雙護盾硬巖掘進機刀具消耗分析

韓新斌

（陜西石頭河水庫灌溉管理局 陜西 楊凌 712100）

陜西省引紅濟石調水工程Ⅳ標位于陜西省太白縣境內，本工程使用美國Robbins DS1217-303-1雙護盾硬巖掘進機（TBM）施工，開挖直徑經過設備改造后由原設計的Φ3655mm增加到Φ3755mm，刀盤配置25把刀具，其中中心刀4組，正滾刀12把，邊滾刀5把。硬巖掘進機刀盤上的盤形滾刀是TBM設備中最為關鍵和重要的備件之一，其配件的消耗在以往工程實例中占整個TBM配件消耗的1/5～1/4[1]，其中刀具非正常失效占1/5～1/2，所以TBM刀具管理是整個施工組織中的重要環節，其管理效果影響整個TBM施工的經濟效益。在硬巖掘進機（TBM）工程項目施工過程中，若能對TBM的盤形滾刀的檢查、更換、維修進行全過程控制，合理控制刀具消耗，制定措施減少刀具的不正常失效，能為項目管理減少成本支出。

1 刀具消耗情況對比分析

1.1 刀具消耗統計

自2014年6月25日完成TBM設備性能提升改進工作恢復掘進施工至2014年12月31日，TBM施工1853m，共計消耗刀具198把，其中中心刀消耗37組，正滾刀消耗53把，邊滾刀消耗108把，不同刀具安裝位置刀具消耗詳見圖1所示。

1.2 刀具消耗分項分析

該工程項目刀具消耗主要涉及到正常磨損更換刀具、刀具漏油更換、刀具弦磨更換、刀圈斷裂更換、刀具磨損未到極限而調整安裝位置而更換，不同原因消耗量統計見表1及圖2所示。

刀具正常消耗占整個刀具消耗55%，不正常失效消耗占45%。

2 刀具失效分析及處理措施

2.1 刀具失效原因分析

硬巖掘進機（TBM）盤形滾刀的失效形式有正常磨損及非正常失效，非正常失效包括刀圈弦磨、刀圈崩刃及斷裂、刀具漏油、擋圈斷裂或脫落、螺栓松動或斷裂等。

2.1.1 正常磨損

圖1 不同刀座位置刀具消耗統計

表1 不同原因刀具消耗統計

圖2 不同原因消耗統計分析

盤形滾刀在掘進過程中受到來自巖石正面的壓力和設計范圍的側壓力的作用不斷磨損，直至達到磨損極限。熱壓變形作為刀具磨損的一種形式，在巖層較硬、完整性較好的情況下經常出現。這是因為，刀具通過較高的擠壓載荷、非集中應力和摩擦磨損等因素釋放能量，引起發熱而使刀具溫度過高。在這種條件下，刀圈的硬度降低，韌性提高而產生熱壓變形。熱壓變形能夠造成刀圈磨損加速，或者出現刀圈卷邊，使刀具的壽命縮短。西班牙瓜達拉瑪隧道北口的施工中，巖石完整性好，而且巖石抗壓強度大，刀具出現熱壓變形，刀具平均掘進壽命只有2.84m；西合鐵路磨溝嶺隧道的巖石抗壓強度小，較破碎，刀具的平均掘進壽命可達9.7m左右；而引紅濟石引水工程巖石破碎，主要巖石為角閃片巖，石英片巖，刀具平均掘進壽命為9.4m。

表2 盤形滾刀失效原因統計表

2.1.2 非正常失效

非正常失效不能說是某個原因和某種條件造成的，而是刀具在整個使用過程中多種因素綜合作用的結果。主要現象如下：

（1）工序作業不規范埋下的隱患，如在刀具修理、刀具運輸過程中發生的裝配面損壞、刀具安裝時裝配面或螺栓孔清理不干凈、螺栓緊固力矩不符合標準等現象，都會造成盤形滾刀的非正常失效。

（2）隨著修理與換刀次數的增加，刀具螺栓松動、脫落、斷裂等現象也逐漸嚴重。主要是刀具配件的重復使用，裝配面受壓變形而改變了安裝精度，進而產生異常應力。

（3）未按規定進行刀盤刀具檢查，在掘進時刀具或配件因某些原因已損壞，而未能及時停機處理，造成相鄰刀具連鎖損壞，甚至影響了整個刀盤的刀具，或在更換刀具時，不遵守刀具更換技術規范。

（4）刀具在破巖過程中要產生大量的熱能，需噴水冷卻來降低刀具溫度。刀盤噴水系統工作不良或噴嘴堵塞致使刀具軸承及潤滑油溫度過高，造成刀具損壞。

2.1.3 工程案例

從收集到的一些采用硬巖掘進機（TBM）施工工程的資料，結合上述盤形滾刀失效原因進行了數據統計分析，結果見表2所示。

2.2 消耗異常分析及處理措施

2.2.1 消耗異常分析

刀具消耗異常主要表現為中心刀消耗異常，尤其是1#～3#中心刀，原因為中心刀刀箱開裂，導致刀具安裝后刀刃和掌子面不垂直，刀具偏磨嚴重，同時掘進過程中刀刃受圍巖側向力而刀具偏移，刀具使用壽命大大降低。其次為中心刀安裝固定方式不合理。

