盾構機在長距離高磨蝕性巖層中刀具磨損的數據分析

劉美晨

（中鐵九局集團有限公司，遼寧 沈陽 110051）

滾刀是盾構機破巖掘進的常規配置刀具，盾構機在高強度高磨耗的地層中長距離掘進中，滾刀磨損失效較為頻發，頻繁的停機換刀對工程進度和設備、人員安全影響都很大。本文通過某項目高磨耗地層中滾刀的磨損失效形式進行數據統計分析，旨在總結出一般規律，為相應同類施工提供參考。

1 盾構機滾刀磨損失效的幾種情形

盾構機滾刀的失效損壞情況主要有以下幾種：

表1 非正常磨損統計

圖2 非正常失效類型占比

（1）正常線性磨損。這種磨損形式表現為滾刀刀圈各處磨損量基本相同，刀具磨損后圓度未發生大的改變，磨損超過一定極限即判定滾刀失效，需要進行更換，這種磨損在滾刀磨損統計數據中占比最高。

（2）非線性磨損。這種磨損形式表現為滾刀刀圈圓周各處磨損程度不同，施工現場通稱偏磨。

（3）結構失效破損。這種損壞形式表現為盾構滾刀刀圈變形、脫落、崩裂、碎裂，滾刀軸承碎裂、卡死，刀座斷裂脫落等破壞形式。

2 本項目盾構機滾刀失效的幾種主要形式

2.1 線性磨損失效

有相當比例的刀具是均勻磨損達到限值正常更換的，刀圈作為損耗部件替換即可，其他部件仍然可以繼續使用。

2.2 非正常破損失效

本工程中遇到的刀具非正常失效主要有滾刀刀圈的偏（弦）磨、刀刃磨尖、刀圈斷裂，同時，也遇到了刀圈脫出、螺絲斷絲、三角塊脫落等情況。

3 刀具磨損統計分析

3.1 正常磨損

將各次換刀中正常磨損數據統計匯總，并繪制如下圖進行統計。

并繪制成條形統計圖，如圖1。

圖1 整個區間滾刀正常磨損累積值

根據滾刀刀號統計出的刀具磨損量，由圖1可見。刀具磨損分布主要呈以下特點及規律：

（1）中心區(1#～12#)滾刀累積平均磨損量為36.75mm，靠近中心區域的雙聯滾刀磨損情況更加嚴重，有3把雙聯滾刀的單刀圈累積磨損量超過了50mm，1#～3#雙聯滾刀磨損最嚴重，達到了64mm。

（2）正面區(13#～35#)滾刀累積平均磨損量為39.83mm，同中心區域相比有所增加，該區域磨損最為嚴重。滾刀磨損量較為不規律，或因排渣、出渣軌跡不暢所致，35#滾刀累積磨損量最高，達到了77mm，從磨損峰值上看，磨損量隨中心距增加略有增加。

（3）邊緣區（49#～58B#）滾刀累積平均磨損量為39.42mm，較中心區域平均磨損量略有增加，36#～45#滾刀累積磨損量隨中心距的增加呈增加的趨勢。受邊緣刀具安裝存在一定偏轉角度變化影響，45#～47#滾刀磨損量隨滾刀編號增大有一定減小趨勢。

3.2 非正常磨損

將各區域非正常磨損發生情況進行統計，如表1所示。

從表1、圖2可見，非正常磨損在所有換刀中占比達到了52.51%，占比很大，其中偏磨占比最大，為27.03%，其次，占比較大的非正常失效類型為刀圈破損、崩齒、刀刃磨尖及刀圈脫落，占比分別為8.88%、8.49%、6.95%。三個區域中，正面區刀具非正常磨損率達到了27.03%。

4 經驗總結

（1）本項目滾刀非線性磨損比例偏大，除了地層磨蝕性較高引起外，需要考慮刀盤布置或刀具材料、耐磨層等參數是否需要進一步改良。

（2）弦偏磨情況在本項目中的非線性磨損中所占比例較高，滾刀偏磨后，會導致停轉，引起刀盤扭矩增大，影響渣土流動，含黏土地層容易燒結成塊，降低盾構掘進施工效率，影響工程進度。

單邊弦向偏磨發生的原因主要是滾刀在安裝后，進行掘進的同時受到風化粉砂巖的摩擦阻止其自轉的正常進行，從而一直保持某側切割巖層，導致切割側出現弦偏磨。多邊弦偏磨則一般是多個單邊弦偏磨的累加，基本是在每次單邊弦偏磨之后，因外界偶發因素為刀具施加扭矩，而同時掌子面又有回轉空間，轉動至另一角度后又停止，如是循環，形成了刀圈多邊弦向磨損。

（3）可考慮采用固態軸承潤滑油，帶齒滾刀刀圈等改善方法降低滾刀自身轉動所需扭矩，從而降低偏磨發生率。

（4）刀圈掉落現象比較頻繁，須改進裝配工藝，現場可考慮適當增加擋圈焊點補救。

（5）針對刀圈斷裂、崩齒情況，應適當改善刀圈材料韌性，提高其沖擊強度。