盾構(gòu)機(jī)硬巖掘進(jìn)時(shí)滾刀異常損耗的控制方法

康曉亮，許旭明

（中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門分公司，福建廈門 361006）

0 引言

本次地鐵施工中采用的盾構(gòu)機(jī)為直徑6.45 m 的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤為6 主梁及6 面板的復(fù)合形式，裝配全盤滾刀。本次區(qū)間隧道長度約為1087 m，期間主要穿越中砂、殘積性砂質(zhì)黏性土、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、中風(fēng)化花崗巖等，位于區(qū)間末端存在一段基巖突起，左線長約190 m，右線長約130 m，巖石強(qiáng)度約為（80～120）MPa，且存在軟硬不均、裂隙水多等特點(diǎn)。

1 科學(xué)選擇刀具的必要性

區(qū)間施工難點(diǎn)為基巖突起段的掘進(jìn)施工，復(fù)合式刀盤整體強(qiáng)度大，在硬巖掘進(jìn)過程中可抵抗掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)及沖擊力，但單個(gè)刀具的受力情況較復(fù)雜，刀具選擇不合理時(shí)易出現(xiàn)損壞情況，科學(xué)合理選擇刀具的必要性有以下3 點(diǎn)：

（1）刀具更換經(jīng)濟(jì)成本高。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間進(jìn)行換刀時(shí)，條件允許的情況可進(jìn)行常壓換刀，否則需進(jìn)行帶壓換刀，無論哪種換刀方式都會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，換刀的人工費(fèi)用一般都需十幾萬元。同時(shí)滾刀的購置成本高，國產(chǎn)滾刀每把約為1.7 萬元，中心刀每把約3.4 萬元，若使用不當(dāng)易造成推進(jìn)一兩環(huán)即損壞的情況，易造成巨大的生產(chǎn)成本。換刀時(shí)產(chǎn)生的施工等侯期，間接費(fèi)用（人員、設(shè)備等）每天高達(dá)幾萬元。

（2）刀具更換時(shí)間成本高。當(dāng)進(jìn)行停機(jī)更換刀具時(shí)，少則3 到4 天，多則半個(gè)月，頻繁換刀會(huì)擠占整體工期，增加施工壓力。

（3）頻繁換刀對(duì)設(shè)備、施工影響大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。盾構(gòu)機(jī)經(jīng)常性停機(jī)換刀時(shí)，設(shè)備故障率會(huì)升高，不利于設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)；同時(shí)盾構(gòu)機(jī)經(jīng)常性停機(jī)易對(duì)周圍土體環(huán)境造成一定影響，易造成土體松動(dòng)、盾構(gòu)機(jī)下沉等情況，不利于施工安全。

2 刀具掘進(jìn)情況分析

左線盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)于第698 環(huán)接觸上軟下硬地層，第714 環(huán)進(jìn)入全斷面硬巖，掘進(jìn)至第751 環(huán)時(shí)開倉換刀。此次更換下的刀具損壞嚴(yán)重，大部分刀圈基本屬于報(bào)廢狀態(tài)。

右線盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)于第702 環(huán)接觸上軟下硬地層，第710 環(huán)進(jìn)入全斷面硬巖，掘進(jìn)至第737 環(huán)時(shí)開倉換刀。此次更換下的刀具損壞嚴(yán)重，刀圈基本屬于報(bào)廢狀態(tài)。刀圈損壞情況見統(tǒng)計(jì)表1。

表1 刀圈損壞情況統(tǒng)計(jì)

表2 刀具磨損情況匯總

由表2 可知，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的滾刀異常損壞情況以刀圈偏磨、刀圈崩裂為主要表現(xiàn)，中心滾刀損壞率為100%，同時(shí)伴有軸承損壞的情況。此次刀具的更換周期為盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入硬巖段掘進(jìn)約50 環(huán)。

3 原因分析

盾構(gòu)機(jī)在硬巖掘進(jìn)過程中刀具磨損的主要影響因素有：①滾刀參數(shù)未根據(jù)地層進(jìn)行調(diào)整；②廠家生產(chǎn)工藝不成熟；③盾構(gòu)機(jī)缺乏維護(hù)保養(yǎng)；④盾構(gòu)機(jī)性能差；⑤盾構(gòu)司機(jī)施工經(jīng)驗(yàn)少、缺少相關(guān)培訓(xùn)；⑥地勘數(shù)據(jù)不詳細(xì)；⑦巖層強(qiáng)度過高；⑧掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置不合理；⑨工序銜接不當(dāng)。

