淺談TBM硬巖掘進機的刀具管理

摘 要：在全斷面隧洞掘進機中，硬巖掘進機（TBM）是最為主要的掘進機種類，在地下巖石隧道的施工中有著極為廣泛的應(yīng)用。對TBM刀具在隧道掘進工作中的基本工作原理、破巖方法以及失效情況進行了綜合分析，結(jié)合實際情況提出了在TBM施工中需要注意的關(guān)鍵性問題，并提出了解決這類關(guān)鍵性問題的具體方法，為全面加強TBM刀具的科學(xué)化管理效率提供有效的指導(dǎo)意見，以期最大化提高TBM在工作中的掘進效率，減少隧道施工中的成本投入水平。

關(guān)鍵詞：硬巖掘進機；TBM；刀盤；刀具管理

中圖分類號：U455.3+1" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2023）03-0054-03

0 引言

全斷面隧洞掘進機是地下施工環(huán)境下廣泛應(yīng)用的一類隧洞施工設(shè)備，其中，硬巖掘進機（TBM）是該類掘進機的主要組成部分。在TBM中，硬巖掘進機的刀盤是整個隧洞施工以及機器工作的核心部件，刀盤的質(zhì)量以及工作效率直接影響到掘進機的施工狀態(tài)。

TBM在正常掘進的過程中，考慮到邊刮刀以及滾刀都位于刀盤的面板上，為了避免其刀具與掌子面圍巖產(chǎn)生較大的磨損，要盡可能保護刀盤面板，減輕刀座的壓力。在實際應(yīng)用過程中需要判斷刀具的磨損情況，如果磨損較大，則無法起到刀具的保護作用，那么刀盤面板以及刀座在工作中必然會與圍巖產(chǎn)生直接接觸。考慮到刀盤面板材質(zhì)的不同，滾刀刀圈的材質(zhì)耐磨性相對較好，在后續(xù)使用的過程中如刀具管理不善，刀盤面板必然會產(chǎn)生較大的磨損[1]。因此，TBM刀盤的管理工作核心在于加強滾刀以及邊刮刀的運轉(zhuǎn)效率，最大化加強刀具的管理水平。

1 TBM 刀具簡介

一般而言，TBM設(shè)備中硬巖掘進機大部分工作均采用17英寸或者19英寸的刀圈作為主要的刀具設(shè)備，具體與隧洞的開挖直徑以及開挖深度有關(guān)。根據(jù)滾刀在刀盤中的實際分布，可以將刀具具體分為邊刀、面刀、中心刀幾種類型，不同的滾刀在工作中會按照既定的方式固定在刀盤上，隨著機械驅(qū)動刀盤的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生切割破碎巖石。中心雙刃滾刀安裝在刀盤上。

一般情況下，在硬巖掘進機上安裝有4把雙刃滾刀，在工作中主要對掌子面中心巖石進行開挖處理。此外，面刀的布置按照既定比例以及標(biāo)準(zhǔn)布置在刀盤的正面位置，主要對隧洞內(nèi)掌子面正面進行開挖操作，對于外圍輪廓的開挖起到一定的掘進作用[2]。為了提升施工質(zhì)量，硬巖掘進機的邊刀一般設(shè)置了擴挖功能，從而確保硬巖掘進機在工作狀態(tài)下，可以全面提高全地質(zhì)環(huán)境下的洞徑開挖效率。

2 硬巖掘進機刀具破巖機理

硬巖掘進機通過安裝在刀盤上的滾刀進行掘進工作，在機械驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動的情況下對硬巖面施加壓力。滾刀圍繞刀盤的中心面進行旋轉(zhuǎn)，并且按照軸線進行自身的轉(zhuǎn)動。在滾刀對圍巖產(chǎn)生的作用力較大的情況下，如果作用力超過了圍巖本身的強度，就會貫穿巖石，并對巖石產(chǎn)生擠壓效果。對應(yīng)的剪切力也可以在滾刀刀刃的作用下，將圍巖切割成破碎體，破碎體在刀刃的作用下逐漸成為粉碎狀態(tài)。后續(xù)將滾刀壓力傳遞到周邊圍巖面上，從而將圍巖碾壓成粉碎狀。該過程中會產(chǎn)生徑向裂紋，后續(xù)多條徑向裂紋會在兩側(cè)進行延伸，從而在相鄰的裂紋之間產(chǎn)生自由面上的交匯，導(dǎo)致圍巖面周邊的碎片產(chǎn)生崩碎，使后續(xù)滾刀在巖面的位置上連續(xù)產(chǎn)生滾壓效果，實現(xiàn)連續(xù)的破碎效果。

