盾構(gòu)機(jī)刀具的選型及其磨損分析

張瑞孔 山東易斯特工程工具有限公司

一、刀具對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的影響

在我國目前的盾構(gòu)機(jī)施工中，使用的刀具按照原理不同主要?jiǎng)澐譃閮煞N，一種為滾刀類，另一種為削刀類。根據(jù)施工隧道中巖石性質(zhì)、使用目的、結(jié)構(gòu)形態(tài)的不同，還可以進(jìn)一步的劃分成超前刀、貝型刀等。滾刀可以作用在粒徑超過400mm的地層中，而切削刀則主要用在粒徑低于400mm的地層中。使用這些刀具時(shí)，刀具會(huì)因?yàn)榈貙又械氖^、堅(jiān)硬土層等因素出現(xiàn)磨損，刀具磨損程度越大，施工效率就會(huì)越低，當(dāng)?shù)毒咄耆珦p壞之后，盾構(gòu)機(jī)就不能再進(jìn)行正常作業(yè)。因此，工作人員應(yīng)當(dāng)明確刀具的使用方法，正確判斷刀具的磨損程度，并選擇正確的方式進(jìn)行維修，確保盾構(gòu)機(jī)的正常使用。

二、盾構(gòu)刀具的選擇要點(diǎn)

“軟土配備切刀，硬巖配備滾刀”是目前廣泛認(rèn)同的一種說法。切刀主要應(yīng)用于軟土的切削以及具有較小粒徑卵石、沙土的巖土層，且要求切削巖土層硬度小于20MPa；先行刀布置于其他刀具前，為切刀創(chuàng)造良好切削環(huán)境。在砂卵石地質(zhì)環(huán)境中，齒刀和切刀配合使用可以起到很好切削效果。為了清理渣土，還應(yīng)該在刀盤開口部位配置刮刀。滾刀主要應(yīng)用在硬巖地質(zhì)當(dāng)中，并且其刀圈在切削過程中起到關(guān)鍵作用。其中，在硬度為80～100MPa的軟巖層常使用耐磨層刀圈；在50～150MPa地層中常采用標(biāo)準(zhǔn)鋼圈；在120～250MPa的硬巖層中常采用重型鋼圈。為了保證刀具工作強(qiáng)度，刀具在刀盤上的連接方式會(huì)因地質(zhì)環(huán)境差異有所不同。在砂卵石地質(zhì)工作環(huán)境下，盾構(gòu)刀具常采用嵌入式螺栓或銷連接，這樣連接便于更換刀具，且牢固不易脫落；對(duì)于粉砂、黏土等地質(zhì)比較松軟地段，刀具連接常采用焊接形式。

三、盾構(gòu)機(jī)刀具磨損異常分析

1.刀具磨損后盾構(gòu)出土異常及地表塌陷。盾構(gòu)刀盤滾刀產(chǎn)生偏磨后對(duì)巖層切削機(jī)理發(fā)生改變，造成偏磨滾刀無法充分切削大塊巖塊，致使大量大塊石進(jìn)入土艙內(nèi)，造成粒徑大于螺旋機(jī)輸土口的塊石沉淀、壘積在土艙底部位置，導(dǎo)致螺旋機(jī)輸土困難，或螺旋機(jī)卡死現(xiàn)象。由于復(fù)合地層段盾構(gòu)刀盤、刀具磨損嚴(yán)重，土艙內(nèi)充滿大塊巖石，土艙各區(qū)域土壓無法及時(shí)按設(shè)定土壓建立，難以正常進(jìn)行土壓平衡控制，在這種異常情況下進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工將造成地面嚴(yán)重沉降現(xiàn)象，甚至造成地面塌陷現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 地表塌陷現(xiàn)場

