地鐵盾構(gòu)施工刀具管理及維修技術(shù)

【摘要】近年來盾構(gòu)施工普遍用于地鐵建設(shè)，盾構(gòu)施工適用于各類復(fù)雜地層，刀盤的配置及刀具的選用非常關(guān)鍵，刀具成本一般占總成本的15%～20%。因此，建立合理的刀具管理制度和提高刀具利用率是盾構(gòu)施工中一大技術(shù)點(diǎn)，刀具維修與刀具管理技術(shù)成為了降低項(xiàng)目成本主要手段。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)施工；刀具維修；刀具管理

1、刀盤特點(diǎn)

根據(jù)地質(zhì)條件劃分，一般把刀盤分為軟土刀盤、硬巖刀盤和復(fù)合刀盤。軟巖刀盤適用于未固結(jié)成巖的軟土地層和某些全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化的軟巖地層，一般破巖能力在單軸抗壓強(qiáng)度30MPa以下。上海地區(qū)、天津等軟地層，使用刮刀類刀具，刀盤結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，通常稱為軟土刀盤。硬巖刀盤適用于已經(jīng)成形的硬巖地層，一般破巖能力在單軸抗壓強(qiáng)度30MPa以上。現(xiàn)正在施工的成都地鐵、山西引黃等工程，通常使用配有刮板的滾刀。

復(fù)合型刀盤適用于軟硬不均、上軟下硬、密實(shí)膠結(jié)卵石土等軟硬不勻的地層。刀盤上刀具配置滾刀和刮刀，滾刀主要作用是破巖，刮刀作用是清理掌子面泥土或碎石，這樣的刀盤通常稱為復(fù)合刀盤。廣州、深圳、南寧等地地質(zhì)復(fù)雜多變，主要使用復(fù)合型刀盤的盾構(gòu)機(jī)。

2、刀具的維修技術(shù)

2.1刀具類型

2.1.1刀具的分類。目前使用的刀具一般分為刮刀和滾刀兩大類。刮刀是指只隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)而沒有自轉(zhuǎn)的破巖刀具。刮刀的種類繁多，常用的刮刀有邊緣刮刀、齒刀、先行刀、貝殼刀、魚尾刀等。滾刀是指不僅隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，還同時(shí)作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的破巖刀具。根據(jù)刀刃的形狀，滾刀可分為：齒形滾刀、盤形滾刀。

2.1.2滾刀的結(jié)構(gòu)組成。滾刀結(jié)構(gòu)主要由刀圈、刀體（套）、刀軸、軸承、金屬浮動(dòng)密封環(huán)、刀蓋（座）及聯(lián)接螺栓等件組成。滾刀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是保證滾刀工作時(shí)正常的關(guān)鍵，通常是由軸承、密封、潤滑油脂組成。

2.1.3滾刀刀圈的材料。根據(jù)刀圈的工作條件，刀圈材料應(yīng)滿足較高的屈服強(qiáng)度，避免刀刃端在高應(yīng)力下壓潰變形；較高的硬度，增加耐磨性，減少刀圈磨損；良好的沖擊韌性，提高材料裂紋擴(kuò)展功，防止刀圈斷裂；良好的抗回火性能，提高材料的熱穩(wěn)定性，保證刀圈在熱裝和滾壓巖體過程中不降低硬度；良好的熱加工和冷加工的工藝性能，材料成本低，制造方便，提高產(chǎn)品合格率，是占領(lǐng)市場的有效途徑。

2.2刀具損壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1刮刀損壞的類型及原因分析

（1）正常磨損。在掘進(jìn)過程中刀具與巖土的正常磨損。（2）刮刀刀刃崩裂。在硬巖掘進(jìn)中，滾刀磨損太大，刮刀直接切割未經(jīng)滾刀破碎的硬巖，會(huì)導(dǎo)致刮刀的崩裂；在巖層中掘進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)速太快，突遇硬巖，沖擊造成刀刃崩裂；在硬巖掘進(jìn)中，進(jìn)刀太深等原因造成刀刃崩裂。（3）刮刀刀體斷裂。刀體本身的強(qiáng)度和韌性不夠，進(jìn)尺太深，都會(huì)造成刮刀刀體的斷裂。（4）刮刀掉齒。合金刀齒的焊接工藝不過關(guān)，或者刮刀突遇硬巖時(shí)都會(huì)造成刮刀掉齒。

2.2.2滾刀損壞類型及原因分析

（1）刀圈的正常磨損。（2）單邊偏磨和多邊偏磨。單邊偏磨一般是滾刀不轉(zhuǎn)造成的，多邊偏磨則是滾刀時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)不轉(zhuǎn)造成的。（3）刀圈崩塊、斷裂。崩塊主要是刀具與巖層碰撞造成的，斷裂通常是刀具受力過載造成；這與刀圈原材料及制造技術(shù)、地質(zhì)條件和盾構(gòu)操作技術(shù)都有關(guān)系，需對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)具體分析。（4）軸承或密封損壞。大部分刀具軸承的壽命可達(dá)到900h。但在施工過程中，由于各種原因的影響，軸承會(huì)發(fā)生早期損壞，主要損壞表現(xiàn)為剝離，密封圈損壞進(jìn)泥、呈凹凸?fàn)畹取?/p>

