盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中刀具損壞問題及其維護(hù)

汪熙洋

（中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176）

0 引言

21 世紀(jì)后，城市化進(jìn)程加快，交通擁堵等問題嚴(yán)重影響城市生活品質(zhì)，地下空間資源開發(fā)成為城市可持續(xù)發(fā)展的重要方向。目前日本、法國等國家在地下工程實(shí)踐方面取得顯著成果，隨著各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城軌交通等工程對(duì)盾構(gòu)機(jī)大量需求，盾構(gòu)機(jī)在隧道施工中得到迅速發(fā)展。盾構(gòu)法施工對(duì)隧道周圍土體擾動(dòng)小、不需拆除已有建筑物，盾構(gòu)法施工成為地下空間開發(fā)的主要施工方法。刀具配置直接影響施工效率及刀盤壽命，刀具磨損是盾構(gòu)施工的難題，刀具磨損后安全高效進(jìn)行更換尤為重要。目前對(duì)刀具磨損情況掌握不足，成為制約掘進(jìn)速度的重要因素。研究表明，刀具日常維護(hù)保養(yǎng)及更換時(shí)間占施工成本的1/3。刀具配置是否合理，直接影響盾構(gòu)機(jī)刀盤使用壽命。刀具磨損后經(jīng)濟(jì)地更換是重要的課題。研究盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)刀具維護(hù)對(duì)盾構(gòu)施工具有重要借鑒意義。

1 盾構(gòu)機(jī)簡介

盾構(gòu)機(jī)是將機(jī)械等多學(xué)科技術(shù)集于一體的大型綜合施工設(shè)備，用于地鐵修建等大型地下工程建造。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在施工安全、有利于環(huán)保、適用于多種土質(zhì)等。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道施工具有施工速度快、開挖隧道可控制地面沉降，在地下開挖不影響地面交通等優(yōu)點(diǎn)[1]。隧道掘進(jìn)機(jī)地質(zhì)針對(duì)性強(qiáng)，用于硬巖地層隧道掘進(jìn)機(jī)為TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘進(jìn)機(jī)）。盾構(gòu)機(jī)類型主要分為機(jī)械式、手掘式等。

手掘式盾構(gòu)機(jī)需對(duì)開挖面加固，適用于軟硬間雜的開挖面；半機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)安裝掘土機(jī)械，在加固輔助方面與手掘式相同，適用地質(zhì)包括固結(jié)粉及黏土等；擠壓式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，土體從胸板上開口處擠壓入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)，適用于沖積形成粉質(zhì)砂土層；機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)前部裝旋轉(zhuǎn)刀盤，適用于開挖面可自立穩(wěn)定洪積地層；土壓式盾構(gòu)機(jī)把土料作為穩(wěn)定挖掘面介質(zhì)，分為加水、加泥土壓與復(fù)合土壓盾構(gòu)機(jī)，可使掘削土砂流動(dòng)性增強(qiáng)。泥土壓式在土質(zhì)應(yīng)用方面最廣泛，適用于粉土等固結(jié)度較低的軟基。高水壓地基中需采取其他措施保證土壓平衡。盾構(gòu)機(jī)主要組成包括刀盤刀具、推進(jìn)系統(tǒng)，排土機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)等。

目前盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)刀具分為滾刀與切削刀，滾刀破巖是刀盤在力作用下橫向轉(zhuǎn)動(dòng)、縱向推進(jìn)，使刀盤滾刀在開挖面切削系列溝槽，溝槽產(chǎn)生裂隙。第二個(gè)刀刃產(chǎn)生溝槽比第一個(gè)延遲一定角度，使盾構(gòu)機(jī)破巖挖掘土體向前掘進(jìn)。隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，刀具受到刀盤作用力對(duì)開挖面產(chǎn)生軸向剪切力，刮刀不斷向開挖面前方土體切削。刮刀把盾構(gòu)機(jī)刀盤前方土體刮削，邊緣刮刀削軟土，可以破碎抗壓強(qiáng)度30 MPa 以下巖石，起到保護(hù)刀盤結(jié)構(gòu)的作用。盾構(gòu)機(jī)刀盤如圖1 所示。

2 盾構(gòu)機(jī)刀具結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)依靠馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)切削開挖面土層。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤根據(jù)地質(zhì)條件分為軟土與硬巖布置形式[2]。刀盤是刀具安裝部位部件，設(shè)置在盾構(gòu)機(jī)最前方，對(duì)切削面有支撐作用，能攪拌密封艙內(nèi)的泥水。盾構(gòu)機(jī)刀盤依據(jù)掘進(jìn)段地質(zhì)條件等因素設(shè)計(jì)。刀盤結(jié)構(gòu)對(duì)地層適應(yīng)性表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)形式、扭矩系數(shù)等方面。對(duì)刀具合理選用維護(hù)決定盾構(gòu)掘進(jìn)工程質(zhì)量及進(jìn)度。

