淺談盾構機刀具的檢測與更換技術

李思南 王愛輝 唐 恒 劉繼成

（濟南中鐵重工軌道裝備有限公司，濟南 250000）

盾構機的刀盤是盾構施工實現(xiàn)破巖掘進的主要部件，其中起決定性作用的就是應用在刀盤上的各類盾構刀具。盾構刀具的種類分為滾刀、撕裂刀、刮刀等很多種，用于應對各種復雜的地質條件，但由于盾構機的刀具在掘進過程中直接與巖石接觸，隨著刀盤的轉動，接觸應力波動范圍較大，再加上地下巖層的不確定性，往往導致刀具的使用壽命并不長。在刀具損毀的情況下，為能夠第一時間發(fā)現(xiàn)，最快速度更換，高效正常地進行盾構施工，刀具的磨損檢測以及更換技術成為盾構施工中一項非常重要的技術。

1 刀具的磨損檢測技術

盾構機的刀具往往會因為磨損嚴重而導致失效，其中，常見的失效形式有：刀圈磨損或斷裂、崩刃、弦磨、刀圈松動、軸承磨損失效等。除刀圈的磨損為正常損壞以外，其余失效形式均屬于非正常損壞。目前，常用的刀具的磨損失效檢測技術主要有以下五種：增加刀具磨損感應裝置；使用異味添加劑；分析掘進參數(shù)；分析渣土形狀以及開艙檢查。

1.1 增加刀具磨損感應裝置

在刀具或刀盤內(nèi)安裝液壓或電子傳感器系統(tǒng)，一旦刀具磨損到一定程度就會自動提示報警。圖1為帶有磨損檢測器的掛刀原理圖。該系統(tǒng)由探測部分、發(fā)訊部分、接收部分三部分組成，采用線路連接，可同時在到盤上安裝多個這種帶有檢測器的刀具，使檢測結果更加及時準確。

圖1 帶有磨損檢測器的刮刀原理圖

而應用于滾刀上的磨損檢測裝置，比較常見的則是采用液壓油缸從刀盤伸出至滾刀刀尖，通過比較伸出的行程與最開始行程的差值判斷滾刀的磨損量。此外，還有一些采用液壓短路、光纖維短路或者超聲波等方式來判斷滾刀磨損的檢測裝置。

1.2 使用異味添加劑

使用異味添加劑這種方法廣泛應用于TBM（硬巖掘進機）中，主要原理是在滾刀的軸承潤滑油中，添加一種具有刺鼻異味的添加劑，當掘進過程中滾刀因磨損出現(xiàn)漏油的情況，施工作業(yè)人員會在第一時間聞到添加劑泄露散發(fā)出的刺鼻氣味，從而快速準確地獲得刀具磨損失效的信息，在第一時間停機并對刀具進行更換。

這種檢測方法同樣也存在一定的弊端，比如，在不進入土倉時無法準確判斷需要更換的刀具具體位置；在漏油前無法判斷刀具的磨損情況；適用范圍不廣，并不適用于土壓平衡盾構施工或泥水盾構施工。

1.3 分析掘進參數(shù)

隨著刀具的磨損，在推力不變的情況下，掘進速度一般會越來越低，扭矩越來越高，根據(jù)這些數(shù)據(jù)同樣可以估測刀具的磨損狀況。但是，由于掘進的速度和扭矩受到很多因素的影響，如轉速的變化、推力的變化、地層的變化以及土壓的變化等，所以單憑掘金的參數(shù)往往還是難以直接得到準確的結論。

1.4 分析渣土形狀

分析渣土形狀顧名思義就是根據(jù)排出渣土的形狀、大小、成分等來判斷刀具的磨損狀況。一般情況下，新刀切削下來的巖石塊度較大，大多為棱角分明的片塊狀；在刀具磨損后，巖石的塊度就會變小，同時還會夾雜較多的粉末一并排出。另外，還可以通過觀察排出的渣土中有無金屬塊狀物，這些金屬極有可能就是崩裂的刀圈或其他刀具。

1.5 開艙檢查

開艙檢查是最常用也是最可靠的方法，在停機后由工人進艙刀具逐個進行排查，從而了解刀具的磨損情況。需要注意的是在不穩(wěn)定的地層中，需要在開艙前進行加壓或對土體加固處理，因此，是這五種方案中危險系數(shù)最大的。

2 刀具的更換技術

2.1 準備工作

當通過檢測發(fā)現(xiàn)存在磨損失效的刀具時，就必須及時安排人員進入土倉進行換刀作業(yè)。刀具的更換是一項十分復雜的工作，必須在確保人身安全的前提下進行，因此，在更換刀具之前必須做好充分的準備工作。

