TBM刀具異常損耗原因分析及應(yīng)對措施

李曉晗

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

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TBM刀具異常損耗原因分析及應(yīng)對措施

李曉晗

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

摘要：TBM刀具異常損耗率一般占到刀具消耗量10%左右，文章針對不同刀具異常損耗型式，分析了損耗的原因，并分別提出了具體的應(yīng)對措施，以達到避免人為因素造成刀具破損，有效降低施工成本的目的。

關(guān)鍵詞：TBM刀具；損耗；原因分析；應(yīng)對措施

TBM刀具消耗量直接影響隧道開挖成本，尤其大直徑TBM，刀具消耗數(shù)量更是巨大、影響更為突出。導(dǎo)致TBM刀具損耗的原因很多，其中刀盤設(shè)計制造技術(shù)、刀圈鍛件材質(zhì)與熱處理工藝、刀具配件質(zhì)量、刀具裝配及安裝質(zhì)量、地質(zhì)條件、TBM設(shè)備掘進參數(shù)控制等均可能造成刀具的異常損耗。本文通過對不同刀具破損型式的原因及影響刀具壽命的關(guān)鍵因素分析，制訂相應(yīng)的解決方案和預(yù)防措施，從而達到降低刀具消耗量、提高設(shè)備掘進效率的目的。

1 不同刀具損耗型式原因分析

TBM刀具主要指盤型滾刀，由刀圈、刀體、刀軸、軸承、密封、端蓋、擋圈以及其它一些附件組成。刀具磨損的主要部位是刀圈，TBM刀具消耗也主要指刀圈的消耗。

刀圈均勻磨損至允許的極限值屬于刀具正常失效，不同直徑的刀具使用在不同的刀盤部位，其允許的極限磨損量也是不同的。表1為目前硬巖TBM常用刀圈一般允許的極限磨損量值：

表1 刀圈允許磨損極限值

刀圈磨損量使用專用卡尺進行測量，圖1為常用的測量卡尺和測量刀圈磨損量的情況。圖2為正常磨損到極限值的滾刀。

圖1 刀圈測量卡尺和測量磨損量的情況

圖2 正常均勻磨損的刀圈

相對于正常磨損，比較常見的刀圈異常損耗型式主要包括以下幾種情況。

1.1 偏磨

偏磨也稱弦磨，是指刀圈一側(cè)磨損成直邊或被磨損成多邊形，是最常見的刀具異常損耗型式。

偏磨刀具一般只有拆解后對其進行全面檢測，方可準確判斷其故障原因。經(jīng)過大量實踐發(fā)現(xiàn)，刀圈偏磨主要是由于以下原因造成：

（1）刀圈質(zhì)量問題。

（2）滾刀軸承失效。

（3）密封損壞導(dǎo)致巖渣進入密封腔，污染潤滑油或?qū)е螺S承損壞。

（4）刀具裝配過程中施加的扭矩偏大，導(dǎo)致刀圈不能正常轉(zhuǎn)動。

（5）潤滑油質(zhì)量問題或潤滑油泄漏、污染，導(dǎo)致刀具潤滑失效。

（6）掌子面剝落的石塊擠入滾刀與刀座間空隙，導(dǎo)致滾刀卡死。

另外，刀座定位不當、掘進過程中護盾未能撐緊巖壁造成刀盤轉(zhuǎn)動不穩(wěn)定、設(shè)備初始掘進時推力控制不當?shù)?，也可能?dǎo)致刀圈偏磨。

圖3、4、5、6、7為刀具偏磨的實例圖。

圖3 刀圈一側(cè)偏磨

圖4 刀圈偏磨成多邊形

圖5 刀圈嚴重偏磨導(dǎo)致整刀報廢

圖6 中心刀刀圈偏磨

圖7 一次性大面積偏磨的刀圈

刀具檢查過程中發(fā)現(xiàn)有偏磨或偏磨跡象的刀具，必須馬上更換，否則可能引起鄰近滾刀大面積偏磨的情況發(fā)生。偏磨刀具應(yīng)在拆解后，根據(jù)偏磨的不同情況、部位，從刀具備件質(zhì)量、刀具裝配和安裝質(zhì)量、設(shè)備操作等方面查找可能導(dǎo)致刀圈偏磨的原因，以采取針對性的預(yù)防和應(yīng)對措施。

1.2 崩刃

刀圈崩刃的情況也經(jīng)常發(fā)生，主要原因有：

（1）刀圈質(zhì)量問題：在掘進段巖石硬度較高的情況下，如果刀圈硬度高但韌性不足，就比較容易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。