經(jīng)過分析，盾構(gòu)機(jī)為國內(nèi)知名廠家研發(fā)生產(chǎn)，性能可靠，維修保養(yǎng)均有專人負(fù)責(zé)，盾構(gòu)施工工藝較為成熟，工序銜接合理，前期對(duì)基巖突起段已做過詳實(shí)的地勘工作，對(duì)地層狀況及巖石強(qiáng)度均有了解，因此造成刀具異常損壞的主要原因有：①滾刀參數(shù)未根據(jù)地層進(jìn)行調(diào)整；②盾構(gòu)司機(jī)施工經(jīng)驗(yàn)少、缺少相關(guān)培訓(xùn)；③掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置不合理。中心滾刀因在刀盤中心受到扭矩較大，極易造成刀具的異常損壞，保證中心刀的正常損耗是一大難點(diǎn)。

4 制定對(duì)策

4.1 優(yōu)化刀具參數(shù)

滾刀刀具在生產(chǎn)之前需進(jìn)行參數(shù)的設(shè)計(jì)確定，以便滾刀能適應(yīng)不同類型的地層。經(jīng)過分析研究，滾刀參數(shù)進(jìn)行以下針對(duì)性改進(jìn)：①刀圈刃口由原來的25 mm 變?yōu)?0 mm；②刀具的啟動(dòng)扭矩由原來的25 kN·m 提高至28 kN·m；③對(duì)刀圈硬度重新調(diào)整，刀圈硬度由54～56 調(diào)整至57～59；

4.2 舉辦相關(guān)培訓(xùn)學(xué)習(xí)

針對(duì)硬巖掘進(jìn)盾構(gòu)司機(jī)缺少相關(guān)的施工經(jīng)驗(yàn)，組織相關(guān)的技能知識(shí)培訓(xùn)：①盾構(gòu)機(jī)的系統(tǒng)知識(shí)培訓(xùn)，使盾構(gòu)司機(jī)了解盾構(gòu)機(jī)的性能參數(shù)，在平時(shí)操作過程中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)；②舉辦刀具知識(shí)培訓(xùn)。盾構(gòu)司機(jī)了解滾刀的工作原理及相關(guān)技術(shù)參數(shù)的應(yīng)用，在掘進(jìn)過程中可根據(jù)掘進(jìn)情況預(yù)估刀具的工作情況；③舉辦盾構(gòu)司機(jī)交流會(huì)。

4.3 合理設(shè)置掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)司機(jī)經(jīng)過培訓(xùn)，掌握了盾構(gòu)機(jī)在硬巖掘進(jìn)過程中的操作方法，對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)，主要從以下3方面進(jìn)行：①刀盤的轉(zhuǎn)速適當(dāng)提高，由原來的1.2 r/min 提高至1.5～1.7 r/min；②貫入度由原來的4～5 mm 減至2～3 mm；③盾構(gòu)機(jī)推力由原來的1500～1900 t 降至1000～1300 t。

5 效果檢查

5.1 刀具情況

左線掘進(jìn)至第834 環(huán)時(shí)開倉進(jìn)行刀具檢查，發(fā)現(xiàn)中心刀損壞3 把，刀圈偏磨的有2 把，刀圈崩裂的有1 把，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)83環(huán)。右線施工掘進(jìn)至第827 環(huán)時(shí)，開倉進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)共有7 把單刃滾刀達(dá)到磨損極限，磨損量在11～18 mm，刀圈偏磨的有1把，刀圈崩裂的有1 把，中心刀損壞1 把，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)90 環(huán)。

工程結(jié)束后，對(duì)刀具進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，刀圈除正常磨損外，滾刀的偏磨、崩裂等異常損壞在可控范圍內(nèi)。刀圈損壞情況統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 刀圈損壞情況統(tǒng)計(jì)

通過觀察、測(cè)量，在后面的一百多環(huán)硬巖掘進(jìn)過程中，滾刀刀圈異常損壞率控制在10%以下，中心刀損壞率控制在50%以下。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

通過對(duì)刀具參數(shù)的調(diào)整、人員的培訓(xùn)，滾刀的異常損壞率明顯降低，減少刀具更換的數(shù)量和次數(shù)，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語

盾構(gòu)機(jī)在硬巖掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)制定合理的刀具選型方案，并對(duì)施工盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)制定施工作業(yè)指導(dǎo)書。同時(shí)在今后盾構(gòu)機(jī)硬巖掘進(jìn)施工中，應(yīng)密切注意以下3 點(diǎn)：

（1）根據(jù)地質(zhì)勘探情況，選擇合理的破巖刀具，同時(shí)在掘進(jìn)過程中碰到異常情況，及時(shí)與刀具廠家溝通，雙方協(xié)商研討解決對(duì)策。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)過程中嚴(yán)格控制推進(jìn)參數(shù)，以高轉(zhuǎn)速、小貫入度為掘進(jìn)原則，實(shí)時(shí)注意刀盤情況，切實(shí)保護(hù)刀具。

（3）及時(shí)總結(jié)推進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)記錄掘進(jìn)記錄表，開展經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)，為日后掘進(jìn)提供經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，同時(shí)培養(yǎng)一批技術(shù)能手。