3 TBM硬巖掘進機的刀具管理意義

3.1 刀具管理的目的

加強硬巖掘進機的刀具管理的必要前提，在于有效加強刀具的管理與維修工作，并且構(gòu)建精細(xì)化的刀具臺賬。應(yīng)按照刀具的磨損情況判斷刀具的工作狀態(tài)，并對刀具的實際情況進行綜合分析，從而根據(jù)硬巖掘進機實際工作狀態(tài)，對刀具進行有效的配置與更換，加強維修效果，最大化減少刀具維修與管理上的投入，減少硬巖掘進機在工作時刀具管理的維護成本投入水平[3]。

3.2 刀具管理的實施

在實際施工的過程中，應(yīng)加強刀具的檢查頻率管理，盡可能減少刀具的更換時間是加強硬巖掘進機管理的有效方法。一般而言，在掘進施工的過程中，刀具的更換以及檢查時間占比在10%以上，刀具實際工作狀態(tài)下的消耗在很大程度上影響刀具成本。在石質(zhì)較硬的情況下，加強刀具的更換時間以及檢查效果顯得尤為重要。通過對硬巖掘進機構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的刀具管理，不僅可以有效減少掘進成本的投入，在很大程度上也能夠有效提高機器設(shè)備的利用效率，提升機器的利用效率，確保施工過程能夠順暢進行，減少施工的外部風(fēng)險。此外，熟練掌握對刀具的檢查以及更換方式也是刀具管理的重點，通過有效的刀具管理，可以減少刀具在掘進面工作中可能出現(xiàn)的大面積損傷，減少更換刀具所浪費的掘進時間[4]。

4 硬巖掘進機滾刀失效形式及原因分析

硬巖掘進機采用的是盤形滾刀。硬巖掘進機在工作狀態(tài)下，盤形滾刀在掘進的過程中需要承受相對較大的工作荷載壓力，外部條件產(chǎn)生的沖擊、磨損等會造成刀圈的外圍出現(xiàn)磨損以及性能較差的問題，從而導(dǎo)致刀具失去現(xiàn)有的破巖效果。在這種情況下，需要結(jié)合實際情況對刀具進行合理更換，確保刀具管理能夠發(fā)揮出最大的利用價值。

5 硬巖掘進機刀具更換原則

在硬巖掘進機工作的過程中，階段性進行刀具更換顯得尤為重要，也是硬巖掘進機刀具管理工作中的重點內(nèi)容。在施工階段，技術(shù)管理人員應(yīng)該結(jié)合施工的具體狀態(tài)判斷刀具應(yīng)該如何進行有效更換。如果刀具更換不及時，會造成周邊刀具的承載負(fù)荷較大，刀具失效速度進一步加速。后續(xù)在掘進效率下降的條件下，隧道內(nèi)硬巖掘進機的施工投入成本會大大增加，并且低于標(biāo)準(zhǔn)頻繁更換的基本要求。刀具的基本效能以及工作狀態(tài)無法得到有效發(fā)揮，會導(dǎo)致掘進時間的浪費，限制了工程項目開展中掘進效率。

5.1 正常磨損

硬巖掘進機刀具在工作狀態(tài)下都有對應(yīng)的磨損閾值，在超過磨損閾值的情況必須對刀具進行更換。其中包括邊刀、面刀、中心刀，都需要在更換之后才能夠繼續(xù)使用。在實際使用的狀態(tài)下可以通過檢測刀刃高度的方式判斷刀具的磨損狀態(tài)，如果磨損較為嚴(yán)重，則需要及時將刀具調(diào)整到合適狀態(tài)之后，再安裝到硬巖掘進機上后續(xù)使用。

