盾構機掘進中刀具損壞及維修措施探討

張若飛

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

盾構機作為隧道掘進的專用機械設備，掘進作業(yè)中需要結合不同地質(zhì)條件選擇刀具。遭遇硬巖地段，容易發(fā)生刀具損壞問題，還要結合損壞情況采取科學維修措施，確保盾構施工順利開展。因此，對盾構機掘進中刀具損壞及維修措施展開研究，為隧道施工提供專業(yè)技術保障。

1 盾構機刀具選擇

在盾構機掘進過程中，刀具作為重要部件，要根據(jù)地質(zhì)、地形等條件進行選擇，保證刀具質(zhì)量和性能符合施工要求。根據(jù)盾構機工作原理可知，刀具對巖石進行破除時分為切削和滾壓兩種方式，滾壓破巖方式，是利用滾刀在巖石上旋轉施加剪切力和沖擊力，促使巖石被壓碎和碾碎，適用于硬土、砂礫豐富和巖石多的地段[1]。切削方式是利用刮刀等切削刀具沿著運動軌跡對巖石進行切削，適用于砂層、土層和軟質(zhì)地巖石地段。結合巖石硬度、地層條件等因素，對硬巖土層開挖時通常選用滾刀，開挖砂質(zhì)地層通常選用切刀，配合采用邊緣刮刀能減少刀具的磨耗。合理選擇刀具，才能保證盾構機發(fā)揮最大效能。

而在盾構機掘進過程中，刀具或多或少將發(fā)生磨損，遭遇不同地形條件會造成刀具發(fā)生不同程度的損壞，必要時應更換刀具，保證刀具鋒銳度，繼而使掘進施工在規(guī)定時間內(nèi)完成。

2 盾構機掘進中刀具損壞形式

2.1 刮刀損壞形式

在盾構機掘進期間，刮刀常常用于對其他刀具進行保護，因此經(jīng)常出現(xiàn)失效，影響掘進效率。正常使用情況下，盾構機向前推力將通過刀盤施加到地層，使得刀具磨損呈由內(nèi)向外趨勢。而刀具擁有相同公轉角速度，所在半徑不同使得各刀具線速度存在差異，外部刀具行程多，切削任務量大，磨損速度也隨之提升。邊刀位置刀尖距密，分配給各刀具的破巖量相對少一些，磨損速率有所下降。但在硬質(zhì)巖層，刮刀直接在巖層上作用，刀具硬度小于巖層硬度將發(fā)生崩裂。即便刀具硬度足夠，掘進轉速過快也將給刀刃帶來嚴重沖擊，造成刮刀斷裂。此外，刮刀的刀齒通常采取焊接方式與刀盤連接，焊接不合格容易發(fā)生掉齒現(xiàn)象。

2.2 滾刀損壞形式

滾刀多適用于硬巖石地段，因此常常發(fā)生損壞情況。正常掘進過程中，滾刀無法轉動將出現(xiàn)單邊磨損，時轉時停會出現(xiàn)多邊磨損。巖體過硬，刀圈受到較大振動，可能導致刀體脫落、刀圈斷裂。滾刀通常硬度較大，除了刀具發(fā)生損壞，也有可能出現(xiàn)軸承與密封裝置損壞問題。在刀具系統(tǒng)中，軸承要保證刀具可靠、安全運行，正常使用壽命在900 h 以上，但施工中常常出現(xiàn)超負荷狀況，導致軸承提前損壞[2]。

刀體和刀蓋之間存在浮動密封，掘進期間可能發(fā)生損壞，導致刀具漏油，泥沙進入刀體，最終導致系統(tǒng)失效。此外，利用滾刀切削硬土，開挖面容易形成“砂輪效應”，切削熱量在刀盤面板上聚集，形成高熱區(qū)，使刀箱中的渣土快速固結成泥餅，最終導致滾刀無法自轉。

3 盾構機掘進中刀具的維修措施

3.1 刀具檢查

結合刀具損壞形式可知，刀具失效與刀具自身質(zhì)量、裝配質(zhì)量、使用工況等因素有關，因此在盾構施工期間需要定期檢查。為防止刀具過度勞損，可以根據(jù)刀具磨損量推測刀具是否處于有效使用狀態(tài)，合理安排刀具檢查和更換工作。實際施工中，盾構機刀具發(fā)生較大損耗時，總推力不變的條件下掘進速度將下降、扭矩增加，因此可以結合掘進參數(shù)對刀具狀況進行判斷：

