復雜地質條件下TBM刀具失效形式及原因分析與應對措施

馮歡歡， 王樹英， 楊露偉， 楊延棟， 王文超， 夏 明

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 中南大學土木工程學院， 湖南 長沙 410075； 3. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 4. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

刀具作為巖石隧道掘進機(TBM)破巖的核心工具，其性能優劣及選型是否合理直接關系到TBM施工效率，也影響工程項目的經濟成本[1-2]。據統計，復雜地質條件下因檢查及更換刀具造成的TBM停機時間、刀具消耗費用，分別約占TBM施工總時間及成本的15%、30%[3]，分析刀具失效形式及原因，從刀具選型、掘進參數控制等方面研究優化措施顯得尤為重要。

段志偉等[4]基于新疆EN隧洞工程，開展了不同圍巖條件下國產刀具性能現場測試，得出滾刀在泥灰巖地層的磨損速率是閃長巖和花崗巖的1/8；武志鵬等[5]以越南某水電項目TBM施工為例，分析了刀具失效形式及損壞原因，提出刀具磨損受刀具質量、圍巖條件、施工環境等因素影響較大；閆長斌等[6]通過擬合分析刀具消耗數據，建立了基于不同圍巖和不同滾刀直徑條件下刀具消耗的預測方法，并在蘭州水源地輸水隧洞工程通過現場試驗進行了驗證；Farrokh等[7]基于多項TBM隧道工程案例，結合室內滾刀磨蝕性試驗，研究分析了不同磨蝕性指數與刀具磨損量之間的定量關系；Yang等[8]通過理論公式模型推導和現場數據回歸分析，建立了刀具消耗評價方法和預測模型，得出刀具磨損速率與巖體完整性系數和巖石磨蝕性指標的乘積呈指數函數關系；夏明[9]通過引漢濟渭隧洞現場試驗，建立了TBM刀具選用方法和刀盤刀具修復方法；張凌等[10]通過分析TBM刀具失效原因，提出了刀具安裝結構的改進方法；李金霖[11]以引漢濟渭秦嶺隧洞工程為例，分析了高磨蝕性硬巖地段TBM刀具消耗情況；李小玲[12]針對盾構工程分析了刀具的失效形式，提出刀具管理和維修措施。上述對TBM刀具磨損評價與預測、刀具選用及修復等進行了研究，對于刀具選型優化、消耗評估等具有一定的指導意義，但缺少對刀具不同失效形式及其影響因素的系統研究，難以為刀具優化及管理措施的制定提供切實依據，仍有待結合更多的工程實踐數據，進行更深入的總結與分析。

本文依托引漢濟渭秦嶺隧洞、中天山隧道等工程，通過統計刀具在不同地質條件下的消耗情況，分析刀具消耗的影響因素，進而分析刀具使用及管理方面存在的不足，并提出優化建議，以期更好地解決刀具選型及管理問題，從而提高TBM施工效率、節約施工成本。

1 刀具常見失效形式

1.1 正常磨損

刀具進行破巖時，破巖效率與刀圈刃口寬度有關，隨著刀圈磨損量的增加，刃口寬度增加，粉碎區也逐漸增加，達到一定范圍時會影響掘進速度，此類情形下的磨損稱之為正常磨損。

1.2 弦磨

弦磨是指滾刀刀圈被磨成1條或幾條弦的現象，它是最常見的刀具異常磨損形式。造成刀圈弦磨的原因主要有： 1)刀圈自身質量問題； 2)刀具軸承損壞不能轉動； 3)刀具裝配時刀具啟動轉矩設置不合適； 4)密封損壞導致刀具漏油，同時巖渣進入密封腔，導致軸承損壞； 5)滾刀與刀座之間空隙擠進入石塊，導致刀具卡死； 6)設備掘進時參數控制不當，造成軸承過載； 7)刀具軸承因過熱而出現抱死。

