小斷面TBM 施工中的刀具損耗分析

武志鵬，劉素彥

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311100）

0 引言

在TBM掘進施工過程中，由置于刀盤上的盤形滾刀切割巖石，刀具的直徑越大，其強巖層負載量就越多，穿透率越好；同樣，耐磨性（所謂的自持時間）隨著刀具尺寸的增加而增加。刀具的尺寸一般分為19 英寸（483 mm）和17 英寸（432 mm）兩種，直徑較大（一般大于7 m）的TBM安裝19英寸的滾刀，直徑較小（一般小于7 m）的TBM 安裝17 英寸的滾刀［1］。越南某水電項目由于所選TBM 直徑為4.5 m，考慮刀盤上放置滾刀數量問題，選擇安裝了17英寸的刀具。

圖1 刀盤上刀具分布圖

刀具為盤形分布，如圖1 所示。根據在刀盤的不同位置分為中心刀（雙滾刀）、面刀和邊刀（單滾刀）［2］。刀具按一定的力學和幾何學規律均勻布置在刀盤上，隨著刀盤的轉動，以刀盤中心為中心被動地進行同心圓轉動。這些滾刀在強大的推進力和扭矩作用之下，通過擠壓將隧洞巖石切削下來，完成隧洞的開挖工作。

1 刀具基本結構及破巖機理

盤形滾刀技術是TBM的核心技術之一，要求刀具承載力高，耐磨性和紅硬性好，并且有很好的沖擊韌度。刀具主要由刀圈、刀體、刀軸、軸承、浮動金屬環密封、端蓋、刀圈軸向擋圈、軸承調整螺母等組成。

單滾刀有1個刀圈和刀體、1對軸承、2 組密封和2 組端蓋；雙滾刀有2個刀圈和刀體、2 對軸承、4 組密封、3 個端蓋（含中間端蓋）。

盤形滾刀的破巖形式屬于楔入式滾壓破碎，刀尖壓入巖體。當壓力大于巖石的抗壓強度時，與刀尖接觸部位的巖石被壓碎，在刀尖前形成一壓碎區。壓碎區向外形成的壓力，使壓碎區的周邊產生裂紋，裂紋隨壓力增加而擴展，直到碴片形成而剝離，完成一個成碴過程。

2 刀具失效形式分析

刀具常見的失效形式有多種，經過對越南某水電項目2 565 m 隧洞段刀具進行失效統計，如圖2所示可知，刀具失效形式有正常磨損和非正常磨損，其中非正常磨損有偏磨、擋圈脫落、卷刃或崩刃、其他（漏油、黏連、刀圈斷裂、螺栓松動）等［3］。

圖2 刀具失效原因統計餅狀圖

2.1 正常磨損

正常磨損是刀具的主要失效形式［4］。正常磨損只體現在刀圈的磨損上，每一把刀圈的最大磨損量是有規定的，達到規定的磨損值后必須更換刀圈。如在本項目中，1#～20#刀座上刀具的最大磨損量為30 mm；21#～24#刀座上刀圈的最大磨損量為25 mm；25#～28#刀座上刀具的最大磨損量為19 mm；29#～30#刀座上刀具的最大磨損量為12 mm。

2.2 偏磨

偏磨即非均勻磨損，刀圈不能在沿刀軸轉動而使得刀圈頂面的某一段圓周固定地與巖面摩擦。刀具偏磨的原因有兩個，一是掘進過程中粉塵影響導致軸承失效卡滯；二是刀具的啟動扭矩過大，在軟巖條件下掘進時會造成刀具轉動性能偏低而出現多邊形磨損。

2.3 擋圈斷裂或滑脫

擋圈斷裂或滑脫主要是由于擋圈焊接不牢，以及刀具在組裝過程時安裝不太到位所致。另外，在TBM掘進時，當刀盤的轉速過大也可能造成這種現象的發生。

2.4 卷刃或蹦刃

卷刃或蹦刃說明刀圈的紅硬性和沖擊韌性不達標（如在硬巖環境中掘進施工時，刀具的材質較軟極易出現卷刃現象），屬于刀圈生產質量問題。

3 刀具失效原因分析

刀具磨損的主要部位是刀圈，刀體部分（刀軸、刀體、端蓋）一般不容易發生損壞，輕微損傷經修復后可重復使用多次，正常情況下軸承壽命一般約1 000 h，刀體殼則可以重復使用4～5 次。刀圈要求耐磨，一般含鉻、錳、釩、鉬等稀有元素的合金鋼材制造，既有合適的硬度，又有一定的韌性［5］。

刀具失效的原因有很多，如刀具質量、刀盤異常擺動、掌子面環境、溫度等原因，不同的原因會造成不同的失效形式。

3.1 刀具的材質、制造工藝原因

刀具的材質和制造工藝主要體現在刀圈的紅硬性和沖擊韌性不達標問題。刀圈的紅硬性和沖擊韌性不達標分為過高和過低兩種情況，過高會造成刀圈崩刃失效，過低則會造成刀圈卷刃失效。不同品牌的刀具質量和制造工藝有很大的差異。通過對比使用，進口的原裝刀具刀圈耐磨性和沖擊韌性較好，能適應復雜地質及長距離掘進。