式中，v 是盾構機推進速度，n 是刀具轉速，k1為常數(shù)，W0和T0是掘進摩擦力和扭矩，W1和T1是總推力和總扭矩。

對刀具進行檢查，首先要完成刀盤磨損情況記錄，判斷主軸承油脂狀態(tài)能否達到要求，并做好操作面板和軸承支柱檢查，保證不存在開裂、變形等問題。檢查刀具時，要先確認刀具與刀盤的連接、固定螺絲等零件完好，擋圈無明顯移位，整體連接牢固。確認刀圈完好后計算磨損數(shù)值，確定是否需要更換刀具。如更換滾刀，正滾刀最大磨損數(shù)值通常為25 mm，邊滾刀20 mm，超出數(shù)值需要立即更換。在強化盾構機掘進效果的同時，降低刀具損壞的概率，延長刀具的使用壽命。

3.2 更換管理

更換刀具具有一定的危險性，應加強更換過程管理。更換前，首先要確認更換刀具的基本參數(shù)適用于工程地質(zhì)條件，提高刀具的使用能力，為可靠施工提供保障。更換的刀具應為批量產(chǎn)品，通過批量更換控制換刀次數(shù)，使人員安全得到最大限度地保障。掘進質(zhì)地硬的巖石時，由于地殼穩(wěn)定，可以進行無壓力換刀。提前做好技術交底，制定具體換刀計劃，根據(jù)特殊部位磨損程度提出科學換刀方案，確定最佳開倉位置和做好材料準備，能夠使刀具更換重點得到把控[3]。為保證換刀迅速，還應提前準備風動扳手、吊機等輔助設施與材料，并做好盾構機整體性能檢查和調(diào)試，確保作業(yè)環(huán)境良好。負責換刀的人員應經(jīng)過專業(yè)培訓，能夠熟練進行換刀操作，掌握刀具操作規(guī)范和維修養(yǎng)護技能，并能應對突發(fā)狀況?？紤]到換刀操作的危險系數(shù)較高，應制定應急預案和建立應急小組，使意外得到有效控制。此外，應建立開倉審批流程，由土木、機電等多專業(yè)聯(lián)合確認，進一步提高刀具更換操作的安全性。

在實際更換刀具時，應先確定參照物位置，從而判斷最佳旋轉角度。必要時可以利用仿真模型和傳感裝置測量旋轉角度，提高刀具更換位置的精準度。禁止在刀盤開口與土倉口重疊時換刀，以免人員受傷。按照刀具更換步驟，要先清理刀盤。在開倉口，可以利用設備向內(nèi)部輸送7 min 高壓風，降低刀盤溫度，并增加內(nèi)部環(huán)境氧氣值。用水沖洗刀盤，然后對刀片位置進行更換。利用螺旋輸送設備在主軸承下放置碴，然后對刀具進行檢查，確認拆除后，利用大功率風動扳手將刀盤上的螺絲釘拆除，將刀具送至回碴倉。

操作過程中，應控制割槍內(nèi)氧氣和乙炔流量，保證各項操作符合規(guī)范，以免底座、刀具螺栓孔出現(xiàn)損傷。對刀具進行重組，應保證各零件干燥、整潔，表面無水珠，以免發(fā)生銹蝕。針對遭到損傷的接觸面，應進行打磨和修復。在更換過程中，應注意做好刀具檢查，保證位置居中，更換后對所用工具進行檢查，避免遺忘在倉內(nèi)，導致設備受損。此外，需要完成刀具更換過程的詳細記錄，為后續(xù)更換和維修刀具提供依據(jù)。

3.3 維修關鍵

刀具維修階段應正確安裝刀圈。目前，刀圈多采用硬度和變形能力較好的鋼制品，原材料中包含鎳、鈷、鐵等合金元素，以提高刀圈的耐磨性。結合刀具大小，應進行適當內(nèi)徑刀圈的匹配安裝。刀圈多采用熱裝方式，利用工業(yè)烤箱加熱至2000 ℃左右，使刀圈保持良好延展性，加熱2 h 后在正確位置套裝。其次，要重視軸承檢查和預緊度調(diào)整工作。軸承可以發(fā)揮調(diào)整設備受力方向的作用，通常采用以徑向受力為主的圓錐滾子軸承，故障主要由外部環(huán)境腐蝕、刀具密封失效引發(fā)[4]。在掘進參數(shù)不準的情況下，軸承將發(fā)生破裂，還要通過調(diào)整軸承間隔圈厚度保證刀具啟動力矩與回轉力矩符合規(guī)范。最后，刀具安裝還應做好氣密性和密封性檢查。在密封條件下進行刀具安裝，應保證密封表面滿足光潔度、平整度控制要求。針對動密封，安裝前應進行清潔和研磨。完成刀具維修后，需要在刀體中注入一定量壓縮氣體，確認氣壓在一定時間內(nèi)維持正常數(shù)值，進而保證刀具氣密性符合要求。