（1）在進行換刀作業(yè)之前，首先必須對施工情況有一個整體規(guī)劃，對施工區(qū)地質情況需要調(diào)查清楚，重點留意施工的重難點，并提前策劃好應對各重難點的技術方案。開倉之前應與盾構機主司機及土木工程師共同討論，落實刀具損壞情況，確定出最佳的開倉換刀方案，同時備好所需的材料和工具，提前做好人員培訓工作。

（2）材料與設備的準備工作是決定換刀效率快慢的重要因素，物資和材料準備得充分，往往使換刀工作能夠達到事半功倍的效果。此外，換刀作業(yè)需要用到的工具同樣決定了換刀作業(yè)的效率，提前準備好包括風動扳手、手拉葫蘆等先進的作業(yè)工具，同時檢查盾構機各個系統(tǒng)的運行情況，做好水電以及高壓空氣的供應工作，確保作業(yè)人員在一個良好的環(huán)境內(nèi)進行換刀作業(yè)。

（3）盾構機的換刀是一項十分危險的作業(yè)工序，因此，除換刀作業(yè)人員外，還必須單獨組織成立一個應急救援小隊。救援小隊成員必須經(jīng)過專業(yè)的培訓且具有換刀作業(yè)的經(jīng)驗，以防止意外情況發(fā)生。

（4）開倉前需要嚴格執(zhí)行規(guī)定的審查流程，先由工程部門討論并總結出開倉相關技術方案，經(jīng)過土木總工程師和機電總工程師審查確認，報項目經(jīng)理并簽發(fā)，最后經(jīng)過業(yè)主和監(jiān)理同意后，方可開倉換刀。

2.2 刀具的更換流程

以盤形滾刀為例，刀具的更換作業(yè)必須按部就班的進行。首先是換刀的順序，一般情況下，應從中心滾刀開始，隨后依次向外，對每個滾刀逐一檢查并更換。當檢查到磨損失效的刀具時，需先用懸掛在土倉頂部吊耳上的手動倒鏈將失效滾刀運出，再將裝配位置清洗干凈，之后依次將新刀具運送進入土倉并逐個進行安裝。安裝完畢后必須用扭矩扳手緊固所有螺栓達到規(guī)定扭矩并做好標記。

在換刀作業(yè)時需要注意以下幾點：

（1）磨損后的刀具并不一定沒有使用價值，按照規(guī)定，單刃正面滾刀的最大磨損極限為25mm，而單刃側面滾刀的最大磨損極限為15mm，因此，為了節(jié)約成本，更換下來的側面滾刀有時還可繼續(xù)用作正面滾刀。

（2）為平均每一個刀具的貫入量及受力情況，相鄰的兩個刀具最大磨損量差值不得超過15mm，如出現(xiàn)相鄰刀具最大磨損差值大于15mm的情況，應立即對其中磨損較嚴重的刀具進行拆卸并更換。

（3）為確保刀具刀軸螺栓的緊固，建議在盾構機掘進一至兩環(huán)后，對刀具螺栓進行二次緊固。

2.3 常壓情況下的換刀作業(yè)

當盾構掘進的地層為穩(wěn)定性較強的硬巖或自穩(wěn)能力強的地層時，可視具體情況采用不帶壓進倉，在常壓環(huán)境下進行換刀作業(yè)。

常壓狀態(tài)下的換刀作業(yè)操作流程從前往后大致分為以下幾步：刀盤刀具的清理工作、刀具磨損情況的檢查評估工作、換刀計劃的制定工作、損壞失效刀具的拆除工作、新刀具的安裝工作、刀具更換的記錄工作、設備運行前的整體檢查工作。為了設備的正常運行，上述幾個步驟缺一不可。

2.4 帶壓情況下的換刀作業(yè)

泥水盾構施工和土壓平衡盾構施工時，由于開挖地層不穩(wěn)定，在不加壓的情況下易發(fā)生塌陷，因此，在刀具磨損失效時，則需要施工人員在帶壓環(huán)境下進倉對刀具進行檢查和更換。人員艙的加壓與減壓必須嚴格按照國家《空氣潛水減壓技術要求》GB1251-2008所規(guī)定的原則執(zhí)行，不能擅自更改調(diào)整。

