硬巖滾刀的失效統(tǒng)計分析及研制關(guān)鍵技術(shù)

劉建東LIU Jian-dong

（中鐵建華南建設(shè)（廣州）高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，廣州 511466）

0 引言

隨著國家不斷加大城市地鐵、管廊、引水工程、高鐵及公路工程的建設(shè)，與之相關(guān)的隧道施工項目呈爆發(fā)式增長，大量盾構(gòu)和TBM施工項目上馬的同時，其配套消耗產(chǎn)品盾構(gòu)刀具需求量巨大。硬巖滾刀作為隧道掘進機破巖的核心工具，其性能優(yōu)劣不僅關(guān)系施工效率，更是直接影響施工成本和施工安全[1]。隨著國家863計劃、火炬計劃等基金支持，近十年盾構(gòu)刀具制造與應(yīng)用技術(shù)有明顯提升，但與國外技術(shù)相比仍存在很大不足，尤其在復(fù)雜地質(zhì)，國產(chǎn)硬巖滾刀的損壞頻率仍然較高，同時國產(chǎn)刀具還未批量出口，盾構(gòu)刀具的某些關(guān)鍵配件還需進口[2-3]。因此，有必要對硬巖滾刀在復(fù)雜地質(zhì)中的應(yīng)用情況進行統(tǒng)計并分析其失效形式和內(nèi)在原因，針對性提出提升硬巖滾刀綜合性能的關(guān)鍵技術(shù)，為高壽命硬巖滾刀的研制提供參考方向。

1 滾刀破巖機理

滾刀按照一定規(guī)律均勻布置在刀盤的各個位置，當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)時，滾刀隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)而公轉(zhuǎn)，同時由于滾刀與巖石間的摩擦力，滾刀會沿著刀軸的切線方向自轉(zhuǎn)。盾構(gòu)及前方的掌子面會留下一系列同心圓軌跡，該軌跡為各滾刀與巖石相互作用產(chǎn)生的痕跡，各同心圓間的半徑差值即為刀間距。

滾刀破巖過程具體可分為三部分：擠壓階段、起裂階段和破碎階段。首先滾刀在盾構(gòu)機推進油缸巨大的推力下擠壓巖石，即為擠壓階段；當(dāng)推力大于巖石的單軸抗壓強度時，刀刃貫入巖石內(nèi)部，巖石開始起裂，即為其裂階段；隨著巖石產(chǎn)生的裂紋越來越大，每相鄰兩個刀間距產(chǎn)生的裂紋貫穿，并隨著滾刀的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，巖層大面積脫落，達(dá)到破巖效果[4-6]。

2 滾刀結(jié)構(gòu)及失效形式

2.1 滾刀的結(jié)構(gòu)組成

由圖1可知，滾刀主要由刀軸、刀圈、刀體、端蓋、軸承、浮動密封、擋圈等零件組成。刀軸固定在刀箱上，刀圈和刀體隨著刀盤的公轉(zhuǎn)進行自轉(zhuǎn)，其中刀圈是與巖石主要接觸的零部件，也是最易損壞的部件，其不同刃口形狀和刃寬尺寸適應(yīng)不同的地層狀況。

圖1 單刃滾刀結(jié)構(gòu)組成

2.2 滾刀的失效形式

滾刀作為和巖石產(chǎn)生相互作用的部件，經(jīng)常面臨失效問題，基本反映在刀圈上，需對刀圈進行更換。常見的失效形式主要有正常過度磨損、刀圈偏磨、刀圈斷裂、刀圈崩刃、刀圈卷刃等[7]，表現(xiàn)形式如圖2所示。

圖2 滾刀常見失效形式

2.2.1 正常過度磨損

正常過度磨損是指滾刀刀圈的磨損量超過了規(guī)定限值，表現(xiàn)形式為均勻磨損，如圖2（a）所示。一般工程上設(shè)定的滾刀更換標(biāo)準(zhǔn)為：正面滾刀刀圈磨損量超過30mm，邊滾刀刀圈磨損量超過15mm。正常磨損一般發(fā)生在地質(zhì)相對單一的地層中，通常以掘進里程判斷滾刀的耐磨性能，若更換該種破壞形式滾刀的頻率過高，則說明其耐磨性差。

2.2.2 刀圈偏磨

刀圈偏磨指刀圈各部位的磨耗程度不一致，也稱非均勻磨損。刀圈偏磨往往會造成推力增大、刀盤扭矩增大，使掘進效率下降。造成刀圈偏磨的原因有很多，主要有密封失效導(dǎo)致軸承損壞、上軟下硬地層導(dǎo)致滾刀受力不均、滾刀啟動扭矩過大等，最常見的是第一種。

2.2.3 刀圈斷裂及崩刃

盾構(gòu)機掘進過程中往往產(chǎn)生突發(fā)的巨大撞擊，導(dǎo)致刀圈崩裂或崩刃，主要由于刀圈的抗沖擊韌性不足。刀圈斷裂導(dǎo)致滾刀無法正常轉(zhuǎn)動，嚴(yán)重時會脫落，掉入土倉，喪失破巖能力。