（2）設(shè)備操作原因：在掘進行程的初始階段，推進壓力過大、滾刀與圍巖接觸時推進速度過快，導(dǎo)致滾刀與巖石突然碰撞，容易造成個別滾刀出現(xiàn)崩刃情況。

（3）在掘進過程中由于巖石情況發(fā)生變化或掌子面巖石硬度不均，也會導(dǎo)致刀圈局部過載而使刀圈應(yīng)力集中，發(fā)生崩刃或斷裂情況。

在刀刃崩落不太嚴重、不影響切削巖石時，可以繼續(xù)使用，如刀刃崩落嚴重，則需要馬上進行更換，如圖8、9所示。

圖8 崩刃成為鋸齒狀的刀圈

圖9 嚴重崩刃的刀圈

1.3 卷刃

刀圈卷刃主要是由于巖石抗壓強度高、設(shè)備掘進推力大所造成的。另外，刀圈硬度不足或在破巖過程中刀圈溫升過高導(dǎo)致硬度降低，造成卷刃的情況也時有發(fā)生。

如刀圈卷刃情況不是非常嚴重，可以適當降低設(shè)備推進壓力和刀盤轉(zhuǎn)速，繼續(xù)掘進，如圖10所示。

圖10 卷刃的刀圈

1.4 斷裂

導(dǎo)致刀圈斷裂的主要原因有：

（1）刀圈硬度過高、韌性不足。

（2）刀圈安裝時扭矩施加過高。

（3）刀圈與刀體裝配過盈量過大。

（4）TBM初始掘進速度太快，刀具與圍巖劇烈碰撞。

（5）在掘進過程中由于巖石情況發(fā)生變化，導(dǎo)致刀圈局部過載、應(yīng)力集中。

刀圈斷裂后，必須更換下該滾刀，以免出現(xiàn)刀圈偏磨甚至是刀圈由刀體上脫落的情況，輕者造成整把滾刀報廢，嚴重時會引發(fā)鄰近多把滾刀出現(xiàn)異常損耗的嚴重后果。圖11、12、13為刀圈斷裂實例圖。

圖11 刀圈斷裂的滾刀

圖12 斷裂后切割下的刀圈

圖13 刀圈斷裂導(dǎo)致滾刀軸承內(nèi)圈斷裂

1.5 刀體漏油

刀體漏油的情況也比較常見，一般是由于刀具軸承或者密封損壞、刀具裝配質(zhì)量等原因所致。如僅是輕微漏油，可以不進行更換，但須加強對該滾刀檢查；如滾刀已嚴重漏油，則需馬上進行更換，否則很容易導(dǎo)致刀圈偏磨。如圖14所示。

1.6 擋圈脫落

（1）擋圈安裝不當或焊接不牢。

（2）刀盤轉(zhuǎn)速過大、設(shè)備推進壓力過高。

（3）擋圈受到掌子面掉落巖塊的劇烈沖擊。

當發(fā)現(xiàn)有擋圈掉落時，僅需直接將擋圈安裝、補焊后即可。但如果發(fā)現(xiàn)刀圈已經(jīng)發(fā)生了錯位情況，則必須進行更換，否則因刀圈產(chǎn)生軸向位移、破巖軌跡偏移，極易導(dǎo)致刀圈偏磨。如圖15、16所示。

圖14 漏油的刀具

圖15 擋圈斷裂脫落的滾刀

圖16 因擋圈脫落導(dǎo)致偏磨的滾刀

1.7 刀體過熱

導(dǎo)致刀體過熱情況發(fā)生的主要原因有：

①刀具原因：刀具軸承損壞、刀圈扭矩施加過高或過低、潤滑油失效或泄漏等；

②設(shè)備操作原因：掘進推進壓力過大、刀盤轉(zhuǎn)速過高、刀盤噴水量不足等。

發(fā)現(xiàn)有滾刀刀體過熱情況，應(yīng)認真分析故障原因，如確認屬設(shè)備操作原因，可適當改變掘進參數(shù)，繼續(xù)掘進，并加強對該刀具的檢查；否則，應(yīng)立即進行刀具更換，以免發(fā)生滾刀異常損壞情況。