2.3刀具維修

2.3.1刀具維修項(xiàng)目判定

對(duì)刀具進(jìn)行清理、拆解后，根據(jù)刀具的情況對(duì)需要維修的項(xiàng)目進(jìn)行判定。

2.3.2部件更換

刀具的維修包括多個(gè)步驟，需要嚴(yán)格進(jìn)行，保證刀具的維修質(zhì)量。

2.3.3刀具裝配

在裝配過程中，對(duì)熱裝件（刀圈和軸承）嚴(yán)格控制加熱溫度，對(duì)緊固件嚴(yán)格控制緊固力矩；選用適合地質(zhì)條件的刀圈；焊擋圈時(shí)不能在刀圈上點(diǎn)火。刀具在裝配前必須調(diào)配好靜態(tài)扭矩，因滾刀靜轉(zhuǎn)矩對(duì)整個(gè)滾刀的使用性能影響很大。若靜態(tài)扭矩太大，巖土對(duì)滾刀提供的主動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足以克服滾刀靜轉(zhuǎn)矩，刀圈不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，刀圈偏磨；如果靜態(tài)扭矩太小，軸承的游隙太大，承受力的軸承滾子少，容易使受力集中的滾子崩裂。滾刀靜轉(zhuǎn)矩主要由密封環(huán)阻力矩和軸承阻力矩決定。刀具裝配過程中，如果密封件規(guī)格、尺寸、安裝槽尺寸、潤滑油（黏度）決定后，則靜態(tài)扭矩通常是一個(gè)定值，靜態(tài)扭矩的調(diào)整主要與軸承阻力矩的設(shè)定有關(guān)。

2.3.4維修后的標(biāo)識(shí)

刀具維修好后，詳細(xì)記錄刀具維修情況并備案。維修好的刀具使用自噴漆進(jìn)行編號(hào)，防止新、舊刀具混淆。臨近使用時(shí)，測一下刀具扭矩，若與存放時(shí)懸殊較大，則需要跑和達(dá)到初始扭矩。

3、刀具管理

3.1刀具管理重要性

刀具管理在盾構(gòu)施工中有著重要的位置，制定合理的刀具管理計(jì)劃和方案對(duì)保證進(jìn)度、控制成本和施工安全均起著重要的作用。如果施工中刀具管理不到位會(huì)直接增加換刀次數(shù)，影響施工進(jìn)度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)刀盤造成破壞。特別是在全斷面硬巖段、軟硬不均段、全斷面巖層段中掘進(jìn)施工時(shí)更需要詳細(xì)考慮，需要制定合理的刀具管理計(jì)劃進(jìn)行刀具管理。

3.2掘進(jìn)中的刀具管理

3.2.1推進(jìn)控制

控制油缸推力在一定范圍內(nèi)。如果推力太大，則會(huì)使刀圈受力過大，導(dǎo)致刀圈斷裂；如果太小，作用在刀圈上的摩擦力小，導(dǎo)致刀具不能轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生偏磨?？刂频侗P轉(zhuǎn)速。在硬巖中掘進(jìn)時(shí)如果刀盤轉(zhuǎn)速過大，則會(huì)使刀盤在經(jīng)過巖層交界面時(shí)刀具受到?jīng)_擊力過大，造成刀具損壞?？刂凭蜻M(jìn)速度。如果速度過快，則刀具貫入量過大，會(huì)導(dǎo)致刀具過度的磨損。

3.2.2碴土改良

國內(nèi)外在復(fù)雜地層中的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行碴土改良是保證盾構(gòu)施工安全、順利、快速施工的一項(xiàng)不可缺少的重要技術(shù)手段。碴土改良就是通過盾構(gòu)機(jī)配置的專用裝置向刀盤面、土艙或螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入泡沫或膨潤土，利用刀盤的旋轉(zhuǎn)攪拌、土艙攪拌裝置攪拌或螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)攪拌使添加劑與土碴混合，其主要目的就是要使盾構(gòu)切削下來的碴土具有好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩阻力，以達(dá)到不結(jié)泥餅，對(duì)刀具減少摩擦阻力，不敷刀箱等目的。進(jìn)而有效延長了刀具使用壽命。

3.2.3合理配置刀具

首先了解各個(gè)廠家刀具的特點(diǎn)，比如刀具刀圈強(qiáng)度、韌性、承受最大荷載等；其次對(duì)更換的刀具掘進(jìn)環(huán)數(shù)、線里程、刀盤上位置等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在強(qiáng)度不同的地層分別試用不同廠家的刀具進(jìn)行試驗(yàn)，相互對(duì)比分析得出各個(gè)廠家刀具適合的哪一類地質(zhì)情況。根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，最后達(dá)到最優(yōu)配置刀具方案。

結(jié)論：

刀具維修技術(shù)與管理制度對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)效率有著非常重要的作用，同時(shí)在盾構(gòu)施工中還需合理地選取掘進(jìn)參數(shù)（如總推力、貫入度、刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩等），最大程度地延長刀具的使用壽命，減少換刀頻率，降低施工中頻繁換刀的風(fēng)險(xiǎn)。做好對(duì)刀具的檢測、分析、比較，總結(jié)刀具的使用經(jīng)驗(yàn)，將結(jié)果及時(shí)反饋，才能更好地指導(dǎo)后續(xù)施工。

參考文獻(xiàn)：

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