2.2.4 刀圈卷刃

刀圈卷刃表現(xiàn)形式為刀刃受力發(fā)生屈服變形。一種原因是刀圈本身強度較低，易發(fā)生變形；另一種原因是刀圈材料的抗回火性能差，隨著刀圈與巖石摩擦產(chǎn)生的高溫，刀圈變軟。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

廣佛東環(huán)線龍洞站～大源站區(qū)間共計3.4km，項目采用兩臺土壓平衡盾構(gòu)機進行盾構(gòu)法隧道施工，刀盤開挖直徑9150mm，刀盤開口率約為35%，采用復(fù)合型刀盤，共配置6把中心雙聯(lián)滾刀、38把19寸正面滾刀、12把19寸邊緣滾刀及若干把刮刀。

盾構(gòu)掘進區(qū)間穿越地層以中風(fēng)化、強風(fēng)化花崗巖和孤石為主，根據(jù)地勘報告，隧道埋深較淺段圍巖分為Ⅴ～Ⅵ級，深埋段巖體完整處圍巖分級為Ⅲ～Ⅳ級?；◢弾r風(fēng)化不均勻嚴(yán)重，基巖面起伏較大，洞頂及洞身局部分布有孤石，巖石單軸抗壓強度為80～85MPa。以上行線（左線）為例，盾構(gòu)掘進里程區(qū)間為DSK29+885.939～DSK31+940，共計3.36km，具體地質(zhì)情況如表1所示，中風(fēng)化花崗巖地段（W2）占比達(dá)到24%，軟硬不均段占比達(dá)到15.97%，屬于施工難度較大的地質(zhì)狀況，對滾刀綜合性能的考驗極其嚴(yán)峻。

表1 龍大盾構(gòu)區(qū)間上行線地質(zhì)情況

3.2 滾刀失效統(tǒng)計分析

對龍大區(qū)間上行線（左線）的典型地質(zhì)段進行詳細(xì)的換刀數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采樣區(qū)間里程為DSK29+885.9～DSK31+209.3，共計1323m，共735環(huán)，穿越地質(zhì)主要有W3/W4花崗巖段、W2花崗巖段、和上軟下硬段，其間還存在孤石。換刀統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 龍大上行線（左線）部分區(qū)間換刀數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表2可知，失效概率最高的形式為正常磨損和偏磨，分別為35.48%和34.70%；其次為刀圈炸裂或刀圈崩刃，占比為25.45%；其他失效形式主要有刀圈磨尖、刀圈移位、擋圈掉落或刀箱配件損壞等問題，占比較低，僅為4.37%。

正常磨損、刀圈炸裂或崩刃可分別對應(yīng)刀圈的耐磨性能和刀圈韌性方面的原因，但造成刀圈偏磨的原因較多，經(jīng)對項目上刀具維修情況進行調(diào)研，在統(tǒng)計的25把偏磨失效的滾刀中，有22把內(nèi)部軸承已被泥漿侵蝕，無法正常轉(zhuǎn)動，且密封圈已經(jīng)失效，占比高達(dá)88%。因此，基本可認(rèn)為刀圈偏磨大概率是由密封失效造成的。

3.3 試驗分析

3.3.1 硬度及沖擊韌性檢測分析

對項目上的失效刀圈進行抽查試驗，共8個刀圈，每個刀圈出自不同廠家，失效類型涵蓋刀圈偏磨、正常磨損、刀圈斷裂或崩刃。試驗內(nèi)容主要包括硬度檢測和韌性檢測，硬度檢測參照GB/T 230.1-2018《金屬洛氏硬度試驗》標(biāo)準(zhǔn)進行測量；由于滾刀刀圈硬度較高，普通缺口拉床無法精準(zhǔn)拉出V型或U型缺口，因此本沖擊實驗采用10mm×7mm×55mm無缺口試樣，試驗方法參照GB/T 229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，為減小隨機誤差，每種刀圈進行三次沖擊，取其平均值作為沖擊韌性。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 刀圈樣品硬度及韌性檢測數(shù)據(jù)

據(jù)表3可知，目前市場上刀圈材料主要以H13鋼為主，不同刀圈硬度和韌性相差較大，結(jié)合破壞形式可以分析得出，沖擊韌性較低的刀圈易斷裂或崩刃，但其硬度較高，例如2號刀圈；正常磨損或偏磨的刀圈硬度較低、但其沖擊韌性較好，例如3號、8號刀圈。

經(jīng)過硬度和沖擊試驗分析，滾刀的整體性能很大程度與刀圈性能存在直接關(guān)系，根據(jù)沈陽工業(yè)大學(xué)劉鐸[8]，金屬材料的硬度和耐磨性呈正比關(guān)系，硬度越高，其耐磨性能越好。硬度和韌性同時呈反比關(guān)系，硬度越高其韌性越差，以目前的H13鋼等刀圈材料，很難做出高硬度和高韌性兼具的性能，因此在硬巖滾刀領(lǐng)域，還有很大提升空間。

