TBM刀具異常損耗原因分析及應對措施

李曉晗

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

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TBM刀具異常損耗原因分析及應對措施

李曉晗

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

摘要：TBM刀具異常損耗率一般占到刀具消耗量10%左右，文章針對不同刀具異常損耗型式，分析了損耗的原因，并分別提出了具體的應對措施，以達到避免人為因素造成刀具破損，有效降低施工成本的目的。

關鍵詞：TBM刀具；損耗；原因分析；應對措施

TBM刀具消耗量直接影響隧道開挖成本，尤其大直徑TBM，刀具消耗數量更是巨大、影響更為突出。導致TBM刀具損耗的原因很多，其中刀盤設計制造技術、刀圈鍛件材質與熱處理工藝、刀具配件質量、刀具裝配及安裝質量、地質條件、TBM設備掘進參數控制等均可能造成刀具的異常損耗。本文通過對不同刀具破損型式的原因及影響刀具壽命的關鍵因素分析，制訂相應的解決方案和預防措施，從而達到降低刀具消耗量、提高設備掘進效率的目的。

1 不同刀具損耗型式原因分析

TBM刀具主要指盤型滾刀，由刀圈、刀體、刀軸、軸承、密封、端蓋、擋圈以及其它一些附件組成。刀具磨損的主要部位是刀圈，TBM刀具消耗也主要指刀圈的消耗。

刀圈均勻磨損至允許的極限值屬于刀具正常失效，不同直徑的刀具使用在不同的刀盤部位，其允許的極限磨損量也是不同的。表1為目前硬巖TBM常用刀圈一般允許的極限磨損量值：

表1 刀圈允許磨損極限值

刀圈磨損量使用專用卡尺進行測量，圖1為常用的測量卡尺和測量刀圈磨損量的情況。圖2為正常磨損到極限值的滾刀。

圖1 刀圈測量卡尺和測量磨損量的情況

圖2 正常均勻磨損的刀圈

相對于正常磨損，比較常見的刀圈異常損耗型式主要包括以下幾種情況。

1.1 偏磨

偏磨也稱弦磨，是指刀圈一側磨損成直邊或被磨損成多邊形，是最常見的刀具異常損耗型式。

偏磨刀具一般只有拆解后對其進行全面檢測，方可準確判斷其故障原因。經過大量實踐發現，刀圈偏磨主要是由于以下原因造成：

（1）刀圈質量問題。

（2）滾刀軸承失效。

（3）密封損壞導致巖渣進入密封腔，污染潤滑油或導致軸承損壞。

（4）刀具裝配過程中施加的扭矩偏大，導致刀圈不能正常轉動。

（5）潤滑油質量問題或潤滑油泄漏、污染，導致刀具潤滑失效。

（6）掌子面剝落的石塊擠入滾刀與刀座間空隙，導致滾刀卡死。

另外，刀座定位不當、掘進過程中護盾未能撐緊巖壁造成刀盤轉動不穩定、設備初始掘進時推力控制不當等，也可能導致刀圈偏磨。

圖3、4、5、6、7為刀具偏磨的實例圖。

圖3 刀圈一側偏磨

圖4 刀圈偏磨成多邊形

圖5 刀圈嚴重偏磨導致整刀報廢

圖6 中心刀刀圈偏磨

圖7 一次性大面積偏磨的刀圈

刀具檢查過程中發現有偏磨或偏磨跡象的刀具，必須馬上更換，否則可能引起鄰近滾刀大面積偏磨的情況發生。偏磨刀具應在拆解后，根據偏磨的不同情況、部位，從刀具備件質量、刀具裝配和安裝質量、設備操作等方面查找可能導致刀圈偏磨的原因，以采取針對性的預防和應對措施。

