高海杰，王 耀，吳越斌

GAO Hai-jie, WANG Yao, WU Yue-bin

（北方重工集團有限公司 盾構(gòu)機分公司，遼寧 沈陽 11041）

1 工程概況

引洮供水一期工程總干渠7＃隧洞工程區(qū)位于甘肅省渭源縣境內(nèi)，7＃隧洞出口距離蘭州市區(qū)約184km。7＃隧洞全長17286m，橫斷面形式為圓型，凈斷面尺寸(直徑)D=4.96m，設(shè)計縱坡均為1/1650，設(shè)計流量32m3/s，加大流量36m3/s。

7＃隧洞圍巖主要由上第三系（N2L3）泥質(zhì)粉砂巖、粉（砂）質(zhì)泥巖、砂礫巖、（含礫）砂巖、疏松砂巖等組成，巖性軟弱，互層狀分布，相變劇烈。巖層產(chǎn)狀平緩，受構(gòu)造影響輕微，斷裂裂隙不發(fā)育，僅發(fā)育舒緩短軸褶皺，總體上富水性較差。隧道碴土性狀：磚紅色泥巖，干燥無水，碴土多數(shù)呈碎片狀，最大塊徑約為15cm。工程地質(zhì)條件判斷：V，巖性較堅硬。地下水情況:無。

2 單護盾TBM盤形滾刀的刀具磨損分析

單護盾TBM的刀盤及刀具的整體布置圖如圖1所示。

圖1 刀盤刀具整體布置圖

盤形滾刀是為開挖巖石的硬度大于12個硬度單位的工況而設(shè)計的。承受循環(huán)正應(yīng)力，滾刀切削部分的材料應(yīng)具有HRC(洛氏硬度)50～60之間的高硬度。引洮單護盾TBM使用的刀圈是意大利palmieri的品牌。標(biāo)注鋼刀圈的硬度400kg/cm2。

2.1 滾刀受力及破巖機理

滾刀在滾壓巖石的過程中，刀刃與巖石之間主要都存在兩個方向相互作用力。

1）法向推壓力FN，指向開挖面，由刀盤的推力提供。

2）切向滾動滾壓力FR，指向滾刀切向，由刀盤轉(zhuǎn)矩提供。

切向滾動滾壓力主要取決于推力、貫入度及滾刀直徑。盤刀直徑一定，貫入度越大，所需滾動滾壓力越大；貫入度確定時，滾動滾壓力隨盤刀直徑的增大而減小。

TBM工作時，滾刀在推力作用下緊壓在巖面上，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，盤形滾刀一方面繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，同時繞自身軸線自轉(zhuǎn)。盤形滾刀在刀盤的推力和轉(zhuǎn)矩共同作用下，在掌子面上切出一系列同心圓溝槽。刀盤旋轉(zhuǎn)并壓入巖石的過程中，滾刀對巖石將產(chǎn)生擠壓、剪切、拉裂等綜合作用，使之成為巖石碎片，達到開挖的目的。

2.2 引洮單護盾TBM掘進情況

表1中TBM各個參數(shù)的匹配，為尋求掘進的最佳速度以及對滾刀刀圈磨損量的計算提供依據(jù)。

表1 TBM掘進參數(shù)

TBM施工中17英寸滾刀換刀要求：M1～M35磨損量達到25mm；M36～M38磨損量達到20mm；M41、M42磨損量達到20.5mm。

下面以施工里程K63+216～K62+003中的一段進行分析，中心滾刀軌跡M01～M08，刀具磨損量1～4.5mm；正滾刀軌跡M09～M38，刀具磨損量3～7.5mm；邊滾刀軌跡M40～M41,刀具磨損8～10.5mm。

滾刀軌跡M01～M42是一組同心圓（圖2），刀盤轉(zhuǎn)一圈各個滾刀的行程S=2πR(R是滾刀中心線到刀盤軸線的垂直距離)。

圖2 滾刀軌跡布置圖

根據(jù)以上數(shù)據(jù)總結(jié)：①中心滾刀行程最小，磨損率最小；邊刀行程最大，磨損率最大，刀具磨損量基本符合由中心到邊緣增大的趨勢；②相鄰兩把刀的高差應(yīng)控制在15mm左右，最大不超過25mm，目的是減少相鄰刀具之間所受推力的不平衡，而這種不平衡力有時可能是刀具承受正常受力的幾倍，使盤形滾刀的損壞幾率增加；③刀圈的磨損極限為15～25mm。中心滾刀換刀時以4把為一組(其中有一把滾刀的刀圈磨損超過25mm時就可以換刀)；邊刀發(fā)現(xiàn)磨損刀轂，刀圈磨損小于20mm時也可以考慮換刀，邊刀的更換頻率較大，刀圈要選擇硬度更強的材料；④更換刀具后要控制掘進速度，3個掘進循環(huán)后必須檢查刀具螺栓，來保護邊滾刀不受磨損。

2.3 盤形滾刀刀圈失效分析

刀圈是影響滾刀工作壽命的關(guān)鍵易損件之一，它直接接觸破碎巖石，刀圈破巖時，承受的力由徑向力、軸向力、切向力組成，在刀圈受載滾動侵入巖石時，首先通過刀圈刃角，利用刀圈推力擠壓破碎巖石，產(chǎn)生巖石破碎體；其次刀刃嵌入巖石形成凹槽，擠壓離在凹槽兩側(cè)形成拉力剪力破壞巖石。

引洮單護盾TBM使用的刀圈是平韌刀圈，它的材料是高鈦鋼，具有硬度高、不磨損、不變形。單護盾TBM現(xiàn)場掘進施工情況的分析，刀圈磨損失效主要情況有：正常磨損、弦磨、偏磨、刀圈斷裂、刀圈脫落和由于擋圈損壞造成刀圈損壞。引洮單護盾TBM現(xiàn)場掘進施工刀圈磨損主要原因是正常磨損，但也會遇到刀圈弦磨的情況。

2.4 整刀刀具失效分析結(jié)論

刀具的正常失效原因是由于沖擊載荷引起的，主要包括：軸承損壞、刃磨、崩刃、刀體磨損、端蓋損壞、緊鎖塊損壞和螺栓預(yù)緊失效而產(chǎn)生的失效。

刀具的非正常失效有：潤滑油漏出、浮動密封損壞、泥砂進入軸承造成的軸承失效、刀圈材質(zhì)及金相組織不好造成的斷裂以及熱處理沒有達到技術(shù)要求造成的壓潰和卷邊等。

3 盤形滾刀刀具磨損解決辦法

在刀具裝配過程中，嚴格按照裝配工藝實施，軸承的預(yù)緊力矩要符合規(guī)定數(shù)據(jù)，潤滑和密封都要可靠，在現(xiàn)場安裝刀座時，必須擰緊螺栓至規(guī)定扭矩。應(yīng)對刀圈的機械性能進行嚴格檢查；如金相組織檢查，無損探傷，硬度測試等。

在換刀過程中，檢查刀座是否產(chǎn)生裂紋，螺栓是否松動，刀刃是否出現(xiàn)刃崩，磨損是否超過規(guī)定。焊接擋圈時，上面放置一塊銅制的引弧板來引弧，還以防止電火花打在刀圈上。根據(jù)工作面的地質(zhì)情況和巖石的物理性質(zhì)及時調(diào)整掘進機的推進壓力和掘進速度。 O