jié)合，以保障盾構(gòu)順利掘進(jìn)。根據(jù)前期經(jīng)驗總結(jié)和相同地質(zhì)條件下的其他在建工程證明，如果刀具啟動扭矩與地層不相適應(yīng)，刀具磨損量是正常情況的3倍以上。

根據(jù)現(xiàn)階段我工地地質(zhì)條件的特點，每次換刀后都要仔細(xì)觀察刀具的磨損部位、磨損情況并詳細(xì)統(tǒng)計記錄。針對出碴情況與刀具磨損情況對刀具進(jìn)行調(diào)整，通過2次～3次的調(diào)整后就可以全面掌握該種地質(zhì)情況下刀具啟動扭矩應(yīng)該設(shè)多大為宜。

通過多次對扭矩的調(diào)整，實踐中充分證實在全斷泥質(zhì)粉砂巖、巖層抗強(qiáng)度在40 MPa～60 MPa且石英含量不高時，刀具啟動扭矩24 n/m是最佳的。

啟動扭矩的調(diào)試對于任何一個工程而言都是不一樣的，不能一概而論給它下一個定值，根據(jù)施工經(jīng)驗一般地質(zhì)只能在20 n/m～30 n/m之間進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試過程中調(diào)整幅度不宜過大(每次應(yīng)控制在1 n/m～2 n/m)。影響啟動扭矩的外界因素還有很多，例如:刀具隨意堆放，沒有作防雨措施或防雨措施不完善，雨水通過上下端蓋和刀轂的間隙，滲入刀體就會引刀轂內(nèi)部生銹及污染潤滑油等都會影響刀具的不正常磨損及整個刀體損壞。

第6點:活塞損壞。

活塞是大埋深地質(zhì)隧道中專用刀具的一種特殊部件，它是一個壓力平衡裝置。在盾構(gòu)掘進(jìn)時開挖面切口水壓不斷地波動，活塞桿(圖3中序號5)在刀具所處位置水壓力的作用下活塞桿在活塞腔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，活塞腔內(nèi)的氣體不斷地被壓縮和釋放從而達(dá)到與外界壓力平衡。

圖3 活塞桿示意圖

當(dāng)在活塞桿正常工作時，可以有效地解決刀具破巖時，由巖層反作用力造成的刀體變形，從而提高刀具的使用壽命?；钊腥N損壞情況:活塞缸磨損、活塞不能移動、漏氣，這些情況都是影響壓力平衡的核心因素。壓力不平衡最易造成刀具變形、扭曲等情況。

第7點:焊接卡環(huán)。

焊接卡環(huán)是滾刀裝配的最后一道工序，該工序直接影響著刀圈的力學(xué)性能和使用壽命。由于卡環(huán)焊接不當(dāng)在刀具運(yùn)輸、吊裝過程中最易發(fā)生刀圈斷裂，其斷裂的原因是:

1)卡環(huán)安裝位置錯誤。卡環(huán)安裝位置錯誤是指卡環(huán)被切割(切成兩段便于安裝)后，卡環(huán)沒有完全放入卡槽內(nèi)?？ōh(huán)與卡槽之間存在有間隙，當(dāng)?shù)毒呔蜻M(jìn)轉(zhuǎn)動時卡環(huán)逐漸被磨損，導(dǎo)致卡圈脫落、刀圈移位。

2)焊接電弧對刀圈的破壞。當(dāng)卡環(huán)正確安裝后要對卡環(huán)進(jìn)行焊接固定，由于現(xiàn)場操作不規(guī)范，部分工人責(zé)任心不強(qiáng)，經(jīng)常發(fā)生卡環(huán)焊接時忘記裝填充料。填充料雖然小但是對刀具的影響卻是非常大。

填充料的作用主要是隔離刀圈，避免焊接電弧(焊接電弧可達(dá)10 000℃)與刀圈直接接觸造成的熱工藝、力學(xué)特性、化學(xué)特性、金屬表層晶相組織的變化。因此在沒有填充料填充時直接進(jìn)行焊接的刀具在焊接點處最容易出現(xiàn)刀圈斷裂。

其正確的焊接方法是:采用3 mm厚的紫銅板作為填充料填滿卡槽間隙將刀圈與焊材隔離，然后用不銹鋼焊條(φ2.5)均勻堆滿整個卡槽缺口。

第8點:優(yōu)質(zhì)潤滑油(220號齒輪油)。

刀具潤滑油的特性主要是指抗磨損性以及刀具內(nèi)部產(chǎn)生高溫積聚對潤滑性能的影響(油脂的變質(zhì))。

高溫引起油脂變質(zhì)是刀具在掘進(jìn)轉(zhuǎn)動時隨著刀具分布位置及工作量的不同、啟動扭矩的變化、隧道埋深壓力的變化都會引起刀具內(nèi)部溫度的變化。

其中特別是邊緣滾刀的線速度最大，其工作量是中間部位滾刀的10倍以上，巖層對邊緣刀的沖擊性也最大，隧道埋深大、壓力也隨之增加。因此對刀具潤滑的要求也越高，當(dāng)溫度長期處于高溫狀態(tài)工作時油脂發(fā)生變質(zhì)，喪失潤滑、散熱能力，引起刀具軸承非正常磨損，進(jìn)而出現(xiàn)刀具偏磨損等現(xiàn)象。

以上8點是決定刀具使用壽命的主要因素，在刀具設(shè)計配置、安裝使用和刀具維修時只要嚴(yán)格按照上述內(nèi)容操作，刀具的裝配質(zhì)量、使用壽命都會有大幅提高，對項目降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率有著重大意義，同時也為我單位在盾構(gòu)刀具領(lǐng)域積累了大量的實踐經(jīng)驗。