盾構機硬巖掘進時滾刀異常損耗的控制方法

康曉亮，許旭明

（中交第三航務工程局有限公司廈門分公司，福建廈門 361006）

0 引言

本次地鐵施工中采用的盾構機為直徑6.45 m 的土壓平衡盾構機，刀盤為6 主梁及6 面板的復合形式，裝配全盤滾刀。本次區間隧道長度約為1087 m，期間主要穿越中砂、殘積性砂質黏性土、強風化凝灰熔巖、中風化花崗巖等，位于區間末端存在一段基巖突起，左線長約190 m，右線長約130 m，巖石強度約為（80～120）MPa，且存在軟硬不均、裂隙水多等特點。

1 科學選擇刀具的必要性

區間施工難點為基巖突起段的掘進施工，復合式刀盤整體強度大，在硬巖掘進過程中可抵抗掘進時產生的振動及沖擊力，但單個刀具的受力情況較復雜，刀具選擇不合理時易出現損壞情況，科學合理選擇刀具的必要性有以下3 點：

（1）刀具更換經濟成本高。在盾構機掘進期間進行換刀時，條件允許的情況可進行常壓換刀，否則需進行帶壓換刀，無論哪種換刀方式都會產生巨大的經濟費用，換刀的人工費用一般都需十幾萬元。同時滾刀的購置成本高，國產滾刀每把約為1.7 萬元，中心刀每把約3.4 萬元，若使用不當易造成推進一兩環即損壞的情況，易造成巨大的生產成本。換刀時產生的施工等侯期，間接費用（人員、設備等）每天高達幾萬元。

（2）刀具更換時間成本高。當進行停機更換刀具時，少則3 到4 天，多則半個月，頻繁換刀會擠占整體工期，增加施工壓力。

（3）頻繁換刀對設備、施工影響大，安全風險高。盾構機經常性停機換刀時，設備故障率會升高，不利于設備的維護保養；同時盾構機經常性停機易對周圍土體環境造成一定影響，易造成土體松動、盾構機下沉等情況，不利于施工安全。

2 刀具掘進情況分析

左線盾構掘進時于第698 環接觸上軟下硬地層，第714 環進入全斷面硬巖，掘進至第751 環時開倉換刀。此次更換下的刀具損壞嚴重，大部分刀圈基本屬于報廢狀態。

右線盾構掘進時于第702 環接觸上軟下硬地層，第710 環進入全斷面硬巖，掘進至第737 環時開倉換刀。此次更換下的刀具損壞嚴重，刀圈基本屬于報廢狀態。刀圈損壞情況見統計表1。

表1 刀圈損壞情況統計

表2 刀具磨損情況匯總

由表2 可知，盾構掘進過程中出現的滾刀異常損壞情況以刀圈偏磨、刀圈崩裂為主要表現，中心滾刀損壞率為100%，同時伴有軸承損壞的情況。此次刀具的更換周期為盾構機進入硬巖段掘進約50 環。

3 原因分析

盾構機在硬巖掘進過程中刀具磨損的主要影響因素有：①滾刀參數未根據地層進行調整；②廠家生產工藝不成熟；③盾構機缺乏維護保養；④盾構機性能差；⑤盾構司機施工經驗少、缺少相關培訓；⑥地勘數據不詳細；⑦巖層強度過高；⑧掘進參數設置不合理；⑨工序銜接不當。

經過分析，盾構機為國內知名廠家研發生產，性能可靠，維修保養均有專人負責，盾構施工工藝較為成熟，工序銜接合理，前期對基巖突起段已做過詳實的地勘工作，對地層狀況及巖石強度均有了解，因此造成刀具異常損壞的主要原因有：①滾刀參數未根據地層進行調整；②盾構司機施工經驗少、缺少相關培訓；③掘進參數設置不合理。中心滾刀因在刀盤中心受到扭矩較大，極易造成刀具的異常損壞，保證中心刀的正常損耗是一大難點。

4 制定對策

4.1 優化刀具參數

滾刀刀具在生產之前需進行參數的設計確定，以便滾刀能適應不同類型的地層。經過分析研究，滾刀參數進行以下針對性改進：①刀圈刃口由原來的25 mm 變為20 mm；②刀具的啟動扭矩由原來的25 kN·m 提高至28 kN·m；③對刀圈硬度重新調整，刀圈硬度由54～56 調整至57～59；

4.2 舉辦相關培訓學習

針對硬巖掘進盾構司機缺少相關的施工經驗，組織相關的技能知識培訓：①盾構機的系統知識培訓，使盾構司機了解盾構機的性能參數，在平時操作過程中應注意的細節；②舉辦刀具知識培訓。盾構司機了解滾刀的工作原理及相關技術參數的應用，在掘進過程中可根據掘進情況預估刀具的工作情況；③舉辦盾構司機交流會。

4.3 合理設置掘進參數

盾構司機經過培訓，掌握了盾構機在硬巖掘進過程中的操作方法，對盾構機掘進參數進行了針對性的改進，主要從以下3方面進行：①刀盤的轉速適當提高，由原來的1.2 r/min 提高至1.5～1.7 r/min；②貫入度由原來的4～5 mm 減至2～3 mm；③盾構機推力由原來的1500～1900 t 降至1000～1300 t。

5 效果檢查

5.1 刀具情況

左線掘進至第834 環時開倉進行刀具檢查，發現中心刀損壞3 把，刀圈偏磨的有2 把，刀圈崩裂的有1 把，盾構機掘進83環。右線施工掘進至第827 環時，開倉進行檢查，發現共有7 把單刃滾刀達到磨損極限，磨損量在11～18 mm，刀圈偏磨的有1把，刀圈崩裂的有1 把，中心刀損壞1 把，盾構機掘進90 環。

工程結束后，對刀具進行檢查發現，刀圈除正常磨損外，滾刀的偏磨、崩裂等異常損壞在可控范圍內。刀圈損壞情況統計見表3。

表3 刀圈損壞情況統計

通過觀察、測量，在后面的一百多環硬巖掘進過程中，滾刀刀圈異常損壞率控制在10%以下，中心刀損壞率控制在50%以下。

5.2 經濟效益

通過對刀具參數的調整、人員的培訓，滾刀的異常損壞率明顯降低，減少刀具更換的數量和次數，產生巨大的經濟效益。

6 結束語

盾構機在硬巖掘進時，應制定合理的刀具選型方案，并對施工盾構掘進參數制定施工作業指導書。同時在今后盾構機硬巖掘進施工中，應密切注意以下3 點：

（1）根據地質勘探情況，選擇合理的破巖刀具，同時在掘進過程中碰到異常情況，及時與刀具廠家溝通，雙方協商研討解決對策。

（2）盾構掘進過程中嚴格控制推進參數，以高轉速、小貫入度為掘進原則，實時注意刀盤情況，切實保護刀具。

（3）及時總結推進經驗，詳細記錄掘進記錄表，開展經驗交流會，為日后掘進提供經驗指導，同時培養一批技術能手。