小直徑長(zhǎng)距離泥水盾構(gòu)滾刀失效分析以及改進(jìn)措施

杜雙江

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，南京 211899）

0 引言

當(dāng)前盾構(gòu)技術(shù)因其施工的安全性、高效性而作為城市地下空間建設(shè)以及隧道的主要施工方法。盤形滾刀作為盾構(gòu)開挖過程中剝裂巖石、砂石和泥土且對(duì)掌子面進(jìn)行支護(hù)的關(guān)鍵部件，與巖石直接接觸會(huì)受到強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)，造成滾刀不同原因的失效。而滾刀失效的換刀過程會(huì)降低盾構(gòu)施工效率，增加施工成本。分析滾刀失效的具體原因以及采取相對(duì)理想的預(yù)防措施，能夠從很大程度上避免滾刀失效，提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率。針對(duì)盾構(gòu)刀具的失效分析，目前學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究：曹鈞等[1]針對(duì)某具體的滾刀分析其在硬巖破巖過程中密封失效的主要原因，并對(duì)滾刀的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)；葸振東等[2]針對(duì)重慶盾構(gòu)項(xiàng)目定性分析了刀具磨損與刀具自身因素、地質(zhì)因素、掘進(jìn)參數(shù)等方面的關(guān)系；霍軍周等[3]針對(duì)盤形滾刀的失效形式設(shè)計(jì)了新型滑動(dòng)支承的滾刀，并且建立了新型滾刀軸—側(cè)向動(dòng)力學(xué)理論模型，研究表明其減震效果明顯；彭繼華等[4-5]分析了涂層滾刀以及TBM刀座的失效原因，并且提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，其效果明顯；邱金水等[6-9]針對(duì)金屬材料與非金屬材料在不同工況下的失效形式以及裂紋萌生進(jìn)行了詳細(xì)分析；Li等[10]利用化學(xué)成分、顯微組織等方法對(duì)D406A鋼的抗拉強(qiáng)度不合格原因進(jìn)行了分析，研究表明脫碳是導(dǎo)致確認(rèn)試樣抗拉強(qiáng)度不合格的主要原因，整改后有效防止退火脫碳；CHEN等[11]根據(jù)設(shè)備應(yīng)力分布特性角度提出應(yīng)力腐蝕失效易發(fā)部位，并綜合設(shè)備的檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化的建議。本文以某輸氣管道越江工程的盾構(gòu)滾刀為載體，分析在泥水盾構(gòu)中盤形滾刀的具體失效原因，并研究其相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 盤形滾刀破巖載荷分析

盤形滾刀是盾構(gòu)施工過程中主要的破巖刀具，滾刀的失效破壞主要是與巖石砂石接觸而發(fā)生相互作用導(dǎo)致的。盤形滾刀主要由刀體、刀圈、軸承、密封件等部件構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 盤形滾刀結(jié)構(gòu)裝配示意圖

盤形滾刀切削破巖過程中，破巖力上下波動(dòng)變化，同時(shí)伴有大量巖渣產(chǎn)生的現(xiàn)象。滾刀破巖過程大致如下：滾刀侵入巖石時(shí)，巖石中的微裂紋由于滾刀的接觸作用被壓實(shí)閉合，同時(shí)破巖力持續(xù)變大。當(dāng)滾刀刀刃進(jìn)一步侵入所引起的應(yīng)力超過巖石自身強(qiáng)度，巖石就會(huì)產(chǎn)生破壞失效。滾刀正下方的巖石最先發(fā)生失效，然后被擠壓形成密實(shí)核，被壓實(shí)的密實(shí)核將能量傳遞到附近區(qū)域產(chǎn)生新的裂紋，側(cè)向裂紋延伸到臨空面或與其他裂紋交匯造成巖塊剝落，此時(shí)滾刀受力會(huì)突然下跌，這就是滾刀切削破巖的一個(gè)周期。滾刀破巖過程中的切削力變化曲線如圖2所示。

圖2 滾刀破巖過程中切削力變化曲線

圖3 滾刀受到的切削作用力

盤形滾刀切削破巖過程中，刀刃與巖石接觸之間存在3個(gè)方向的作用力，分別是垂直力FN、側(cè)向力FS與滾動(dòng)力FR，如圖3所示。其中，垂直力FN是由刀盤的推力提供，指向掌子面；滾動(dòng)力FR是由刀盤扭矩提供，指向滾刀切向；側(cè)向力FS是由滾刀對(duì)巖石的不平衡擠壓力與刀盤旋轉(zhuǎn)形成的離心力共同產(chǎn)生，指向刀盤中心。

