盾構機掘進中刀具損壞及維修措施探討

張義敬 山東易斯特工程工具有限公司

一、盾構刀具分類

1.滾動刀具。滾動刀具是一種破巖刀具，主要有隨刀盤轉動和沿著自身軸線轉動兩種切削方式。目前盾構機的滾刀主要是盤形滾刀，盤形滾刀可以分為單刃、雙刃和多刃。滾刀的結構主要由刀圈、刀軸、刀體、端蓋以及浮動密封等組成，按照刀圈外徑規格的不同可以分為為12″、15.5″、17″及19″等系列。滾刀在破巖時主要可以分為擠壓階段、起裂階段和破碎階段三個階段。①擠壓階段。滾刀在較大推力作用下將會切入巖石表面，巖石表面將會產生較高的接觸應力和局部變形。在應力作用下，巖石與刀刃接觸部位將會產生粉碎區如圖1所示，且破巖的效率與應力核心區域范圍、深度成正相關關系。②起裂階段。當巖體抗拉強度小于應力核心區周邊應力時，將會產生張拉裂紋。應力過渡區存在于應力核心區下方，應力在過渡區將會逐漸減弱。主裂紋產生于刀刃正下方，其裂紋方向與破巖方向一致。③破碎階段。當相鄰滾刀切削巖體產生裂紋連通時，將會把表面巖體部分分割，形成破碎塊并從開挖面脫離出來。

2.切削刀具。切削刀是盾構機切削開挖面土體的主要刀具，其切削原理是盾構機在推進力作用下向前運動，刀具隨著刀盤轉動將會對土層產生徑向的切削力和軸向剪切力，使得開挖面的土體被切削下來。切削刀具一般形狀示意圖如圖2所示，其中后角α和前角β一般為5°～20°，刀具角度在不同地層下是不同的，其中砂卵石地層稍小，黏土層稍大。對于軟土層或經過滾刀破碎的渣土，將會通過刮刀和切刀正面進入渣槽，刮刀和切刀可以起到很好的切削與運輸作用。

二、盾構機刀具損壞及失效因素分析

1.滾刀失效。滾刀工作時，來自于巖石的反作用力作用于刀軸，此時若刀軸剛度不足，將引起刀具不再是垂直于加工面，從而導致刀具左右工作面偏磨。材質不良也會導致滾刀失效，失效主要表現為滾刀磨損、崩斷、卷邊等。當巖石硬度較高時，滾刀會受到較大沖擊載荷，此時若滾刀韌性不足則會產生崩斷現象。在這種情況下，如果滾刀的硬度不足則會產生卷邊現象。刀具制造過程中的殘余應力、加工精度、裝配精度等，也會對刀具性能產生較大影響。若滾刀殘余應力超過允許值，將會使其產生裂紋甚至崩斷。若滾刀加工精度和裝配精度不足，將會導致其使用時產生偏磨。在硬度過高的巖石層，若選用硬度過低的滾刀，將會造成滾刀卷邊；若選用硬度過高而韌性過低的滾刀，將會造成滾刀崩斷。

2.切刀失效。切刀的失效主要是磨損、斷裂和合金脫落。磨損屬于不可避免的失效，是切刀正常工作時使用壽命的標志。切刀在切削時，遇到硬度過高的巖石，會產生反作用力或沖擊載荷。若沖擊載荷達到了切刀的應力極限，便會造成切刀斷裂。切刀在制造時，內部產生較大殘余應力，組織不均勻并存在氣孔、夾渣、微裂紋等缺陷，是切刀失效的主要原因。合金脫落主要是切刀刀體對硬質合金的把持力不足，屬于切刀結構不合理的因素。

三、盾構機掘進中刀具維修要點

1.刀具檢查。一方面，工作人員要先檢查刀盤的磨損程度，觀察刀具的軸承與密封處是否可以繼續工作，避免刀盤的面板、支柱以及輻條出現裂縫、缺口、變形等問題。另外一方面，施工人員要檢驗刀具，查看其是否結實耐用、在刀盤上是否穩定，發現刀具不穩固的情況時要檢查螺絲是否出現松動、脫落以及損壞情況，如果損壞要及時維修，當無法維修時可以直接更換。

2.刀具結構的改進。對刀具結構改進主要有2種：一是將刀圈改為硬度梯度結構，二是刀轂采用新型結構。硬度梯度結構刀圈的刀具，刀圈硬度呈梯度分布，刃口硬度高，芯部韌性好，刀圈具備良好的耐磨性能和耐沖擊性能。新型刀轂結構的刀具，刀轂蓋住端蓋，能有效保護端蓋，可阻止渣土進入刀具內部，避免軸承失效或潤滑失效。

3.刀具更換。（1）刀盤轉角的確定。維修人員更換刀具時，要先確認刀盤轉角的具體位置，不能讓刀盤的開口處正對土壓倉口，保護工作人員的安全。工作人員可以在刀盤的附近設置參照物，以此確定刀盤位置，也可以使用專業的傳感器進行定位，減少人為判斷的誤差。（2）刀盤清理。當外界的碎石、灰塵、泥沙進入刀盤之后，刀盤的工作效率降低，此時，維修人員需要對刀盤進行清理。刀盤的刀位區域應當在低氧與有氧的環境下進行清理，保證刀盤的整潔。（3）刀具拆除。修理刀盤時，應當拆除已經損壞的刀具。在刀盤清理結束之后，維修人員應運用風動扳手拆除刀具的螺栓，拆除損壞刀具之后再將其送到碴倉之外，而刀具的螺絲帽則可以用割槍進行清除。螺栓帽出現問題時，工作人員需要降低割槍的氧氣同時減少乙炔流量，避免溫度過高毀壞刀座的螺栓部分。（4）刀具安裝。工作人員在用新刀具替換已損壞的刀具時，要保證新道具的清潔干凈，刀具上不能有水珠，避免潮濕導致刀具生銹。使用割除法時可能會造成刀具損壞，此時維修人員應當對損壞部分進行打磨，修復其破損部分。

4.盾構刀盤轉速控制。在后續地層段掘進時將刀盤轉速嚴格控制在1r/min，防止刀盤轉速過快，造成刀盤結構應力過大，引起損壞。另外，刀盤轉速過快將造成刀具磨刀效應，引起刀具磨損。刀盤適當的轉速有利于刀具單次切削貫入度控制，對刀具磨損控制也有一定作用。

結論：綜上，盾構刀具選取將會直接影響盾構機掘進效率，本文對盾構機掘進中刀具損壞及維修措施進行分析，為以后盾構機刀具選取、減少刀具磨損以及刀具維修提供了一定參考價值。