盾構機掘進中刀具損壞問題及其維護

汪熙洋

（中鐵十九局集團有限公司，北京 100176）

0 引言

21 世紀后，城市化進程加快，交通擁堵等問題嚴重影響城市生活品質，地下空間資源開發(fā)成為城市可持續(xù)發(fā)展的重要方向。目前日本、法國等國家在地下工程實踐方面取得顯著成果，隨著各項基礎設施建設、城軌交通等工程對盾構機大量需求，盾構機在隧道施工中得到迅速發(fā)展。盾構法施工對隧道周圍土體擾動小、不需拆除已有建筑物，盾構法施工成為地下空間開發(fā)的主要施工方法。刀具配置直接影響施工效率及刀盤壽命，刀具磨損是盾構施工的難題，刀具磨損后安全高效進行更換尤為重要。目前對刀具磨損情況掌握不足，成為制約掘進速度的重要因素。研究表明，刀具日常維護保養(yǎng)及更換時間占施工成本的1/3。刀具配置是否合理，直接影響盾構機刀盤使用壽命。刀具磨損后經(jīng)濟地更換是重要的課題。研究盾構機掘進刀具維護對盾構施工具有重要借鑒意義。

1 盾構機簡介

盾構機是將機械等多學科技術集于一體的大型綜合施工設備，用于地鐵修建等大型地下工程建造。盾構掘進機優(yōu)點體現(xiàn)在施工安全、有利于環(huán)保、適用于多種土質等。盾構機進行隧道施工具有施工速度快、開挖隧道可控制地面沉降，在地下開挖不影響地面交通等優(yōu)點[1]。隧道掘進機地質針對性強，用于硬巖地層隧道掘進機為TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘進機）。盾構機類型主要分為機械式、手掘式等。

手掘式盾構機需對開挖面加固，適用于軟硬間雜的開挖面；半機械式盾構機安裝掘土機械，在加固輔助方面與手掘式相同，適用地質包括固結粉及黏土等；擠壓式盾構機掘進時，土體從胸板上開口處擠壓入盾構機內，適用于沖積形成粉質砂土層；機械式盾構機前部裝旋轉刀盤，適用于開挖面可自立穩(wěn)定洪積地層；土壓式盾構機把土料作為穩(wěn)定挖掘面介質，分為加水、加泥土壓與復合土壓盾構機，可使掘削土砂流動性增強。泥土壓式在土質應用方面最廣泛，適用于粉土等固結度較低的軟基。高水壓地基中需采取其他措施保證土壓平衡。盾構機主要組成包括刀盤刀具、推進系統(tǒng)，排土機構、電氣系統(tǒng)等。

目前盾構機掘進刀具分為滾刀與切削刀，滾刀破巖是刀盤在力作用下橫向轉動、縱向推進，使刀盤滾刀在開挖面切削系列溝槽，溝槽產(chǎn)生裂隙。第二個刀刃產(chǎn)生溝槽比第一個延遲一定角度，使盾構機破巖挖掘土體向前掘進。隨著盾構機掘進，刀具受到刀盤作用力對開挖面產(chǎn)生軸向剪切力，刮刀不斷向開挖面前方土體切削。刮刀把盾構機刀盤前方土體刮削，邊緣刮刀削軟土，可以破碎抗壓強度30 MPa 以下巖石，起到保護刀盤結構的作用。盾構機刀盤如圖1 所示。

2 盾構機刀具結構

盾構機掘進依靠馬達驅動刀盤旋轉切削開挖面土層。土壓平衡盾構機刀盤根據(jù)地質條件分為軟土與硬巖布置形式[2]。刀盤是刀具安裝部位部件，設置在盾構機最前方，對切削面有支撐作用，能攪拌密封艙內的泥水。盾構機刀盤依據(jù)掘進段地質條件等因素設計。刀盤結構對地層適應性表現(xiàn)為驅動形式、扭矩系數(shù)等方面。對刀具合理選用維護決定盾構掘進工程質量及進度。