2 盤形滾刀失效分析

圖4 某輸氣管道越江工程滾刀失效形式

某輸氣管道越江工程采用直徑為3.5 m的盾構(gòu)機(jī)，工程總長(zhǎng)度3.48 km。盾構(gòu)掘進(jìn)5個(gè)月期間，掘進(jìn)1 613.5 m。穿越粉質(zhì)黏土與粉砂互層、粉細(xì)砂、全風(fēng)化泥質(zhì)砂質(zhì)板巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂質(zhì)板巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂質(zhì)板巖、微風(fēng)化泥質(zhì)砂質(zhì)板巖等地層。在該工程的盾構(gòu)刀盤上安裝8把中心雙聯(lián)滾刀，7把雙刃滾刀，4把單刃滾刀。在9次換刀過程中，雙刃滾刀S15更換6次、S14更換2次、S13更換1次；單刃滾刀S17、S18均更換2次，S16、S19均更換1次；中心滾刀S1S3、S5S7、S6S8均更換1次。在實(shí)際盾構(gòu)施工過程中，刀盤轉(zhuǎn)速在1.6～1.8 r/min，刀盤總推力6 000～8 800 kN，貫入度維持在10～15 mm。刀具損耗以邊緣雙刃滾刀S15最為嚴(yán)重。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，滾刀主要以軸承散架為主，刀軸斷裂、變細(xì)，還存在合金齒磨損嚴(yán)重、刀圈偏磨、刀圈弦磨、刀圈斷裂、端蓋磨損等情況。該項(xiàng)目滾刀失效形式如圖4所示。

2.1 軸承散架原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)參數(shù)可得，刀盤總推力達(dá)到6 000～8 000 kN，刀盤上有19把滾刀，包括雙刃與單刃滾刀，總?cè)袛?shù)26刃，因此每刃受載215～230 kN。該刀盤滾刀使用的軸承為鐵木肯某軸承；該軸承的9 000萬轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)徑向載荷為128 000 kN。對(duì)于雙刃滾刀受力為430～460 kN，軸承承載能力嚴(yán)重不足。

由于盤形滾刀端蓋的嚴(yán)重磨損以及刀盤推力過大的原因，導(dǎo)致滾刀密封失效，碎石泥碴進(jìn)入刀體，加速了保持架與軸承內(nèi)圈和外圈的摩擦，可能會(huì)導(dǎo)致保持架和軸承散架以及刀軸的異常磨損。

在滾刀裝配過程中，過盈量或過盈力不夠，使得裝配后的滾刀在受到較大推力后，出現(xiàn)振動(dòng)沖擊作用，刀體內(nèi)部零件松散，導(dǎo)致軸承散架。滾刀裝配扭矩即保證滾刀刀圈轉(zhuǎn)動(dòng)的最小扭矩。裝配扭矩過大，會(huì)造成滾刀無法正常轉(zhuǎn)動(dòng)而造成偏磨；裝配扭矩過小，滾刀軸承密封質(zhì)量難以保證，易導(dǎo)致滾刀軸承密封損壞。

2.2 滾刀刀圈失效分析

（1）刀圈正常磨損是由于巖石的磨蝕作用，刀圈在刃口寬度范圍內(nèi)沿圓周產(chǎn)生較為均勻的磨損，且磨損到規(guī)定的極限。刀圈正常磨損是刀圈失效的主要形式，一般正常磨損情況占換刀總量的80%以上。這種磨損一般發(fā)生在地質(zhì)相對(duì)單一、均勻地層中，且掘進(jìn)機(jī)性能良好，掘進(jìn)參數(shù)合理的情況下。

（2）刀圈偏磨和弦磨。刀圈偏磨為破巖過程刀刃兩側(cè)載荷不均，刀圈變形使刀圈刀刃一側(cè)工作壓力遠(yuǎn)大于另一側(cè)，主要發(fā)生在相鄰刀高差較大或邊緣滾刀部位。弦磨是刀圈不能轉(zhuǎn)動(dòng)造成刀圈與巖石作用磨出一個(gè)或多個(gè)斜邊，這種情況如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)進(jìn)一步磨損到刀體，主要原因有滾刀啟動(dòng)扭矩過大、軸承損壞卡死或墜落異物卡死刀圈。