3.2 刀具裝配工藝影響

刀具裝配質量差主要是造成刀具偏磨問題，如在裝配過程中對擋圈的固定焊點質量差或焊點數量不足，則會造成擋圈斷裂或滑脫問題；刀圈和刀體之間的加熱裝配時過盈配合不足，在滾刀切割巖石過程中會存在刀圈打滑現象而造成刀圈偏磨；刀具圓錐滾子軸承采用預緊裝配扭矩偏小，同樣會存在刀圈打滑現象而造成刀圈偏磨；預緊裝配扭矩偏大則會造成刀具轉動性能偏低而出現磨損；刀具裝配時密封性能差會出現漏油造成軸承損壞，進而刀圈卡滯偏磨，嚴重時整個刀具整體偏磨失效。

3.3 刀盤異常擺動影響

刀盤異常擺動主要是由于掘進過程中，調向幅度過大或刀盤自身重量分布不均等原因造成。當刀盤發生異常擺動后，刀盤的轉動中心與洞壁的中心不重合，這時邊刀就要在刀盤偏離的方向切入洞壁。這種偏離在進步過程中產生，偏移量越大，變刀切入洞壁的深度越大，在這種情況下，邊刀偏磨概率明顯增大。

3.4 圍巖條件影響

刀具損耗與所開挖圍巖的硬度、巖石礦物成分及圍巖條件變化情況密切相關。圍巖單軸抗壓強度較大以及圍巖成分中含有較多石英等堅硬物質時，刀具與巖石之間沖擊破碎、剪切碾壓作用力加劇，導致刀具刀圈磨損量加大［6］，這類情況多產生刀圈的正常磨損，但磨損量加大，導致刀具失效，掘進速度緩慢。在圍巖出現大斷層、破碎帶，以及連續出現塌落、掌子面圍巖破碎等情況時，刀具局部過載嚴重，極易造成刀圈斷裂、密封失效、軸承損壞、擋圈斷裂等形式的刀具失效［7］。

3.5 刀盤部位環境影響

刀盤部位環境差主要體現在風路流通不暢，導致掘進時刀具和刀盤溫度過高，直接導致刀具密封性能變差，出現漏油、軸承失效，進而出現刀具偏磨、黏連等情況，加劇刀具的損壞。同時由于刀盤刀具損壞現象突出，換刀頻繁，遠遠超出了預期設計，換刀時間甚至超過整個工作時間的22%；另受刀盤部位新鮮風不足影響，刀盤內無法獲得足夠的氧氣和適宜的溫度，刀盤旋轉平面形成熱屏障，換刀員工的工作效率大大降低，嚴重制約了工作效率。

4 減少刀具消耗措施

在TBM施工過程中，刀具的正常磨損是不可避免的，對TBM刀具失效管理工作的重點是刀具的非正常磨損失效。減少刀具消耗應從以下幾方面著手。

4.1 提高刀具裝配質量

在道具裝配過程中，軸承的預緊力矩、潤滑和密封、螺栓固定扭矩、擋圈點焊等嚴格按照裝配工藝實施，同時對刀圈的機械性能進行嚴格檢查，必要時進行金相組織檢查、無損探傷、硬度測試等［8］。

4.2 強制執行刀盤的日常檢修制度，制定合理的換刀計劃

刀具必須每天進行檢查、測量，當邊刀刀圈磨損量達到10～15 mm時，就需要進行更換；面刀和中心刀刀圈磨損量達到20～25 mm 時，就需要進行更換。針對TBM 施工計劃及隧洞環境條件，并結合刀具使用壽命，有計劃地進行停機檢查刀盤和更換刀具，防止刀具長期處于非正常狀態工作［9］。

4.3 選擇合理的操作參數

TBM掘進過程中，選擇合理的操作參數，盡量保持刀盤的穩定性，各位置的支撐必須緊貼墻壁，上支撐必須與隧道冠體接觸并鎖死；操作者一定要小心地控制刀盤扭矩［10］。當刀盤扭矩上升時，查明原因后作出應對措施，比如可能是底層變軟或者貫入度增加，或是刀具磨損量偏大導致貫入度減小。當刀盤扭矩增加或者貫入度減小，必須立馬檢查刀盤上損壞的刀具。

4.4 加強刀盤維護

每天對TBM刀盤進行清理，重點清理依附在刀具和鏟斗齒上的巖渣、塊石等，防止依附在刀具上的巖渣對刀具造成二次磨損或出現卡刀、巖粉損壞密封等問題，造成刀具磨損及非正常損壞。

4.5 重視圍巖類別變化

TBM掘進過程中多關注圍巖類別的變化，根據開挖出渣情況的變化，合理分析判斷掌子面正在開挖的巖石類別、硬度變化、破碎情況等，并據此調節掘進速度、刀盤推理以及刀盤噴水等，必要時停機查看。

4.6 減少掘進中刀具的事故性損壞

由于TBM設備操作調向過大、不均勻地質段推進過快等原因造成的刀具意外損壞情況為數不少，這時損壞的刀具往往不是一把，而是多把，一般都很嚴重，難以修復，影響大。必須改進操作和改善施工組織與管理，減少這些事故性的損壞和造成的損失。

4.7 減少刀體、刀蓋、刀軸等大件消耗

刀體、刀蓋、刀軸等大件造價高，使用中往往發生變形和磨損，能否繼續使用，較難判定。必須制定正確的檢測方法和檢定標準，并要用校正、刷鍍等方法進行恢復性修理，減少這些零件的消耗。

5 結束語

在TBM施工過程中，刀具的性能直接影響TBM 的掘進效率和施工成本。加強刀具的使用、檢查、更換、修復、操作參數、圍巖條件及其他影響因素等多角度分析總結刀具失效原因，提高刀具利用率、減少刀具消耗，對降低施工成本、提高掘進效率有很重要的意義。