3.3.2 刀圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化工程試驗分析

廣佛東環(huán)線龍大區(qū)間局部地層為高強度的中風(fēng)化花崗巖，單軸抗壓強度可達(dá)85MPa，經(jīng)過理論分析，決定將滾刀刃口弧度由原來的R6改為了R11，減小刃寬，并增加腰部厚度提升刀圈整體強度，由于刀圈與巖石的接觸面積變小，壓強增大，可使?jié)L刀的破巖效率大幅增加。在硬度較高的地層中，更換優(yōu)化后的滾刀進行工程試驗，得到結(jié)果如表4所示。

表4 工程試驗新舊刀圈磨損對比

由表4可知，在硬度較高的硬巖地質(zhì)中，將刀圈刃寬減小后的滾刀破巖效率明顯提升，在磨損量基本一致的前提下，多推進了2～3環(huán)。因此，在滾刀結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，若能針對不同地層進行相匹配的優(yōu)化改進，可明顯提升破巖效率，降低換刀頻率。

4 高性能滾刀研制的關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)過項目的換刀數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，正常過度磨損、偏磨、刀圈斷裂或崩刃是最常見的失效形式。其中，正常過度磨損根據(jù)刀圈磨損的快慢評判其性能優(yōu)劣，若換刀頻繁，說明刀圈硬度較低，耐磨性較差，或刀圈結(jié)構(gòu)與地層狀況不匹配，使其破巖效率較低；刀圈偏磨產(chǎn)生的原因大概率由于滾刀密封失效導(dǎo)致，在高溫的環(huán)境中密封圈性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致土倉中的泥水進入滾刀內(nèi)部，侵蝕軸承，使?jié)L刀無法正常轉(zhuǎn)動；刀圈斷裂或崩刃主要由于刀圈韌性較差，在頻繁的巖石撞擊下，刀圈易裂紋或崩斷。因此，根據(jù)刀圈最常見失效形式的內(nèi)因分析，提出三點高性能滾刀研制的關(guān)鍵技術(shù)：

4.1 高耐磨性、高韌性的刀圈研制關(guān)鍵技術(shù)

該關(guān)鍵技術(shù)可分兩方面：第一，高性能刀圈材料的研究，具備良好沖擊韌性和良好耐磨性能是提升刀圈壽命的根本，也是研究的重點，在成本合理的前提下，研發(fā)出可靠優(yōu)良的合金鋼是當(dāng)務(wù)之急；第二，研制出使刀圈耐磨和韌性兼具的加工工藝，例如改變熱處理工藝，使刀圈呈現(xiàn)外硬內(nèi)軟的梯度硬度，或?qū)Φ度Ρ砻孢M行特殊的工藝處理，使其表面附著硬度較高的耐磨材料。

4.2 高穩(wěn)定性的滾刀密封研制關(guān)鍵技術(shù)

該技術(shù)分為兩方面：第一，改用穩(wěn)定性較好的密封圈，在高溫、沖擊、灰塵的惡略環(huán)境下，依然能保持良好性能的密封圈；第二，改變滾刀密封結(jié)構(gòu)，使?jié)L刀的密封性能更加可靠。

4.3 與地層高度適應(yīng)的滾刀結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

滾刀的破巖效率和刀圈結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，不同刀刃寬度、刀刃形狀適應(yīng)的地層條件也存在差異。刀刃較窄的刀圈破巖效率高，適用于較硬巖層；刀刃較寬的刀圈破巖效率較低，適合磨蝕性高的地層。需根據(jù)工程的地質(zhì)情況設(shè)計合適的刀圈結(jié)構(gòu)，才能更好的提升滾刀破巖效率和使用壽命。

5 結(jié)論

通過對廣佛東環(huán)線地鐵項目的換刀數(shù)據(jù)統(tǒng)計、刀圈硬度及韌性的試驗檢測分析，得出以下結(jié)論：

①滾刀最常見的失效形式為刀圈正常過度磨損、刀圈偏磨、刀圈斷裂或崩刃，在廣佛東環(huán)線項目中失效概率分別為35.48%、34.70%、25.45%。

②沖擊韌性較差的刀圈易發(fā)生刀圈斷裂、崩刃現(xiàn)象；沖擊韌性較好的刀圈硬度值相對較低；偏磨刀圈大概率由于密封失效導(dǎo)致的軸承破壞所造成。

③刀刃較窄的刀圈破巖效率高，適用于較硬巖層；刀刃較寬的刀圈破巖效率較低，適合磨蝕性高的地層。

④高性能滾刀的研究可圍繞高耐磨性高韌性的刀圈研制關(guān)鍵技術(shù)、高穩(wěn)定性的滾刀密封研制關(guān)鍵技術(shù)和與地層高度適應(yīng)的滾刀結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)展開。