1.8 導(dǎo)致刀具異常損耗的其它情況

由于刀座定位不當、滾刀安裝位置偏差或緊固螺栓施加扭矩不足、緊固螺栓斷裂、刀座變形或開裂、鏟斗齒過度磨損、楔塊未安裝到位或未能拉緊刀軸等，也容易造成刀具異常損壞。

在發(fā)生刀具異常損壞后，應(yīng)針對不同損耗型式，正確分析其產(chǎn)生的原因，采取適當?shù)奶幚泶胧?，以確保有效降低刀具異常損耗率。

2 刀具檢查注意事項

定時的刀具檢查是TBM掘進過程中的一項重要工作，是減少刀具異常損耗情況發(fā)生的最有效方法。

2.1 刀具檢查頻次要求

推進速度小于2.6m/h時，每掘進三個循環(huán)檢查一次；推進速度在2.6～3m/h時，每四個循環(huán)檢查一次；推進速度在3～3.4m/h時，每五個循環(huán)檢查一次；推進速度在3.4m/h以上時，每六個循環(huán)檢查一次。

如掘進過程中在出渣皮帶上發(fā)現(xiàn)有鏟斗齒、螺栓、楔塊、壓塊等刀具配件，必須馬上停機進行檢查。

TBM操作手時應(yīng)注意觀察設(shè)備掘進參數(shù)，若出現(xiàn)下述情況，應(yīng)停機檢查刀具，并通知值班地質(zhì)工程師確定圍巖是否發(fā)生以下變化。

（1）刀盤扭矩波動超過±500kN.m，且持續(xù)時間超過2min。

（2）扭矩未發(fā)生變化的情況下，推進速度降低超過0.8m/h，且持續(xù)超過2min。

（3）扭矩或推進速度同時發(fā)生較大幅度變化。（4）出渣皮帶連續(xù)有較大塊徑石渣突現(xiàn)。

2.2 刀具檢查主要內(nèi)容

（1）刀盤清渣和清潔工作。

（2）檢查刀圈有無異常損壞；測量每把滾刀刀圈的磨損量，確定需要更換、調(diào)整的滾刀。另外，需檢查相鄰軌跡滾刀刀圈的半徑高差，一般面刀及中心刀最大允許差為12mm、邊刀為 5mm，如超過該數(shù)值，應(yīng)予以更換或調(diào)整。

（3）檢查鏟斗齒磨損量及是否有脫落、斷裂情況，并檢查鏟斗齒螺栓是否松動。

（4）檢查刀具螺栓緊固狀態(tài)，在刀具更換完成、掘進一個循環(huán)后，需復(fù)查螺栓緊固情況。

（5）檢查確認刀盤旋轉(zhuǎn)接頭座固定螺栓有無松動、噴水管路有無泄漏或磨損、噴頭工作是否正常。

2.3 刀具檢查注意事項

（1）刀具檢查人員應(yīng)與TBM操作手隨時保持聯(lián)系，了解設(shè)備掘進參數(shù)、運行狀況，應(yīng)特別關(guān)注刀盤扭矩、推進速度、主驅(qū)動電機電流的異常變化情況，以便及時、準確掌握刀具運行狀態(tài)。刀具檢查、維護保養(yǎng)結(jié)束后，應(yīng)及時將情況報告操作手。

（2）做好每次刀具磨損量測量及刀具更換情況的記錄。

（3）刀具更換前，必須將刀座接觸面、刀具緊固螺栓、螺母、楔塊、壓塊等表面清理干凈。

（4）TBM上部必須備用一定數(shù)量的新刀和過渡刀、刀具緊固螺栓、鏟斗齒、鏟斗齒螺栓、楔塊、壓塊等，并應(yīng)集中統(tǒng)一存放。

（5）刀具運輸過程中必須使用具有防護作用的專用工器具，嚴防發(fā)生刀圈磕碰現(xiàn)象。如圖17所示。

圖17 滾刀專用運輸工器具

2.4 其它注意事項

（1）刀具修理車間必須做好每把刀具的維修、使用記錄，包括初始裝配情況、使用刀號、調(diào)整位置、返修時刀具狀態(tài)及檢測情況、維修記錄、后續(xù)使用情況等，每把滾刀建立一套跟蹤記錄表。

（2）至少每周召開一次刀具分析會議，針對異常損耗刀具，調(diào)閱其跟蹤記錄，確定異常損耗原因，并制訂應(yīng)對措施及整改方案。

3 結(jié)語

刀具是TBM破巖的關(guān)鍵部件，也是主要的消耗部件，其消耗量直接影響隧道施工效率及開挖成本。針對刀具的不同異常損耗型式，準確其分析產(chǎn)生的原因、研究探索適當?shù)奶幚泶胧?，可以有效控制刀具消耗量、減少刀具異常損耗數(shù)量，降低施工成本，同時也可以達到提高施工效率的目的。

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中圖分類號：U455.3+1

文獻標識碼：B

文章編號：1008-1305（2016）02-0076-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.032

收稿日期：2016-01-13

作者簡介：李曉晗（1969年—），男，高級工程師。