5.2 非正常磨損

由于在隧洞掘進的過程中，外部環(huán)境較差，外部因素對于刀具產(chǎn)生的不可控的負(fù)面影響也成為了刀具管理的重難點。對于硬巖掘進機工作過程中出現(xiàn)刀圈斷裂、錯位、偏磨或者漏油等情況，都需要及時根據(jù)實際情況更換刀具，尤其是在滾刀出現(xiàn)偏磨的情況下，應(yīng)該及時根據(jù)實際情況進行有效更換處理。如果存在一面磨損較為嚴(yán)重，則需要判斷出現(xiàn)不均衡磨損的主要原因，并及時對刀具進行更換。如果在檢測過程中發(fā)現(xiàn)僅僅是刀具周邊出現(xiàn)了輕微磨損，但是刀具可以正常轉(zhuǎn)動，這種情況可以進行密切關(guān)注，提升刀具檢查的頻率，在出現(xiàn)異常的情況下及時進行更換處理[5]。

5.3 滾刀擋圈脫落或刀具安裝螺栓失效

硬巖掘進機在工作過程中，如果出現(xiàn)擋圈脫落或者刀具后續(xù)螺栓安裝失效，而滾刀依然可以正常工作，可以在刀盤內(nèi)補裝刀具設(shè)備。在嚴(yán)重?zé)o法修復(fù)的情況下則需要及時更換。如果檢測發(fā)現(xiàn)此時滾刀已經(jīng)失去了掘進效果，則需要立即對刀具進行更換，并做好對應(yīng)的刀具管理記錄工作。

5.4 刀圈卷刃、崩刃

檢測階段發(fā)現(xiàn)硬巖掘進機出現(xiàn)崩刃或者卷刃的問題，可以結(jié)合實際情況判斷是否需要進行更換，或更換其他材質(zhì)、樣式的刀圈。在刀刃磨損并不嚴(yán)重且可以保證掘進機正常工作的前提下，則可以等待刀具到達(dá)磨損閾值再進行更換。但是如果在檢測過程中發(fā)現(xiàn)刀圈出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷的問題，則需要立即進行更換處理。

5.5 刀具調(diào)整及預(yù)防性更換

考慮到硬巖掘進機刀具本身的材質(zhì)以及刀座的實際問題會由于磨損程度產(chǎn)生影響，在特定條件下需要及時對其進行調(diào)整，以確保刀具能夠保持良好的狀態(tài)工作。在刀具調(diào)整的過程中，應(yīng)該綜合判斷周圍刀具的磨損狀態(tài)，分析當(dāng)前刀具正常工作的必要條件，在正常情況下應(yīng)該確保周圍刀具與當(dāng)前刀具保持較高的一致性[6]。

6 硬巖掘進機的刀具檢查、管理制度

6.1 優(yōu)化刀具配置

在硬巖掘進機工作的過程中，刀具管理的基本方法與地質(zhì)環(huán)境以及周邊環(huán)境因素密切相關(guān)。在硬巖掘進機實際工作的過程中，刀具管理人員需要階段性判斷周邊的巖石狀態(tài)，從硬度、強度、組成以及結(jié)構(gòu)面特點選擇合理的刀具。采用合理的刀具配置方法是硬巖掘進機是否能夠高效掘進的重要條件。

在選用直徑相對較大的硬巖掘進機刀盤時，刀盤本身的面板布置空間也應(yīng)該結(jié)合實際情況進行配置。大規(guī)格的刀具相比于小規(guī)格的刀具，在相同的作業(yè)環(huán)境下需要承受更大的掘進面應(yīng)力，設(shè)備的磨損情況更加嚴(yán)重。但是大規(guī)格的刀具可以減少由于扭矩產(chǎn)生的刀具磨損，刀具實際應(yīng)用過程中的更換頻率更低，實際應(yīng)用效果相對更佳。

此外，在不同的地質(zhì)條件下，圍巖對于刀具本身所產(chǎn)生的扭矩力不容忽視，考慮到硬巖掘進機在工作狀態(tài)下的外部條件變化較快，刀具的更換也是管理步驟中的關(guān)鍵。一般而言，對于軟巖環(huán)境可以優(yōu)先選擇扭矩相對較低的滾刀設(shè)備；反之，則應(yīng)該配置扭矩參數(shù)更大的滾刀設(shè)備。在實際施工階段，應(yīng)該合理配置刀具的基本參數(shù)，確保硬巖掘進機的刀具能夠最大程度上適應(yīng)滾刀工作的基本要求。