盾構(gòu)機(jī)刀盤形式分為面板式、輻條式。根據(jù)施工要求選擇不同的刀盤形式。面板式刀盤由開口刀盤組件拼接，刀盤上設(shè)有渣土進(jìn)箱開口等。開口率在10%～30%，滾刀安裝在刀盤上。面板式刀盤有足夠空間安裝布置滾刀，但不利于渣土排出，刀盤表面易附著黏土，降低掘進(jìn)效率[3]。輻板式刀盤通過寬條輻連接組成，能通過輻板結(jié)構(gòu)形式對(duì)開挖土體有支撐作用，保證開口及時(shí)排出土渣。其通過輻條與刀盤中心連接組成，切削刀盤刀具布置在輻條兩側(cè)，對(duì)渣土流動(dòng)性較好的底層，輻條式刀盤提供充裕的開口。對(duì)自穩(wěn)性較差的粉土底層不能提供足夠支護(hù)力。土壓平衡盾構(gòu)刀盤可采用輻條式，不同形式刀盤結(jié)構(gòu)開口等情況不同，實(shí)際施工中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)段底層復(fù)雜多變，涉及淤泥、軟硬巖等。

盾構(gòu)機(jī)刀盤支撐方式與直徑、土質(zhì)對(duì)象等有關(guān)，分為中間與周邊支撐式。中心支撐式結(jié)構(gòu)簡單，刀盤密封直徑小，開挖土砂流動(dòng)量好；由于空間狹小，處理大塊石等困難，中心刀盤偏荷載作業(yè)難以確保面板強(qiáng)度。中間支撐式采用雙數(shù)橫梁支撐，易滿足刀盤面板所需荷載強(qiáng)度。軟巖下易在橫梁中間形成泥餅，影響掘進(jìn)速度。周邊支撐式形狀采用環(huán)狀與方柱形，有利于大塊巖石的處理[4]。支撐方式在黏土底層掘進(jìn)應(yīng)做好預(yù)防措施。盾構(gòu)機(jī)刀具配置是影響掘進(jìn)成功的重要因素，通常根據(jù)不同地層選擇不同刀具類型。盾構(gòu)機(jī)刀具劃分有多種形式，包括根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式，安裝方式等。按安裝位置分為中心刀具、超前刀具等。

3 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)刀具磨損分析

盾構(gòu)施工中會(huì)出現(xiàn)刀具磨損，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換會(huì)加快其他刀具磨損，盾構(gòu)機(jī)刀具磨損成為影響工程質(zhì)量的關(guān)鍵性問題。盾構(gòu)刀具磨損形式分為正常與異?？呐霰例X，在粗砂地層中刀具磨損以前者為主，在膠結(jié)巖層及卵石圓礫地層后者占比較高。硬巖中滾刀損壞形式有多種，主要分為軸承損壞，刀圈損壞等，刀圈偏損是常見損壞方式。

切削刀開挖中基本形式為通過刀刃切削使被開挖土體產(chǎn)生應(yīng)力超過自身強(qiáng)度，使分離土體發(fā)生變形脫離母體，土屑隨切削刀進(jìn)入刀盤開口。切削刀土體變形分為3 個(gè)變形區(qū)域，刀具開挖的土屑具有不同的流體形態(tài)，常見的有剝離型等，土屑不同流體形態(tài)與切削角度等因素有關(guān)。土屑的流動(dòng)狀態(tài)取決于被切削土層形成土屑破壞力學(xué)狀態(tài)，斷裂型土屑由于剪切作用形成塑性變形。土屑流動(dòng)形態(tài)隨著開挖土層土質(zhì)變化改變[5]。含水率較低土層土屑由斷裂型轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)型。盾構(gòu)機(jī)刀具對(duì)開挖面土體產(chǎn)生軸向剪切力，不斷完善開挖動(dòng)作。切削中刀具通常沿開挖面運(yùn)動(dòng)，切入開挖面運(yùn)動(dòng)，刀具通過刀刃對(duì)土體施加壓力，以土屑形式沿刀面流出。

圖1 盾構(gòu)機(jī)刀盤

盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中刀具磨損快，在硬巖地層通常選用滾刀，根據(jù)滾刀磨損程度分為均勻與非均勻磨損。均勻磨損是滾刀刀圈部位磨損度相同，滾刀破巖效率與滾刀刃口寬度有關(guān)，隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)滾刀圈磨損量增加，刀口寬度達(dá)到一定范圍影響掘進(jìn)速度。非均勻磨損是滾刀圈部位磨損度不同，包括刀圈偏磨與斷裂，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中地質(zhì)情況復(fù)雜，刀盤其他部件脫落卡在刀刃與巖壁間，導(dǎo)致刀圈局部過載發(fā)生斷裂。刀圈發(fā)生偏磨使?jié)L刀破巖能力減小。出現(xiàn)掘進(jìn)參數(shù)異常，地質(zhì)條件變化與地面環(huán)境限制等情況要檢查更換刀具。滾刀磨損與地質(zhì)情況等因素有關(guān)，地質(zhì)因素包括研磨性、開挖斷面地質(zhì)均勻度等。