以土壓平衡盾構施工的帶壓換刀為例，帶壓換刀前首先要保證具備以下幾個條件：

（1）帶壓換刀地段土倉應具有良好的氣密性，保證不會發(fā)生較大的氣體泄漏，如氣密性不好需進行加固處理。

（2）刀盤的前方不能出現(xiàn)股狀水，如出現(xiàn)股狀流水必須提前進行加固。

（3）土壓最大不得超過0.36Mpa。

確認帶壓換刀條件允許后，即可開始進行帶壓換刀作業(yè)，帶壓換刀主要原理是通過在土倉內(nèi)建立合理的氣壓用來平衡周圍水土的壓力，從而實現(xiàn)穩(wěn)定掌子面、防止地下水外滲的作用，為刀具更換提供良好的作業(yè)環(huán)境。

土壓平衡盾構帶壓換刀作業(yè)工藝流程大致分為以下幾步：停機→土倉注膨潤土→超前注漿加固→出土至人倉口以下→檢測氣密性→確定壓力→帶壓檢查→帶壓換刀作業(yè)→脫困掘進→正常掘進。

其中，檢測氣密性不只是針對土倉，還要對人員艙進行氣密性實驗。如果人員艙出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，則需要立即對人員艙門進行密封處理；如果土倉氣密性不好，則需要返回之前的步驟，再注入膨潤土和注漿加固，直到保證土倉在兩小時內(nèi)壓力不會發(fā)生波動為止。

帶壓檢查要求專業(yè)工程技術人員帶壓進入土倉，對當前地質情況以及刀具的狀況進行檢查并確認，根據(jù)檢查結果制定換刀方案，同時，安排各項準備工作。其中，對地質情況的檢查內(nèi)容主要是：地層加固效果、土倉透水情況、地層取樣、掌子面地質情況等；刀具的檢查內(nèi)容主要是：檢測刀具磨損量、檢測刀盤面板磨損量以及其他關鍵部位磨損情況。

施工人員在帶壓換刀作業(yè)必須嚴格按照技術部門制定的方案進行，配合盾構機操作人員以及緊急救援人員，逐一對磨損失效的刀具進行拆卸和更換。更換刀具建議按照先易后難的原則進行，優(yōu)先處理便于更換的刀具。拆卸螺栓使用氣動扳手，緊固螺栓使用手動扭矩扳手，充分保證刀具安裝的質量。需要注意的是為了安全起見，帶壓作業(yè)嚴禁使用電動工具，因此，在拆除刀具時如出現(xiàn)斷螺栓情況，通常會采用兩種處理方法：當出現(xiàn)螺栓斷裂且斷面在螺孔外的情況時，直接使用扳手拆除即可；當出現(xiàn)螺栓斷裂且斷面在螺孔內(nèi)的情況時，需要先用風動手鉆打孔，再用取絲器取出斷裂的螺栓。另外，若刀具發(fā)生了偏磨現(xiàn)象，則掌子面就會出現(xiàn)突出于掌子面的巖石，若換上新刀具后沒有處理就開始掘進，會導致新?lián)Q刀具在一開始掘進就以很大的貫入量切削巖石，使刀具極易出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，對刀具的損害非常大，嚴重影響施工效率，因此，為避免上述情況發(fā)生，當發(fā)現(xiàn)舊刀具存在偏磨現(xiàn)象時，在刀具更換完成后必須將突出的巖石進行切削處理。

長期處于帶壓環(huán)境下會使人感到疲勞，因此，作業(yè)人員在帶壓環(huán)境下最多不得超過三個小時，如作業(yè)超過三小時，作業(yè)人員需要立即出倉休息，并安排新一組人員進倉作業(yè)。所有刀具的檢查更換工作都進行完畢后，作業(yè)人員需將所有帶入土倉的作業(yè)工具全部拿出，后由技術人員對更換完成的刀具的質量做最后的檢查，確認所有人員及作業(yè)工具都離開土倉后，關閉倉門繼續(xù)掘進工作。

3 結語

隨著科技的發(fā)展，21世紀是隧道及地下空間大發(fā)展的時代，中國作為世界上最大的隧道及地下工程施工市場，前景十分廣闊。盾構機的刀具的檢測技術和更換技術在近幾年發(fā)展迅速，針對各種復雜的地質條件，對應研發(fā)出了各種不同的刀具檢測和刀具更換技術，掘進效率逐步提高，施工安全性也得到了極大保障。目前，刀具的檢測技術已經(jīng)實現(xiàn)了機器遠程檢測，未來將主要以提高檢測的精度為目的進一步發(fā)展刀具的檢測技術。至于刀具的更換技術，目前還必須由作業(yè)人員親自進入土倉進行更換，如未來能夠突破換刀自動化的瓶頸，實現(xiàn)換刀機械或換刀機器人代替人工進行換刀作業(yè)，不僅能節(jié)省人力物力資源，還能極大提高工作效率，保障施工作業(yè)安全。