1.3 刀圈斷裂

在掘進過程中，刀圈斷裂的情況也時有發生。主要原因是： 1)因地質條件突然變化或刀刃與圍巖間卡入異物，導致刀圈局部過載； 2)刀圈與刀體配合過盈量過大； 3)刀圈質量問題； 4)刀盤啟轉時，推力過大或推進速度過快，刀具與巖石突然碰撞； 5)進行TBM掘進方向調整時，調整幅度過大。

1.4 刀具漏油

造成刀具漏油的原因很多，主要有： 1)刀具軸承或密封失效； 2)刀具修理時裝配不當或混入雜物； 3)刀盤噴水系統工作性能不足，導致軸承及潤滑油溫度過高； 4)由于地質突變或人為操作不當等原因，造成刀具過載，導致軸承滾子剝落，剝落的金屬碎片及顆粒造成密封失效； 5)刀具密封自身質量問題。

2 刀具異常損壞影響因素

2.1 掘進參數對刀具異常損壞的影響分析

2.1.1 總推力

在軟弱圍巖或巖石強度較小的圍巖掘進，刀盤施加較小的總推力即可將巖石由掌子面破碎下來，刀具受荷載力較小，刀圈磨損較慢，滾刀軸承在低負荷狀態下使用壽命較長；同時，刀具正常運轉溫度較低，密封元件不易出現異常損壞。在巖石強度較高的圍巖掘進，刀盤需施加較大的總推力，才能將巖石由掌子面破下來，刀具所受荷載較大，刀圈磨損較快，尤其是邊刀區域磨損更加嚴重；滾刀軸承在高負荷狀態下運轉，使用壽命大幅度降低；刀具運轉溫度較高，潤滑油脂因高溫易失效，密封元件因老化斷裂失效。TBM在掘進施工時，隨著巖石強度的增大，刀盤將掌子面巖石破碎下來所需的總推力越大，刀具消耗越嚴重。

2.1.2 刀具貫入度

TBM在地質條件相差不大且轉速相同的情況下掘進時，為取得較大的刀具貫入度，必須增大刀盤推力。隨著推力增大使刀具貫入度增加，即刀具受力增大，導致刀圈出現不同程度的塑性變形、卷刃、崩刃，加大了刀圈的磨損量；軸承載荷偏大甚至超載，出現大斑點狀點蝕、剝落掉塊等異常損壞。

2.1.3 刀盤轉速

TBM掘進過程中，為了提高掘進速度，通常采用提高刀具貫入度或刀盤轉速的方式來實現，刀具貫入度隨刀盤推力呈曲線性變化，當刀盤推力達到額度推力時，只有提高刀盤轉速才能進一步提高掘進速度。刀盤轉速增大后，刀具單位時間內自轉的線距離相應增加，首先，刀具轉速增快，刀圈易出現過載崩刃，增加刀具異常消耗量；其次，刀具溫度明顯提升，易出現密封失效、潤滑油脂失效等現象。

以引漢濟渭秦嶺隧洞工程為例： 1)TBM油缸推力控制在28～32 MPa，當刀具貫入度為2 mm/r時，刀具異常損壞率為8.83%；當刀具貫入度為4 mm/r時，刀具異常損壞率為12.22%。2)TBM貫入度控制在3～4 mm/r，當TBM油缸推力為26～28 MPa時，刀具異常損壞率為11.54%，當TBM油缸推力為28～32 MPa時，刀具異常損壞率為12.22%。由此可以看出，刀具異常損壞率與刀具貫入度、TBM推力均成正比關系，但由于造成刀具異常損壞的因素較多，很難精確分析某一因素的影響程度。在TBM施工過程中，需要綜合考慮不同掘進參數、地質條件及刀具選型等對刀具異常損壞的影響，同時還應兼顧對TBM掘進效率的影響等方面。