盾構機刀盤形式分為面板式、輻條式。根據(jù)施工要求選擇不同的刀盤形式。面板式刀盤由開口刀盤組件拼接，刀盤上設有渣土進箱開口等。開口率在10%～30%，滾刀安裝在刀盤上。面板式刀盤有足夠空間安裝布置滾刀，但不利于渣土排出，刀盤表面易附著黏土，降低掘進效率[3]。輻板式刀盤通過寬條輻連接組成，能通過輻板結構形式對開挖土體有支撐作用，保證開口及時排出土渣。其通過輻條與刀盤中心連接組成，切削刀盤刀具布置在輻條兩側，對渣土流動性較好的底層，輻條式刀盤提供充裕的開口。對自穩(wěn)性較差的粉土底層不能提供足夠支護力。土壓平衡盾構刀盤可采用輻條式，不同形式刀盤結構開口等情況不同，實際施工中盾構機掘進段底層復雜多變，涉及淤泥、軟硬巖等。

盾構機刀盤支撐方式與直徑、土質對象等有關，分為中間與周邊支撐式。中心支撐式結構簡單，刀盤密封直徑小，開挖土砂流動量好；由于空間狹小，處理大塊石等困難，中心刀盤偏荷載作業(yè)難以確保面板強度。中間支撐式采用雙數(shù)橫梁支撐，易滿足刀盤面板所需荷載強度。軟巖下易在橫梁中間形成泥餅，影響掘進速度。周邊支撐式形狀采用環(huán)狀與方柱形，有利于大塊巖石的處理[4]。支撐方式在黏土底層掘進應做好預防措施。盾構機刀具配置是影響掘進成功的重要因素，通常根據(jù)不同地層選擇不同刀具類型。盾構機刀具劃分有多種形式，包括根據(jù)運動方式，安裝方式等。按安裝位置分為中心刀具、超前刀具等。

3 盾構機掘進刀具磨損分析

盾構施工中會出現(xiàn)刀具磨損，如不能及時發(fā)現(xiàn)并更換會加快其他刀具磨損，盾構機刀具磨損成為影響工程質量的關鍵性問題。盾構刀具磨損形式分為正常與異常磕碰崩齒，在粗砂地層中刀具磨損以前者為主，在膠結巖層及卵石圓礫地層后者占比較高。硬巖中滾刀損壞形式有多種，主要分為軸承損壞，刀圈損壞等，刀圈偏損是常見損壞方式。

切削刀開挖中基本形式為通過刀刃切削使被開挖土體產(chǎn)生應力超過自身強度，使分離土體發(fā)生變形脫離母體，土屑隨切削刀進入刀盤開口。切削刀土體變形分為3 個變形區(qū)域，刀具開挖的土屑具有不同的流體形態(tài)，常見的有剝離型等，土屑不同流體形態(tài)與切削角度等因素有關。土屑的流動狀態(tài)取決于被切削土層形成土屑破壞力學狀態(tài)，斷裂型土屑由于剪切作用形成塑性變形。土屑流動形態(tài)隨著開挖土層土質變化改變[5]。含水率較低土層土屑由斷裂型轉變?yōu)榱鲃有汀６軜嫏C刀具對開挖面土體產(chǎn)生軸向剪切力，不斷完善開挖動作。切削中刀具通常沿開挖面運動，切入開挖面運動，刀具通過刀刃對土體施加壓力，以土屑形式沿刀面流出。

圖1 盾構機刀盤

盾構機在砂卵石地層中刀具磨損快，在硬巖地層通常選用滾刀，根據(jù)滾刀磨損程度分為均勻與非均勻磨損。均勻磨損是滾刀刀圈部位磨損度相同，滾刀破巖效率與滾刀刃口寬度有關，隨著盾構機掘進滾刀圈磨損量增加，刀口寬度達到一定范圍影響掘進速度。非均勻磨損是滾刀圈部位磨損度不同，包括刀圈偏磨與斷裂，盾構機掘進中地質情況復雜，刀盤其他部件脫落卡在刀刃與巖壁間，導致刀圈局部過載發(fā)生斷裂。刀圈發(fā)生偏磨使?jié)L刀破巖能力減小。出現(xiàn)掘進參數(shù)異常，地質條件變化與地面環(huán)境限制等情況要檢查更換刀具。滾刀磨損與地質情況等因素有關，地質因素包括研磨性、開挖斷面地質均勻度等。