2.2.2 現場處理措施

首先采用碳弧氣刨將開裂的刀箱刨開，焊接結合面打磨平整，然后定位刀箱，最后對稱沿同一方向焊接。刀箱定位至關重要，刀箱定位若出現偏差將嚴重影響后續施工過程中刀具消耗量；焊接過程中嚴格進行無損檢測，發現焊接缺陷及時處理，保證焊接質量；焊接后整體升溫及降溫，釋放焊接過程形成的殘余應力。

（2）固定中心刀安裝位置

DS1217-303-1型雙護盾TBM刀盤中心刀刀具采用6個支點固定，在硬質巖掘進施工過程中易出現刀刃受側向力作用而導致刀具偏移，刀具偏移后相鄰刀間距變化和原設計偏差較大，導致不同位置的刀具受力不均，刀具非正常損壞。對此采用在刀箱與刀具支架間采用墊板限位，相鄰刀具刀軸間設計可調絲桿調節安裝位置，并在刀具初步安裝合格后采用1～2mm厚的薄鋼板塞入墊實，再次保證中心刀固定牢固防止移位變形。

（3）合理調整刀具安裝位置

17英寸盤形滾刀磨損極限值為30mm，本刀盤24#、25#刀具刀圈磨損量極限設計值為13mm，且22#～25#相鄰磨損間隙不得大于6.5mm[3]，則刀具磨損量檢查邊刀磨損將近設計值時應提出刀具更換計劃，實時考慮其他部位刀具磨損量，將高刀位刀具調整到低刀位刀具使用，但必須遵循該刀位刀具磨損值要求，從而達到刀具使用壽命最大化，減少刀具成本支出。

2.2.3 控制刀具受力狀態防止刀具過早失效[4]

（1）合理選擇掘進參數

水產品中含有大量的不飽和脂肪酸，容易氧化分解產生腥味。不飽和脂肪酸在酶或自身的催化下，一步步分解成小分子物質，如醛、酮、醇類，而這些小分子化合物是腥味物質的主要組成成分[15]。本文采用氣質聯用技術(GC-MS)對紅茶脫腥處理前后的海螺肉揮發性成分進行分析，其揮發性成分總離子流圖見圖4，各類化合物相對含量見表4。

①結合水平支撐的撐緊狀態，控制最大極限推力；根據刀盤驅動狀態，控制最大扭矩極限值。

②完整性較好的硬巖掘進，以推力狀態控制掘進作業狀態。采用較高的刀盤轉速和控制推進速度來達到刀具受力均衡。

③對于節理發育、破碎的圍巖，以控制振動和沖擊為主要目標。采用控制推進速度限制出渣量和降低刀盤轉速，即通過對扭矩的波動幅度的控制，進行掘進狀態控制。

④每次刀盤初始接觸掌子面，均應以較低的推進參數，并有足夠的過渡行程和時間。

（2）掘進過程中的檢查

除正常的作業檢查外，掘進過程中對刀盤的工作主要檢查①刀盤推力、扭矩；②噴水壓力；③異常氣味；④異常振動；⑤碴料的破碎狀態；⑥碴料中異常物體的出現；⑦刀具螺栓松動等幾方面的變化。

對于螺栓松動的檢查，根據巖層條件和實際設備狀態，決定檢查周期的掘進循環數。一般要求，完整性不好的破碎圍巖，且掘進過程中振動較大，2～3個循環檢查一次；其它情況，掘進較平穩、振動沖擊較少時，5～6個循環檢查一次。

（3）刀具維修、裝配與安裝

在刀具壽命期中，刀具維修、裝配與安裝是一個重要過程，它是決定刀具壽命的重要因素。因此應做到以下幾方面：

①嚴格執行刀具的維修和裝配工藝要求；

②制訂完善的部件尺寸檢測標準和工藝；

③嚴格執行部件的報廢標準；

④刀具安裝前的清洗、清理和刀座檢查；

⑤刀具安裝螺栓的扭矩檢查測定。

3 結語

根據對引紅濟石工程雙護盾TBM（DS1217-303-1）刀具消耗的統計，通過分析，清晰認識在使用過程中如何控制刀具的失效，以及針對消耗異常的原因提出有效解決措施，從而達到刀具壽命最大化，對后續類似工程施工有指導意義。陜西水利

[1]陳建，全斷面巖石掘進機（TBM）開挖刀具的管理探討[J]，隧道建設，2007，27（4）：89～90

[2]黃平華，巖石掘進機（TBM）刀具消耗預測研究[J]，隧道建設，2008.

[3]The Robbins Co pany，Service Manual Model DS1217-303-1[M]，USA：[s.l],2008.

[4]董天鴻，硬巖掘進機刀具失效的受力分析[J]，隧道建設，2007,27（6）:26～29.