（3）刀圈發(fā)生斷裂往往由于過載造成，一旦刀圈斷裂將失去破巖能力，甚至發(fā)生刀圈脫落。其原因?yàn)榈度Τ惺軜O大的瞬時(shí)沖擊載荷所致，主要有3種情況：①在初始掘進(jìn)時(shí)，刀圈初始推力過大，刀圈硬度較高且脆性較大，發(fā)生過載或掘進(jìn)地層完整性差，破碎帶較多，刀圈不斷切削硬巖和軟巖沖擊載荷過大；②刀圈應(yīng)力較大或不均，有應(yīng)力集中區(qū)域，刀圈生產(chǎn)裝配過程過盈量較大，或焊接擋圈時(shí)有燒損刀圈表面，承受突變載荷時(shí)刀圈炸裂；③刀圈運(yùn)輸時(shí)碰撞或破巖過程切削到極硬異物，造成刀圈破壞斷裂。

2.3 滾刀刀圈微觀分析

（1）刀圈流線形態(tài)

流線方向?qū)λ苄灾笜?biāo)性能影響很大，垂直流線方向拉伸時(shí)更容易斷裂，順著流線方向則相反。流線方向和分布對(duì)疲勞性能影響很大，流線露頭的地方是疲勞斷裂時(shí)最初裂紋最易出現(xiàn)的地方。刀圈流線的分布對(duì)刀圈失效的影響很大，如圖5所示。流線影響刀圈的磨損、崩刃和脆斷等失效形式。致密的流線和較好的流線形態(tài)可以提高刀圈受力性能和疲勞壽命。

圖5 刀圈沿流線形態(tài)剝落失效

（2）刀圈斷口SEM圖

一次碳化物是未固溶的C元素與合金元素結(jié)合，在凝固時(shí)形成的穩(wěn)定碳化物。如若一次碳化物鍛造時(shí)不能完全鍛碎，工件熱處理時(shí)具有遺傳性，大塊碳化物不能完全消除，對(duì)沖擊性能影響很大，需在刀圈成形過程加大鍛造比進(jìn)行細(xì)化和成形后球化退火消除。不良形態(tài)的一次碳化物在承受突變大載荷時(shí)容易形成脫落、脆斷和裂紋延伸等問題，是造成刀圈磨損過快、脆斷、崩刃等失效的主要原因之一。刀圈崩刃斷口SEM如圖6所示。

圖6 刀圈崩刃斷口SEM掃描結(jié)果

3 改進(jìn)措施

針對(duì)某輸氣管道越江工程的盤形滾刀失效原因，對(duì)刀具及現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)建議如下。

（1）檢測(cè)未損壞中心刀刀架是否異常磨損，若出現(xiàn)異常磨損，可對(duì)刀架原普通耐磨層進(jìn)行改進(jìn)；另外，推進(jìn)過程中減少積渣情況，防止刀架二次磨損。

（2）對(duì)正面雙刃滾刀軸承進(jìn)行市場(chǎng)尋貨，看是否有承載更好的軸承以應(yīng)對(duì)此地層下的正常使用。

（3）建議現(xiàn)場(chǎng)施工可降低推力，每刃承載不超過10 t（雙刃滾刀不超過20 t），同時(shí)可增大刀盤轉(zhuǎn)速（1.8～2.4 r/min）。

經(jīng)過再掘進(jìn)500 m后開倉(cāng)發(fā)現(xiàn)，滾刀的損壞情況已有減緩，軸承散架未出現(xiàn)，主要以滾刀正常磨損為主。

4 結(jié)束語

本文以某輸氣管道越江工程的泥水盾構(gòu)中盤形滾刀的工程失效原因進(jìn)行具體分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。基于本文的分析情況，可以得到以下結(jié)論。

（1）根據(jù)滾刀破巖載荷的分析，可得到滾刀所受到滾動(dòng)力、垂直力、側(cè)向力作用。

（2）得到該工程軸承散架的原因主要是軸承承載能力以及端蓋密封性能不夠，導(dǎo)致泥碴進(jìn)入刀體，加速軸承與刀軸摩擦和軸承散架；另外還有滾刀刀圈失效的原因。

（3）針對(duì)該工程的失效情況，提出相應(yīng)措施，并且經(jīng)過500 m再次掘進(jìn)后，發(fā)現(xiàn)失效情況很大程度上已經(jīng)減緩并趨于正常的磨損失效。