1.2 崩刃

刀圈崩刃的情況也經常發生，主要原因有：

（1）刀圈質量問題：在掘進段巖石硬度較高的情況下，如果刀圈硬度高但韌性不足，就比較容易出現崩刃現象。

（2）設備操作原因：在掘進行程的初始階段，推進壓力過大、滾刀與圍巖接觸時推進速度過快，導致滾刀與巖石突然碰撞，容易造成個別滾刀出現崩刃情況。

（3）在掘進過程中由于巖石情況發生變化或掌子面巖石硬度不均，也會導致刀圈局部過載而使刀圈應力集中，發生崩刃或斷裂情況。

在刀刃崩落不太嚴重、不影響切削巖石時，可以繼續使用，如刀刃崩落嚴重，則需要馬上進行更換，如圖8、9所示。

圖8 崩刃成為鋸齒狀的刀圈

圖9 嚴重崩刃的刀圈

1.3 卷刃

刀圈卷刃主要是由于巖石抗壓強度高、設備掘進推力大所造成的。另外，刀圈硬度不足或在破巖過程中刀圈溫升過高導致硬度降低，造成卷刃的情況也時有發生。

如刀圈卷刃情況不是非常嚴重，可以適當降低設備推進壓力和刀盤轉速，繼續掘進，如圖10所示。

圖10 卷刃的刀圈

1.4 斷裂

導致刀圈斷裂的主要原因有：

（1）刀圈硬度過高、韌性不足。

（2）刀圈安裝時扭矩施加過高。

（3）刀圈與刀體裝配過盈量過大。

（4）TBM初始掘進速度太快，刀具與圍巖劇烈碰撞。

（5）在掘進過程中由于巖石情況發生變化，導致刀圈局部過載、應力集中。

刀圈斷裂后，必須更換下該滾刀，以免出現刀圈偏磨甚至是刀圈由刀體上脫落的情況，輕者造成整把滾刀報廢，嚴重時會引發鄰近多把滾刀出現異常損耗的嚴重后果。圖11、12、13為刀圈斷裂實例圖。

圖11 刀圈斷裂的滾刀

圖12 斷裂后切割下的刀圈

圖13 刀圈斷裂導致滾刀軸承內圈斷裂

1.5 刀體漏油

刀體漏油的情況也比較常見，一般是由于刀具軸承或者密封損壞、刀具裝配質量等原因所致。如僅是輕微漏油，可以不進行更換，但須加強對該滾刀檢查；如滾刀已嚴重漏油，則需馬上進行更換，否則很容易導致刀圈偏磨。如圖14所示。

1.6 擋圈脫落

（1）擋圈安裝不當或焊接不牢。

（2）刀盤轉速過大、設備推進壓力過高。

（3）擋圈受到掌子面掉落巖塊的劇烈沖擊。

當發現有擋圈掉落時，僅需直接將擋圈安裝、補焊后即可。但如果發現刀圈已經發生了錯位情況，則必須進行更換，否則因刀圈產生軸向位移、破巖軌跡偏移，極易導致刀圈偏磨。如圖15、16所示。

圖14 漏油的刀具

圖15 擋圈斷裂脫落的滾刀

圖16 因擋圈脫落導致偏磨的滾刀

1.7 刀體過熱

導致刀體過熱情況發生的主要原因有：

①刀具原因：刀具軸承損壞、刀圈扭矩施加過高或過低、潤滑油失效或泄漏等；

②設備操作原因：掘進推進壓力過大、刀盤轉速過高、刀盤噴水量不足等。

發現有滾刀刀體過熱情況，應認真分析故障原因，如確認屬設備操作原因，可適當改變掘進參數，繼續掘進，并加強對該刀具的檢查；否則，應立即進行刀具更換，以免發生滾刀異常損壞情況。

1.8 導致刀具異常損耗的其它情況

由于刀座定位不當、滾刀安裝位置偏差或緊固螺栓施加扭矩不足、緊固螺栓斷裂、刀座變形或開裂、鏟斗齒過度磨損、楔塊未安裝到位或未能拉緊刀軸等，也容易造成刀具異常損壞。

在發生刀具異常損壞后，應針對不同損耗型式，正確分析其產生的原因，采取適當的處理措施，以確保有效降低刀具異常損耗率。

2 刀具檢查注意事項

定時的刀具檢查是TBM掘進過程中的一項重要工作，是減少刀具異常損耗情況發生的最有效方法。

2.1 刀具檢查頻次要求

推進速度小于2.6m/h時，每掘進三個循環檢查一次；推進速度在2.6～3m/h時，每四個循環檢查一次；推進速度在3～3.4m/h時，每五個循環檢查一次；推進速度在3.4m/h以上時，每六個循環檢查一次。