2.2 地質條件對刀具磨損的影響分析

基于引漢濟渭秦嶺隧洞某TBM區間實際刀具更換統計數據，通過對比不同條件下的刀具消耗量，來分析不同圍巖單軸抗壓強度及圍巖石英質量分數對刀具磨損程度的影響關系。

2.2.1 圍巖單軸抗壓強度

當石英質量分數一定時，以石英質量分數70%的區段為例，圍巖強度-刀具消耗關系曲線如圖1所示。從圖中可以看出： 圍巖強度越高，刀具消耗量越大，即對刀具的磨損影響程度越大。

圖1 圍巖強度-刀具消耗關系曲線圖

2.2.2 圍巖石英質量分數

當圍巖強度一定時，以圍巖強度為150 MPa的區段為例，石英質量分數-刀具消耗曲線如圖2所示。從圖中可以看出： 刀具消耗量與石英質量分數成正相關關系，且變化率逐漸增大。

圖2 石英質量分數-刀具消耗曲線圖

結合工程統計數據及以上分析結果，繪制圍巖強度、石英質量分數與刀具消耗之間的關系曲線如圖3所示。

由圖3可知，從整體上可以判斷圍巖強度、石英質量分數與刀具消耗均近似線性關系，進而推導出不同工況下的刀具消耗情況如表1所示，為今后類似TBM工程施工過程中的刀具更換與管理提供參考。但刀具的消耗除此外還受多種因素影響，在某些特殊情況下(如遇掌子面塌方、巖爆等)，也會對刀具的消耗產生明顯影響。如K28～K29的第1個波峰： 該段為石英巖與花崗巖交接過渡段，掌子面巖石破碎，節理發育，刀具異常損壞較多，導致其與圍巖強度、石英質量分數走向偏離。K34之后波峰： K33+860之后，隧洞埋深超過1 300 m，巖爆發生頻率較高，且以中等以上為主,偶爾發生強烈巖爆，導致刀具消耗規律異常。

表1 不同圍巖強度不同石英質量分數下刀具消耗情況

3 工程案例分析

3.1 中天山隧道

中天山隧道位于托克遜、和碩間中天山東段的嶺脊地區，是南疆鐵路增建吐魯番至庫爾勒段的控制性工程。隧道全長22 467 m，穿越地層主要為變質砂巖、花崗巖、片巖夾大理巖等。進口段采用直徑8.8 m敞開式TBM施工，其中Ⅱ、Ⅲ級圍巖約占全隧長度的78.8%(見表2)。

表2 TBM段圍巖情況表

3.1.1 刀具消耗情況

3.1.1.1 整體消耗情況分析

TBM刀盤共配置有6把單刃中心刀、62把正滾刀、3把邊滾刀及2把雙刃擴孔刀，均采用43.18 cm(17英寸)盤型滾刀；另設置8個邊緣鏟斗、4個正面鏟斗(見圖4)。TBM施工過程中，共計更換正滾刀4 407把、邊滾刀445把、中心刀154把、擴孔刀32把。刀具更換原因統計情況見表3。

經研究對比，中天山隧道TBM掘進參數控制基本合理，造成刀具異常消耗量較大的原因主要有2個方面： 1)TBM累計穿越4條花崗巖節理密集帶(合計長度超過600 m)、1條石英巖脈發育的砂巖夾片巖節理密集破碎帶，圍巖軟硬不均、節理十分發育，主應力方向與隧道軸線方向基本一致，大塊巖石塌落現象頻發，導致刀具被砸而出現崩刃；同時，由于大石塊卡滯，導致刀具無法轉動而產生弦磨，并造成刀具螺栓失效、刀具漏油及其他形式的損壞。2)TBM穿越長度2 755 m的華力西期花崗巖復雜洞段，該段地質情況異常復雜，掌子面及兩側洞壁巖爆、坍塌現象時有發生，在掌子面形成臺階及孤石，使得刀盤旋轉過程中與孤石頻繁沖擊，導致刀具異常損壞，刀具消耗成幾何級數增加。

