盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中刀具損壞及維修措施探討

夏常遠(yuǎn)

（中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

北京地鐵施工的調(diào)查顯示，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)量占據(jù)了總施工量的45%，可以看出盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的工作量十分巨大，其出現(xiàn)的磨損情況也較為嚴(yán)重。對(duì)于磨損的刀具，施工人員要及時(shí)進(jìn)行維修，使盾構(gòu)機(jī)可以繼續(xù)工作，保證施工進(jìn)度，也幫助企業(yè)降低生產(chǎn)成本。

1 刀具損壞對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的影響

在我國(guó)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(guò)400 mm 的地層中，而切削刀則主要用在粒徑低于400 mm 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。

2 盾構(gòu)機(jī)刀具的損壞類型

2.1 刮刀損壞

刮刀在使用過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意其前角與后角的傾斜程度，應(yīng)處于5°～20°，具體情況需要隨著地層的變化而調(diào)整，粘黏性強(qiáng)的土地中度數(shù)可以較高，砂卵石、泥沙等松軟疏松的地形中度數(shù)則較小。如果施工人員沒(méi)有注意這些細(xì)節(jié)，很容易導(dǎo)致刮刀出現(xiàn)損壞。刮刀損壞的具體表現(xiàn)形式有以下4 種。

（1）正常損壞。在盾構(gòu)機(jī)逐漸前進(jìn)過(guò)程中，油缸會(huì)為其提供巨大的動(dòng)力，動(dòng)力傳遞給盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)將動(dòng)力作用在刀盤(pán)與刀具上，所以盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)的速度越快，刮刀的磨損也就越嚴(yán)重。刮刀的磨損情況通常為由內(nèi)而外、由點(diǎn)及面，刀盤(pán)內(nèi)刀具的轉(zhuǎn)速雖然保持一致，但是地形結(jié)構(gòu)不同、刀具的應(yīng)用位置也有所不同，在同樣的作業(yè)時(shí)間之內(nèi)，外部的刀具因?yàn)槭芰γ娣e大、損壞程度較為嚴(yán)重，而刀具邊緣以及刀尖部分工作量較小，其磨損程度也較小。

（2）刀刃崩裂。在一些充滿硬質(zhì)巖石的地層中，盾構(gòu)機(jī)不斷作業(yè)會(huì)直接影響刀刃，如果刀刃落在較硬的巖石上且?guī)r石硬度超過(guò)了刀具的本身硬度，刀具會(huì)發(fā)生斷裂甚至破碎。

（3）刀刃斷裂。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，如果施工人員沒(méi)有提前根據(jù)地質(zhì)情況選擇刀具，導(dǎo)致刀具的性能與材質(zhì)無(wú)法滿足施工要求，或刀具本身存在質(zhì)量問(wèn)題等，均會(huì)使刀具出現(xiàn)斷裂。

（4）刀刃掉齒。刮刀的刀齒多為焊接，其與刀盤(pán)的連接質(zhì)量如果不達(dá)標(biāo)，當(dāng)刮刀遇見(jiàn)較硬的地層時(shí)，刮刀焊接處會(huì)崩裂，導(dǎo)致刀具掉齒。

2.2 滾刀損壞

滾刀也是盾構(gòu)機(jī)中經(jīng)常使用的刀具，其在使用過(guò)程中出現(xiàn)損壞的概率較高。根據(jù)損壞位置、磨損原因的不同，可以分為以下4 種。

（1）刀圈磨損。盾構(gòu)機(jī)中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)單邊磨損問(wèn)題，其主要原因是刀圈部分出現(xiàn)了問(wèn)題，如滾刀不再轉(zhuǎn)動(dòng)。盾構(gòu)機(jī)多邊磨損問(wèn)題也與滾刀有關(guān)，如滾刀刀圈結(jié)構(gòu)不穩(wěn)固以及轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定等。

（2）刀圈斷裂。刀圈在運(yùn)行過(guò)程中，隨著盾構(gòu)機(jī)動(dòng)力的增加，其受到的沖擊力也不斷增加，導(dǎo)致刀具的刀刃開(kāi)裂，如果盾構(gòu)機(jī)沒(méi)有及時(shí)停止作業(yè)，刀體會(huì)在沖擊力的作用下從刀圈上脫落下來(lái)。另外，如果施工人員沒(méi)有事先進(jìn)行地質(zhì)分析、盲目選擇了錯(cuò)誤規(guī)格的刀圈，也會(huì)導(dǎo)致刀圈斷裂。