6.2 刀具的日常檢查

刀具管理人員應(yīng)該在硬巖掘進機每日工作結(jié)束之后，對刀具表面的碎巖進行清理，對刀具的基本參數(shù)進行檢查與判斷，檢查項目需要按照邊刮刀、滾刀的磨損情況、螺栓的松動情況進行綜合判斷。對于刀具在安裝螺栓之后出現(xiàn)大規(guī)模損傷或者松動的問題，需要及時進行緊固與更換操作。對于磨損嚴(yán)重的邊刮刀、滾刀，需要根據(jù)實際情況進行必要的處理，以確保硬巖掘進機在工作中不會對刀具產(chǎn)生較大的磨損。

此外，檢查人員還應(yīng)該在特殊的地質(zhì)掘進條件下，按照具體情況增加刀具的檢查頻率。對于刀具易損傷的地質(zhì)掘進環(huán)境，可以盡可能提高刀具的檢查效果，從而提高掘進的具體效率。此外，在施工階段管理人員需要根據(jù)掘進的出渣情況、掘進參數(shù)分析刀具的磨損狀態(tài)。考慮到不同圍巖狀態(tài)下的扭矩、推力均有所不同，操作人員應(yīng)該根據(jù)實際情況總結(jié)有效的管理方法，判斷掘進參數(shù)設(shè)置的具體數(shù)值，并且加強對刀具的檢查工作，確保能夠在第一時間上判斷刀具的實際磨損狀態(tài)。

6.3 合理的參數(shù)選擇

在硬巖掘進機工作的過程中，刀具管理工作需要根據(jù)具體的地質(zhì)狀態(tài)進行調(diào)整，不同的掘進參數(shù)工作狀態(tài)下對于掘進的效率都有著不同的影響。由于硬巖掘進機的滾刀設(shè)備都有著核定的參數(shù)以及啟動扭矩，若掘進效率超過滾刀本身承載能力，必然會對刀具產(chǎn)生較大的外力沖擊以及損傷，從而導(dǎo)致硬巖掘進機刀具失效。

此外，圍巖帶給滾刀產(chǎn)生的壓力或者啟動扭矩都可能會導(dǎo)致刀具無法正常轉(zhuǎn)動。因此，在掌子面圍巖或者在軟巖掘進地區(qū)，可以適當(dāng)調(diào)整硬巖掘進機的工作轉(zhuǎn)速與扭矩，避免滾刀出現(xiàn)偏磨的狀態(tài)對刀具造成損傷。具體使用的過程中，可以考慮采用較低的貫入度或者高轉(zhuǎn)速的狀態(tài)優(yōu)化刀具的工作承載能力，改善刀具主軸的受力條件。此外，硬巖掘進機在工作中不能過度調(diào)整方向，尤其是需要控制調(diào)整方向的速度。在調(diào)整方向的過程中應(yīng)該適當(dāng)降低刀具的轉(zhuǎn)速，避免刀具的損傷加快。

6.4 日常記錄及分析

刀具管理人員的在非檢查期間，應(yīng)該對刀具管理的各個階段進行綜合記錄，并且根據(jù)現(xiàn)場掘進的使用情況，預(yù)測后續(xù)可能出現(xiàn)的刀具磨損狀態(tài)，準(zhǔn)備好對應(yīng)的換裝工具、維修刀具設(shè)備等，以便在硬巖掘進機刀具出現(xiàn)故障停機的狀態(tài)下能夠及時進行更換處理。此外，需要注意的是，刀具更換的過程中需要結(jié)合邊刀的應(yīng)用情況，有效調(diào)整相鄰刀具的高度差值，加強對刀具的整體規(guī)劃效果，在硬巖掘進機長期停機的狀態(tài)下進行有效更換與集中調(diào)整。

7 結(jié)語

TBM硬巖掘進機的工作效率在很大程度上依賴于高效的刀具管理。刀具管理涉及的內(nèi)容較多，但是核心在于硬巖掘進機的刀具管理應(yīng)該結(jié)合工程實際，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化、統(tǒng)一化的刀具管理模式，建立施工環(huán)境下硬巖掘進機刀具的動態(tài)化管理，最大化減少刀具管理的成本，提高硬巖掘進機的工作效率。

參考文獻

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[4] 李凱磊.TBM刀具消耗分析研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2015.

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[6] 尉旭平，劉朋.TB593E/TS雙護盾TBM刀具使用分析[J].工程機械，2009，40（1）：34-37+6-7.