圖4 刀具配置示意圖

表3 刀具更換原因統計情況

3.1.1.2 正、邊滾刀消耗情況

正、邊滾刀正常更換2 367把，占比48.8%；弦磨、漏油、刀圈斷裂等異常更換2 485把，占比51.2%。異常換刀對TBM掘進進度影響較大。

3.1.1.3 中心刀消耗情況

中心刀正常更換119把，占比77.4%;異常換刀35把，占比22.6%。

3.1.2 刀具失效形式分析

3.1.2.1 刀具磨損

刀具磨損占刀具失效近3/4，其中，正常磨損刀具占比48.8%。對這類換刀要統籌安排，批量進行更換，盡可能減少對掘進的影響。弦磨刀具約占失效刀具的25.1%，但及時發現刀具弦磨非常困難，弦磨刀一般只能拆解后進行全面檢測，才能準確判斷其故障原因。

3.1.2.2 刀具漏油

刀具漏油的情況也比較常見，占刀具失效的10%。

3.1.2.3 擋圈斷裂或脫落

擋圈脫落的情況在施工過程中時有發生，占總比的1.9%。造成該情況的主要原因是： 擋圈安裝不當或焊接不牢、擋圈被石塊砸斷或脫落等。

3.1.2.4 刀具螺栓松、掉、斷及飛刀等情況

刀具螺栓松、掉、斷及飛刀的現象也較明顯，占刀具失效的8.1%。造成刀具螺栓問題的原因主要有：刀具螺栓性能下降、刀具安裝不當、螺栓本身質量問題、刀具螺栓預緊轉矩未達到規定等。

3.2 引漢濟渭隧洞

引漢濟渭工程秦嶺隧洞洞線長81.779 km，以其中位于秦嶺嶺脊高中山區及嶺南中低山區的某標段為例，該標段全長18.717 km，高程1 050～2 420 m，隧洞最大埋深約2 000 m，所穿越石英巖、花崗巖及閃長巖約占圍巖總量的75%以上，其中石英巖中的石英質量分數最高達97%、花崗巖最高達30%、閃長巖最高達18%；標段最高巖石強度達320 MPa，采用直徑8.02 m敞開式TBM施工。主要采用43.18 cm(17英寸)中心滾刀、50.8 cm(20英寸)正滾刀及邊刀進行破巖。刀具布置情況如圖5所示。

圖5 刀具布置示意圖

3.2.1 刀具消耗情況分析

3.2.1.1 單刃滾刀消耗

TBM某施工段共計更換單刃滾刀5 961把，其中，正常磨損更換5 094把，占比85.46%；非正常損壞更換867把(見圖6)，占比14.54%。單刃滾刀失效原因統計如圖7所示。

(a)

(b)

圖7 單刃滾刀失效原因統計

3.2.1.2 中心刀消耗

TBM第1掘進段共計更換雙刃中心刀161把，正常更換60把，非正常損壞更換101把(見圖8)。

圖8 中心刀失效原因統計

3.2.1.3 鏟齒消耗

TBM第1掘進段共計更換鏟齒2 687塊，達到0.32塊/延米。鏟齒更換以正常磨損為主，占比91%；異常更換主要為受高強度巖體沖擊導致鏟齒螺栓斷裂、鏟齒掉落，占比9%。鏟齒消耗主要集中在刀盤過渡區域位置，由于該區域刀具磨損較快，造成該區域鏟齒更換量占比80%以上。

3.2.2 刀具失效形式分析

引漢濟渭第1掘進段異常磨損滾刀共計938把，其中，刀圈崩刃占比44%，偏磨占比32%，其他原因占比24%。具體分析如下。

1)引漢濟渭工程中巖爆頻發，巖爆引起巖石發生塌落，對滾刀產生強烈沖擊，進而導致刀圈崩刃、斷裂，這是造成刀圈崩刃損壞的主要因素。

選頰車、下關、四目、印堂、風池、翳風、地倉,艾絨中加入麝香、雄黃、乳香、當歸、冰片、沒藥、紅花、水蛭等藥物,增強艾條功用。每穴以雀啄法灸5min,皮膚潮紅為適宜,耳后部熱氣向面部傳導且面部有發熱感覺時療效更佳。1次/d,1療程10d,每個療程后休息1d,根據治療效果決定是不進入下一療程。施灸時注意力要集中,患者取舒適、自然體位,穴位精確,艾條與穴位距離有稍遠一些,避免燙傷皮膚,且不影響治療效果。施灸結束30min內,患者要避免外出或吹風受涼。