2.刀具磨損后掘進(jìn)參數(shù)異常。上行線盾構(gòu)在均勻粉砂性地層掘進(jìn)施工時(shí)，盾構(gòu)各項(xiàng)施工參數(shù)正常，盾構(gòu)掘進(jìn)速度為15mm/min，盾構(gòu)刀盤扭矩為3000kN?m，盾構(gòu)總推力為25000kN，盾構(gòu)土艙壓力可及時(shí)建立，且土艙內(nèi)土壓波動(dòng)較小。但在復(fù)合地層段短距離掘進(jìn)后，盾構(gòu)刀盤溫度過高，且土艙內(nèi)溫度已超過60℃，影響盾構(gòu)機(jī)主軸承密封，導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)速度緩慢；刀盤扭矩達(dá)3500kN?m，總推力達(dá)29000kN，且土壓力出現(xiàn)異常波動(dòng)，各區(qū)域土壓力偏差較大，土壓計(jì)在推進(jìn)過程中無法達(dá)到設(shè)定讀數(shù)，當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)左右區(qū)平均土壓設(shè)定值為0.145MPa，推進(jìn)過程中實(shí)際土壓讀數(shù)為0.105MPa。此外，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中向土艙內(nèi)加注水或膨潤土，土壓力上升很快，土艙下部土壓力小于中部土壓力，且停機(jī)期間土壓力還顯示負(fù)值，非常異常。

四、提升盾構(gòu)機(jī)刀具的相關(guān)措施

1.采用新型耐磨堆焊工藝。以往對(duì)刀具表面進(jìn)行堆焊耐磨層時(shí)，選擇的焊條中鎢含量較高，在焊接之后會(huì)導(dǎo)致其表面產(chǎn)生裂紋。刀具在遇到硬巖沖擊載荷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生耐磨層斷裂。針對(duì)于以往堆焊存在的問題，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，降低焊條中W的含量，提高Ni和V的含量，同時(shí)加入Nb元素，可以使堆焊層硬度達(dá)到HRC63-65，并具有較好的韌性。這不僅可以避免堆焊開裂，還可具有較低的摩擦系數(shù)，同時(shí)增強(qiáng)了刀圈與刀體的結(jié)合力。

2.采用新加工工藝。刀具制造先是經(jīng)過冶煉鋼材、鍛造毛坯、熱處理、數(shù)控加工、焊接及堆焊耐磨層等工藝，然后再進(jìn)行裝配。這種制造工藝所生產(chǎn)的刀具，若所選鋼材內(nèi)部組織不好，有較大的殘余應(yīng)力，將使生產(chǎn)出來的刀具容易崩裂。新的加工工藝，將刀圈采用中頻感應(yīng)真空熔煉，再配合輥鍛加工，刀圈的毛坯組織排列較好，韌性明顯提升。

3.增強(qiáng)刀具耐磨性能。為確保滾刀磨損量控制在允許范圍內(nèi)，針對(duì)盾構(gòu)穿越上軟下硬復(fù)合地層段時(shí)周邊滾刀易磨損現(xiàn)象，在下行線盾構(gòu)始發(fā)前對(duì)周邊滾刀進(jìn)行更換，并加強(qiáng)周邊滾刀刀刃厚度，增加刀具強(qiáng)度，并對(duì)中心滾刀進(jìn)行更換。盾構(gòu)經(jīng)過上述措施的改進(jìn)后，在上行線穿越后續(xù)15m長的復(fù)合地層段后周邊滾刀磨損量為8mm，中心滾刀最大磨損量為5mm，在未進(jìn)行中途換刀的前提下順利穿越了下行線上軟下硬復(fù)合地層段，且刀具磨損量控制在了允許范圍內(nèi)。下行線盾構(gòu)穿越復(fù)合地層段后，周邊滾刀最大磨損量為10mm，中心滾刀最大磨損量為6mm。

4.合理采用熱處理工藝。需要根據(jù)刀具工作原理、挖掘狀況以及材料的熱加工性能，對(duì)刀具進(jìn)行高溫淬火加高溫回火，可以有效提高刀具的綜合性能。通過高溫淬火可使碳化物充分溶解，合金組織均勻。再進(jìn)行高溫回火，則可以有效消除殘余應(yīng)力。經(jīng)熱處理后刀具硬度高、耐磨性強(qiáng)，且具有一定的韌性。

結(jié)論：綜上，在盾構(gòu)機(jī)施工中刀具會(huì)出現(xiàn)磨損，此時(shí)需要維修人員進(jìn)行修理。在較硬的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中工作時(shí)，刀具會(huì)出現(xiàn)磨損加速情況，影響盾構(gòu)機(jī)的施工。本文對(duì)盾構(gòu)刀具選擇，盾構(gòu)機(jī)刀具磨損異常，提升盾構(gòu)機(jī)刀具的相關(guān)措施進(jìn)行分析，為以后盾構(gòu)機(jī)刀具選取、減少刀具磨損以及刀具更換提供了一定參考價(jià)值。