如掘進過程中在出渣皮帶上發現有鏟斗齒、螺栓、楔塊、壓塊等刀具配件，必須馬上停機進行檢查。

TBM操作手時應注意觀察設備掘進參數，若出現下述情況，應停機檢查刀具，并通知值班地質工程師確定圍巖是否發生以下變化。

（1）刀盤扭矩波動超過±500kN.m，且持續時間超過2min。

（2）扭矩未發生變化的情況下，推進速度降低超過0.8m/h，且持續超過2min。

（3）扭矩或推進速度同時發生較大幅度變化。（4）出渣皮帶連續有較大塊徑石渣突現。

2.2 刀具檢查主要內容

（1）刀盤清渣和清潔工作。

（2）檢查刀圈有無異常損壞；測量每把滾刀刀圈的磨損量，確定需要更換、調整的滾刀。另外，需檢查相鄰軌跡滾刀刀圈的半徑高差，一般面刀及中心刀最大允許差為12mm、邊刀為 5mm，如超過該數值，應予以更換或調整。

（3）檢查鏟斗齒磨損量及是否有脫落、斷裂情況，并檢查鏟斗齒螺栓是否松動。

（4）檢查刀具螺栓緊固狀態，在刀具更換完成、掘進一個循環后，需復查螺栓緊固情況。

（5）檢查確認刀盤旋轉接頭座固定螺栓有無松動、噴水管路有無泄漏或磨損、噴頭工作是否正常。

2.3 刀具檢查注意事項

（1）刀具檢查人員應與TBM操作手隨時保持聯系，了解設備掘進參數、運行狀況，應特別關注刀盤扭矩、推進速度、主驅動電機電流的異常變化情況，以便及時、準確掌握刀具運行狀態。刀具檢查、維護保養結束后，應及時將情況報告操作手。

（2）做好每次刀具磨損量測量及刀具更換情況的記錄。

（3）刀具更換前，必須將刀座接觸面、刀具緊固螺栓、螺母、楔塊、壓塊等表面清理干凈。

（4）TBM上部必須備用一定數量的新刀和過渡刀、刀具緊固螺栓、鏟斗齒、鏟斗齒螺栓、楔塊、壓塊等，并應集中統一存放。

（5）刀具運輸過程中必須使用具有防護作用的專用工器具，嚴防發生刀圈磕碰現象。如圖17所示。

圖17 滾刀專用運輸工器具

2.4 其它注意事項

（1）刀具修理車間必須做好每把刀具的維修、使用記錄，包括初始裝配情況、使用刀號、調整位置、返修時刀具狀態及檢測情況、維修記錄、后續使用情況等，每把滾刀建立一套跟蹤記錄表。

（2）至少每周召開一次刀具分析會議，針對異常損耗刀具，調閱其跟蹤記錄，確定異常損耗原因，并制訂應對措施及整改方案。

3 結語

刀具是TBM破巖的關鍵部件，也是主要的消耗部件，其消耗量直接影響隧道施工效率及開挖成本。針對刀具的不同異常損耗型式，準確其分析產生的原因、研究探索適當的處理措施，可以有效控制刀具消耗量、減少刀具異常損耗數量，降低施工成本，同時也可以達到提高施工效率的目的。

參考文獻

［1］陳凱新.巖石隧道掘進機刀具損壞形式研究［J］.中國高新技術企業旬刊，2014（17）：9-10.

［2］趙維剛等.全斷面隧道掘進機刀具異常磨損的識別分析［J］.中國機械工程，2007（02）：150-152.

［3］黃平華.巖石掘進機（TBM）刀具消耗預測研究［J］.隧道建設，2008（06）：373-375.

［4］黃文鵬.節理密集帶地質硬巖TBM刀盤損壞形式及對策［J］.隧道建設，2012（04）：587-593.

［5］賀紅效.TBM長隧洞施工質量控制的關鍵技術［J］.水利技術監督，2008（01）：10-11.

［6］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（04）：89-90.

［7］梁成喜.TBM法在山西引黃入晉工程中的應用［J］.水利技術監督，2002（04）：38-39.

［8］李輝等.TBM盤型滾刀受力分析［J］.現代隧道技術 2012（06）：193-196.

［9］王躍峰等.深埋特長隧洞TBM施工初探［J］.水利技術監督，2005（04）：42-45.

［10］張成儉.引洮工程TBM施工極軟巖隧洞段工程地質問題分析與評價［J］.水利規劃與設計，2012（04）：60-63.

［11］李輝等.TBM盤型滾刀受力分析［J］.現代隧道技術2012 （06）：193-196.

中圖分類號：U455.3+1

文獻標識碼：B

文章編號：1008-1305（2016）02-0076-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.032

收稿日期：2016-01-13

作者簡介：李曉晗（1969年—），男，高級工程師。