4 盾構機掘進中刀具損壞維修實踐

4.1 工程概況

某高鐵工程施工期間采用盾構機掘進，但盾構區(qū)間地質(zhì)構造、水文條件復雜，給盾構施工帶來了較大困難。工程地層頂端為砂層，土質(zhì)均勻性較差，縱向分布軟硬變化段，底部為微風化和中風化灰?guī)r和泥巖。

4.2 刀具配置

結合工程地質(zhì)情況，按照常規(guī)硬巖復合刀盤進行始發(fā)刀盤配置，采用16Mn 材料，厚度達到750 mm，可以對復合地層產(chǎn)生大推力和偏心受壓。刀盤面板上焊接Hardox 耐磨格柵，增強刀盤耐磨性能。采用的主切削刀具為全斷面硬巖滾刀，包含雙刃滾刀、單刃滾刀、固定殼刀、小刮刀、大刮刀和貝克刀。搭配耐沖擊軟合金刮刀和邊緣鏟刀，減輕硬巖對輔助刀具的沖擊。

4.3 損壞分析

前期盾構施工共完成12 次換刀作業(yè)，累計更換滾刀99 把、刮刀40 把。結合刀具檢查和更換記錄可知，刀具在不同巖性地層磨損和損壞形式存在較大差異，整體正常磨損較小，但多次發(fā)生斷裂脫落情況。在對中風化巖石進行破碎時，滾刀磨損較快。由于巖塊具有粘結性，掘進期間擠壓至刀刃兩側，造成刀刃磨耗嚴重，出現(xiàn)磨尖現(xiàn)象。在泥巖中掘進時，刀盤表面被泥團和巖塊附著，形成嚴重泥餅。在微風化和中風化交界面掘進時，多次遭遇孤石，導致滾刀出現(xiàn)斷裂、崩缺。從泥巖向灰?guī)r掘進時，滾刀頻繁出現(xiàn)軸承散架，導致整刀卡死。在巖體切削期間，刮刀與滾刀高差較小，時常因受力過大而脫落。

4.4 維修措施

通過綜合分析發(fā)現(xiàn)，無論在哪種地層，20 mm 標準刀和26 mm寬刃刀均頻繁發(fā)生斷裂情況，而鑲合金滾刀表現(xiàn)出較強的耐沖擊性，未出現(xiàn)斷裂，因此滾刀全部采用鑲合金刀圈。針對外圈滾刀卡死問題，需要增加刀圈外圈直徑，同時為避免超挖，在最外緣刀箱位置安裝刀具，有效應對筒體變形情況?？紤]到泥餅形成容易導致刀具受損，需適當增加刀盤開口率，保證兩側渣土順利排出。結合這一目標，去除正面中心區(qū)的小刮刀，并對貝克刀進行焊接，在有效避免刀具脫落的同時，降低泥餅形成風險。面板兩側刮刀還應對刀座進行加固，在輻條上對刮刀背面焊接保護擋塊，增大刀座支撐力。用高強度螺栓連接邊緣刀具與刀座，同時對刀具四周和刀座接觸位置進行滿焊連接，防止刀具脫落。此外，為提高軸承抗沖擊性能，在不改變滾刀安裝尺寸的基礎上，調(diào)整刀具內(nèi)部結構，將輕型軸承改裝為重型，提高結構承載力，解決軸承散架問題。

5 結語

在隧道掘進施工中，除了做好盾構機刀具的選擇，還要及時進行刀具檢查，以便發(fā)現(xiàn)刀具損壞問題。結合工程地質(zhì)條件和刀具損壞形式，制定合理的刀具更換策略，利用專業(yè)技術進行刀具維修，使盾構機保持高效工作狀態(tài)，延長刀具使用壽命，在提高工程效益的同時，保證盾構施工安全。