2)引起滾刀偏磨的原因較多，例如： ①過載沖擊使刀具軸承、刀體、刀圈損壞而未及時更換；②石塊擠入刀座與滾刀之間的空隙，導致刀具卡死；③密封損壞造成刀具漏油，同時巖渣進入密封腔，致使軸承損壞；④刀具裝配過程中啟動轉矩調整不當，使得刀具不能正常轉動。

3)除了以上崩刃、偏磨2個主要異常失效形式外，其他諸如螺栓松動或斷裂、端蓋移位、端蓋絲扣壞等也達到了24%的比例。其中，刀具固定螺栓的“松、掉、斷”是極硬巖地層TBM刀具使用與管理所面臨的技術難題之一。

4 應對措施分析

4.1 刀具選型

在滾刀易磨損地層，刀具的消耗以磨損為主，根據不同的地質情況，應選用相對應的刀盤刀具配置，調整合適的刀間距避免巖面過度破碎形成刀具的二次磨損； 同時，增加施工時刀盤檢查頻次，做到提早發現、及時處理，避免因個別刀具出現磨損過快、崩刃等現象影響整盤刀具的正常運轉。在排除設備等外部原因導致滾刀磨損過快時，滾刀自身的配置尤為關鍵：

1)選擇合理的轉矩配置，在地質情況發生變化時要相應調整刀具的轉矩，提高刀具壽命，防止因摩擦力不夠導致刀具偏磨、弦磨。

2)選用高品質浮動密封、軸承，確保在刀具運轉時不會因浮動密封、軸承失效而導致滾刀異常磨損。

3)選擇適用當前地質情況的刀圈，如在掌子面圍巖坍塌掉塊較多的情況下采用加厚刀刃、刀圈采用中高頻梯度硬度處理提高韌性等措施；在巖層強度較高時則不宜采用刃口過寬的刀圈，否則會降低破巖效率加速刀圈的磨損。

在滾刀易磨損地層，刀圈新的工藝處理也能帶來很好的效果。如在刀圈上鑲嵌超硬合金，在巖層強度不高(≤40 MPa)的情況下能延長刀圈使用壽命，利用合金的高耐磨性實現刀具的耐磨性提升。

4.2 刀具檢查方法

4.2.1 刀具檢查頻次要求

1)刀具例行檢查標準： 根據TBM掘進速度(v)來制定刀具例行檢查頻率，v<2.6 m/h時，每掘進3個循環檢查1次； 2.6 m/h3 m/h時，每掘進5個循環檢查1次。