4 盾構機刀具磨損更換維修

盾構機依靠刀盤刀具切削土體掘進，刀具會受到?jīng)_擊，盾構施工地質條件不同。滬、杭等地地質條件以淤泥為主，盾構刀具類型以切割為主；北京等地存在砂卵石，刀具會受到磨損損壞。更換盾構機刀具需要根據(jù)巖層情況選擇合適的刀具；要采用科學方式判斷刀具磨損度，達到磨損最大值需立即更換。

盾構機刀盤刀具維修前需進行檢查，操作人員要記錄刀盤磨損度，檢查刀盤操作面板完好度；要檢查刀具與刀盤連接狀態(tài)，固定零件是否出現(xiàn)損壞；計算刀圈磨損數(shù)值，正確測量刀圈磨損度是更換刀具的主要依據(jù)。適時更換刀具可以降低損壞概率，有利于提高盾構機工作效率。更換刀具要按照合理原則進行。刀具參數(shù)是否適用于地質條件決定盾構機掘進進程，掘進軟土層采用齒刀刀具。根據(jù)地質環(huán)境更換刀具磨損數(shù)值。刀具更換最大值為雙刃中心滾刀25 mm。為確保盾構機設備工作效率，需要按計劃進行批量更換。

盾構機對硬巖掘進時，適宜開展無壓力換刀作業(yè)。更換刀具需要遵循科學程序，包括更換刀具規(guī)劃、物資設備供應、操作人員培訓等。操作人員工作中要與土木工程人員保持溝通，設計刀具方案時要估算特殊部位刀具磨損程度，保持與其他工作人員溝通。根據(jù)設計方案準備充分的材料。要想快速完成換刀工作，必須準備足夠的原材料，換刀工作前需要對盾構機系統(tǒng)性能進行檢查，確認各設備處于正常運行狀態(tài)。施工單位要選用技術成熟的操作人員進行換刀工作，強化操作人員的綜合素養(yǎng)。培訓內容包括不同刀具更換操作規(guī)范等，提高刀具更換安全性。由于更換刀具危險性大，施工單位要設立緊急處理小組，加強操作人員施工安全教育。

施工單位要制定可行的開倉方案，開會討論方案可行性，審批流程為機電部門總工聯(lián)合確認上報項目經(jīng)理，確認方案無誤后上報業(yè)主，雙方確認后開倉。明確各級崗位責任制，提高施工單位管理能力。盾構機掘進刀具損壞維修要注意正確安裝刀圈、檢查軸承、檢查安裝密封性。刀圈硬度較好，要根據(jù)刀體匹配適當內徑的刀圈。溫度達到一定值，刀圈延展性最好。盾構機軸承是重要部件，故障為外部環(huán)境腐蝕時，可調節(jié)刀具軸承松緊度滿足工程要求。安裝刀具要在密封條件下進行，完成維修刀具后需要注入壓縮氣體，固定時間內氣壓正常說明刀體氣密性優(yōu)良。

5 結語

21 世紀是地下空間發(fā)展時代，地下空間施工中盾構法成為主要施工方法。刀具配置是盾構機設計關鍵環(huán)節(jié)，直接影響掘進速度與刀盤壽命。刀具磨損后安全進行更換尤為重要。闡述刀盤結構設計及刀具配置，分析切削刀具磨損失效形式，研究盾構機刀具配置，分析復合地層對刀具磨損的影響。盾構機刀具維護技術是培訓的重要內容，要想保證盾構機工作性能，必須加強對技術人員考核，保證盾構機施工質量，加快施工效率。