（3）軸承以及密封裝置的損壞。在盾構(gòu)機(jī)中，軸承作為刀具體系的主要構(gòu)成部分，可以在作業(yè)過(guò)程中為其提供保護(hù)，使其在安全的環(huán)境下工作。根據(jù)調(diào)查研究表明，我國(guó)滾刀的平均使用時(shí)間為700 h，而使用了軸承保護(hù)的刀具則可以達(dá)到900 h。如果施工人員一味地追求工作效率，使軸承長(zhǎng)時(shí)間處于超負(fù)荷狀態(tài)，就會(huì)導(dǎo)致軸承的提前毀壞。

（4）密封問(wèn)題。刀具有時(shí)會(huì)出現(xiàn)漏油情況，有時(shí)泥沙會(huì)順著縫隙進(jìn)入軸承內(nèi)部，導(dǎo)致刀具破壞，這是因?yàn)榈毒吲c刀蓋部分的密封出現(xiàn)了問(wèn)題。出現(xiàn)這種問(wèn)題的原因較多，如刀具部件質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、裝配質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、巖石沖擊等。

3 刀具維修技術(shù)

3.1 刀具選擇

刀具是盾構(gòu)機(jī)工作的保證，其質(zhì)量與性能的高低會(huì)直接影響盾構(gòu)機(jī)的工作能力，所以，在刀具的選擇方面，工作人員要格外慎重，施工人員需要根據(jù)施工環(huán)境、地形、巖層、深度的不同選擇正確的刀具。如：當(dāng)盾構(gòu)機(jī)要使用大型刀盤(pán)進(jìn)行土地切削時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇魚(yú)尾刀進(jìn)行作業(yè)，并且魚(yú)尾刀應(yīng)當(dāng)比其他刀具的位置超出600 mm，保證其可以最先進(jìn)行工作。此外，在使用刀具之前，工作人員還要仔細(xì)審核刀具的型號(hào)、性能、使用時(shí)間、尺寸等，檢測(cè)其質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)、滿足施工要求。

3.2 刀具檢查

進(jìn)行刀具維修之前，施工人員應(yīng)首先明確刀具是否存在問(wèn)題，因此，應(yīng)當(dāng)使用刀具檢查技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，主要包含刀盤(pán)檢查與刀具檢查兩方面。一方面，工作人員要先檢查刀盤(pán)的磨損程度，觀察刀具的軸承與密封處是否可以繼續(xù)工作，避免刀盤(pán)的面板、支柱以及輻條出現(xiàn)裂縫、缺口、變形等問(wèn)題。另外一方面，施工人員要檢驗(yàn)刀具，查看其是否結(jié)實(shí)耐用、在刀盤(pán)上是否穩(wěn)定，發(fā)現(xiàn)刀具不穩(wěn)固的情況時(shí)要檢查螺絲是否出現(xiàn)松動(dòng)、脫落以及損壞情況，如果損壞要及時(shí)維修，當(dāng)無(wú)法維修時(shí)可以直接更換[1]。還要對(duì)刀具的擋圈進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)擋圈脫落時(shí)維修人員要立刻維修，使其回到原本的位置上，擋圈被折斷時(shí)要及時(shí)更換，保證設(shè)備的繼續(xù)運(yùn)行。

3.3 刀具更換

掘進(jìn)過(guò)程中刀具會(huì)發(fā)生損壞，這時(shí)工作人員可以更換刀具部件。刀具的替換需要按照“合理、迅速、科學(xué)、安全”的原則。

（1）刀盤(pán)轉(zhuǎn)角的確定。維修人員更換刀具時(shí)，要先確認(rèn)刀盤(pán)轉(zhuǎn)角的具體位置，不能讓刀盤(pán)的開(kāi)口處正對(duì)土壓倉(cāng)口，保護(hù)工作人員的安全。工作人員可以在刀盤(pán)的附近設(shè)置參照物，以此確定刀盤(pán)位置，也可以使用專業(yè)的傳感器進(jìn)行定位，減少人為判斷的誤差。