2)當出現主機振動大、刀盤內有異響、刀盤轉矩或掘進推力異常增大等情況時，需立即停機對刀盤進行檢查。

3)刀具檢查人員觀察出渣皮帶時，如發現有長條形渣塊連續出現超過5 min，應停機檢查刀具。

4)皮帶上有刀具螺栓、刮板等物體時，需停機進行刀盤檢查。

4.2.2 刀具檢查主要內容

1)刀盤清渣及清潔工作。

2)每20～30 m測量刀具的磨損量。中心刀及正滾刀的磨損極限值為38 mm，邊刀的磨損極限值為18 mm，出現特殊情況時應據實考慮每日檢查。

3)檢查刀具是否有弦磨、漏油、刀圈斷裂、刀圈移位、擋圈脫落，刀具螺栓是否松、斷、掉，并使用工具敲擊螺栓，判斷螺栓緊固狀況。

4)檢查刮板及刮板螺栓狀況。

5)檢查刀盤噴水系統是否完好。

4.3 更換刀具判斷標準

不同類型的換刀對應著不同的標準：

1)正常換刀。刀圈磨損到極限值，正滾刀、中心刀磨損到38 mm，邊滾刀磨損到18 mm。

2)非正常換刀。刀具弦磨、漏油、刀圈斷、刀圈移位5 mm以上。

3)調整高差的換刀。正滾刀相鄰刀具高差小于15 mm，邊刀高差小于5 mm。

4)成組更換刀具。中心刀成組更換時，必須更換1#正滾刀；更換邊刀同時更換55#～62#正滾刀。

4.4 更換刀具相關要求

1)刀具更換時，必須將刀具各個接觸面用角磨機打磨干凈，保證接觸面光滑無異物；托架與刀具的接觸面必須要用清水沖洗干凈，并用干凈棉布擦干后方可組裝，最后用扭力扳手擰緊到要求的力矩。

2)刀架與刀座一一對應，拆除的刀架重新安裝時要裝到原刀座。當刀架或刀座需要更換時，必須成套更換。

3)裝刀前需檢查刀座是否牢固，確保其不存在磨損或刀座螺栓斷裂等情況。緊固刀具螺栓應先用手帶入4～5個絲扣后，再用氣動扳手帶入，嚴禁直接用氣動扳手安裝螺栓；最后使用力矩扳手將螺栓緊固到位，螺栓緊固順序為對角緊固。

4)換刀人員要將刀座號、刀具更換的里程、刀盤工作時間、新裝刀體號、舊刀體號、新刀狀況及裝刀具的人員等信息，記在刀具更換記錄表中，并通報給主司機，予以記錄。

5 結論與建議

全斷面硬巖、斷層破碎帶等不同類型圍巖，所造成的TBM刀具破壞形式不盡相同；圍巖單軸抗壓強度、圍巖石英質量分數等不同地質參數，對刀具的影響程度不同；而不適宜的TBM掘進參數也會造成刀具的異常損壞，如總推力、刀盤轉速、刀具貫入度等。針對刀具不同類型的損耗，需準確分析原因，以采取針對性的處理措施，進而有效控制刀具消耗量，最終實現施工成本的降低、施工效率的提高。在做好刀具損壞原因分析及應對處理的基礎上，還應該從刀具配置技術及刀具狀態監測技術等方面加強研究，以減少刀具的異常損壞。具體結論與建議如下：

1)在不考慮掌子面塌方、巖爆等特殊情況對刀具異常損壞影響的前提下，圍巖強度、石英質量分數與刀具消耗均近似成線性關系。

2)進一步研發刀間距可調的刀具配置技術。目前，關于TBM刀具配置設計，多是基于前期類似工程配置經驗及施工效果進行類比設計，一旦刀具配置方式確定，后期施工中就不再改變，這樣便難以適應同一隧道不同地質條件下的破巖需求。由于不同圍巖條件下的滾刀最優破巖刀間距不同，目前只在室內試驗平臺上實現了刀間距的可調，工程中尚未獲得應用，應進一步加強刀間距可調的刀盤刀具技術研究，以確保不同地質條件下的TBM掘進效率。

3)加強新型刀具狀態監測系統的研發及應用。目前，刀具狀態監測系統在超大直徑盾構常壓滾刀性能檢測方面有了較多的應用，但由于TBM裝備掘進過程中振動強烈、外界干擾大等不利因素影響，導致現有滾刀狀態監測系統在TBM掘進過程中適應性較差、數據采集精度較低；另一方面，由于現場檢查TBM刀具狀態的條件相對便利，刀具狀態監測系統在TBM裝備上推廣應用極少。同時，在裝備無人化、信息化、智能化等發展趨勢的推動下，人工對刀具狀態進行不定時的檢查將難以滿足，有必要對刀具狀態進行實時掌握并提前預測其運行狀態，在超聲波探測法、電氣法等現有刀具狀態監測系統的基礎上，進一步研發出能夠對TBM工作環境具有較強適應性的新型監測系統尤為迫切。