4 盾構(gòu)機(jī)刀具磨損更換維修

盾構(gòu)機(jī)依靠刀盤刀具切削土體掘進(jìn)，刀具會(huì)受到?jīng)_擊，盾構(gòu)施工地質(zhì)條件不同。滬、杭等地地質(zhì)條件以淤泥為主，盾構(gòu)刀具類型以切割為主；北京等地存在砂卵石，刀具會(huì)受到磨損損壞。更換盾構(gòu)機(jī)刀具需要根據(jù)巖層情況選擇合適的刀具；要采用科學(xué)方式判斷刀具磨損度，達(dá)到磨損最大值需立即更換。

盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具維修前需進(jìn)行檢查，操作人員要記錄刀盤磨損度，檢查刀盤操作面板完好度；要檢查刀具與刀盤連接狀態(tài)，固定零件是否出現(xiàn)損壞；計(jì)算刀圈磨損數(shù)值，正確測(cè)量刀圈磨損度是更換刀具的主要依據(jù)。適時(shí)更換刀具可以降低損壞概率，有利于提高盾構(gòu)機(jī)工作效率。更換刀具要按照合理原則進(jìn)行。刀具參數(shù)是否適用于地質(zhì)條件決定盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)程，掘進(jìn)軟土層采用齒刀刀具。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境更換刀具磨損數(shù)值。刀具更換最大值為雙刃中心滾刀25 mm。為確保盾構(gòu)機(jī)設(shè)備工作效率，需要按計(jì)劃進(jìn)行批量更換。

盾構(gòu)機(jī)對(duì)硬巖掘進(jìn)時(shí)，適宜開展無壓力換刀作業(yè)。更換刀具需要遵循科學(xué)程序，包括更換刀具規(guī)劃、物資設(shè)備供應(yīng)、操作人員培訓(xùn)等。操作人員工作中要與土木工程人員保持溝通，設(shè)計(jì)刀具方案時(shí)要估算特殊部位刀具磨損程度，保持與其他工作人員溝通。根據(jù)設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)備充分的材料。要想快速完成換刀工作，必須準(zhǔn)備足夠的原材料，換刀工作前需要對(duì)盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)性能進(jìn)行檢查，確認(rèn)各設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)。施工單位要選用技術(shù)成熟的操作人員進(jìn)行換刀工作，強(qiáng)化操作人員的綜合素養(yǎng)。培訓(xùn)內(nèi)容包括不同刀具更換操作規(guī)范等，提高刀具更換安全性。由于更換刀具危險(xiǎn)性大，施工單位要設(shè)立緊急處理小組，加強(qiáng)操作人員施工安全教育。

施工單位要制定可行的開倉方案，開會(huì)討論方案可行性，審批流程為機(jī)電部門總工聯(lián)合確認(rèn)上報(bào)項(xiàng)目經(jīng)理，確認(rèn)方案無誤后上報(bào)業(yè)主，雙方確認(rèn)后開倉。明確各級(jí)崗位責(zé)任制，提高施工單位管理能力。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)刀具損壞維修要注意正確安裝刀圈、檢查軸承、檢查安裝密封性。刀圈硬度較好，要根據(jù)刀體匹配適當(dāng)內(nèi)徑的刀圈。溫度達(dá)到一定值，刀圈延展性最好。盾構(gòu)機(jī)軸承是重要部件，故障為外部環(huán)境腐蝕時(shí)，可調(diào)節(jié)刀具軸承松緊度滿足工程要求。安裝刀具要在密封條件下進(jìn)行，完成維修刀具后需要注入壓縮氣體，固定時(shí)間內(nèi)氣壓正常說明刀體氣密性優(yōu)良。

5 結(jié)語

21 世紀(jì)是地下空間發(fā)展時(shí)代，地下空間施工中盾構(gòu)法成為主要施工方法。刀具配置是盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響掘進(jìn)速度與刀盤壽命。刀具磨損后安全進(jìn)行更換尤為重要。闡述刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及刀具配置，分析切削刀具磨損失效形式，研究盾構(gòu)機(jī)刀具配置，分析復(fù)合地層對(duì)刀具磨損的影響。盾構(gòu)機(jī)刀具維護(hù)技術(shù)是培訓(xùn)的重要內(nèi)容，要想保證盾構(gòu)機(jī)工作性能，必須加強(qiáng)對(duì)技術(shù)人員考核，保證盾構(gòu)機(jī)施工質(zhì)量，加快施工效率。