（2）刀盤(pán)清理。當(dāng)外界的碎石、灰塵、泥沙進(jìn)入刀盤(pán)之后，刀盤(pán)的工作效率降低，此時(shí)，維修人員需要對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行清理。刀盤(pán)的刀位區(qū)域應(yīng)當(dāng)在低氧與有氧的環(huán)境下進(jìn)行清理，保證刀盤(pán)的整潔。

（3）刀具拆除。修理刀盤(pán)時(shí)，應(yīng)當(dāng)拆除已經(jīng)損壞的刀具。在刀盤(pán)清理結(jié)束之后，維修人員應(yīng)運(yùn)用風(fēng)動(dòng)扳手拆除刀具的螺栓，拆除損壞刀具之后再將其送到碴倉(cāng)之外，而刀具的螺絲帽則可以用割槍進(jìn)行清除。螺栓帽出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，工作人員需要降低割槍的氧氣同時(shí)減少乙炔流量，避免溫度過(guò)高毀壞刀座的螺栓部分。

（4）刀具安裝。工作人員在用新刀具替換已損壞的刀具時(shí)，要保證新道具的清潔干凈，刀具上不能有水珠，避免潮濕導(dǎo)致刀具生銹。使用割除法時(shí)可能會(huì)造成刀具損壞，此時(shí)維修人員應(yīng)當(dāng)對(duì)損壞部分進(jìn)行打磨，修復(fù)其破損部分。

3.4 刀圈安裝

刀圈屬于鋼制品，由一些較為罕見(jiàn)的材料制成，其硬度、吸收力、耐磨能力等功能較為優(yōu)良，其中蘊(yùn)含的鐵、鎳、鑰等元素都可以提升刀圈的質(zhì)量。因此，維修人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)刀刃的大小來(lái)選擇合適的刀圈。刀圈的安裝一般為熱裝，維修人員會(huì)先將刀圈加熱，加熱工具為工業(yè)烤箱，其程式組的容量為300 Pattern/300 Step，運(yùn)行時(shí)間需要達(dá)到100 h。工作人員將其與電腦連接，記錄溫度曲線，當(dāng)?shù)度Φ臏囟燃訜岬?000 ℃后要持續(xù)加熱2 h，加熱結(jié)束之后再將其安裝在刀體上面[2]。

3.5 檢查軸承與調(diào)整預(yù)緊度

在掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)施工環(huán)境的不同會(huì)導(dǎo)致軸承受到不同方向的沖擊力，當(dāng)軸承出現(xiàn)問(wèn)題則說(shuō)明刀具的密封性已經(jīng)有所損壞，維修人員應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)節(jié)軸承的松緊度。為了減少軸承問(wèn)題，維修人員應(yīng)當(dāng)應(yīng)用圓錐滾子軸承。圓錐滾子軸承的代號(hào)為30000，其中多密封雙列軸承以及四列軸承使用效果極佳。改變傳統(tǒng)的全密封軸承技術(shù)，使用密封+防塵的新型密封技術(shù)，也會(huì)提高軸承部分的密封效果。同時(shí)，這種多密封的雙列軸承以及四列軸承質(zhì)量更高，比普通軸承的使用周期要高出30%～40%，同時(shí)減少80%的潤(rùn)滑劑消耗，減少企業(yè)施工成本。

3.6 密封安裝與氣密性檢查

刀具應(yīng)當(dāng)進(jìn)行密封安裝，在安裝時(shí)要注意刀具的平面度需要符合施工標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意密封處的干凈整潔，避免其氣密性降低。工作人員要做好研磨工作，刀具維修結(jié)束之后，維修人員還應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。也可以使用氣密性檢測(cè)技術(shù)將空氣進(jìn)行壓縮，并將其注射到刀具的內(nèi)部，隨后觀察刀具情況，如果在一定時(shí)間內(nèi)刀具內(nèi)的氣壓仍然穩(wěn)定，則說(shuō)明其維修完成，刀具可以再次應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)作業(yè)[3]。

4 結(jié)論

綜上所述，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。因此需要使用科學(xué)合理的刀具維修技術(shù)，保證刀具可以正常用于施工中，以此提升盾構(gòu)機(jī)的施工效率，減少企業(yè)施工成本。