武志鵬，劉素彥

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 311100）

0 引言

在TBM掘進(jìn)施工過程中，由置于刀盤上的盤形滾刀切割巖石，刀具的直徑越大，其強(qiáng)巖層負(fù)載量就越多，穿透率越好；同樣，耐磨性（所謂的自持時間）隨著刀具尺寸的增加而增加。刀具的尺寸一般分為19 英寸（483 mm）和17 英寸（432 mm）兩種，直徑較大（一般大于7 m）的TBM安裝19英寸的滾刀，直徑較?。ㄒ话阈∮? m）的TBM 安裝17 英寸的滾刀［1］。越南某水電項目由于所選TBM 直徑為4.5 m，考慮刀盤上放置滾刀數(shù)量問題，選擇安裝了17英寸的刀具。

圖1 刀盤上刀具分布圖

刀具為盤形分布，如圖1 所示。根據(jù)在刀盤的不同位置分為中心刀（雙滾刀）、面刀和邊刀（單滾刀）［2］。刀具按一定的力學(xué)和幾何學(xué)規(guī)律均勻布置在刀盤上，隨著刀盤的轉(zhuǎn)動，以刀盤中心為中心被動地進(jìn)行同心圓轉(zhuǎn)動。這些滾刀在強(qiáng)大的推進(jìn)力和扭矩作用之下，通過擠壓將隧洞巖石切削下來，完成隧洞的開挖工作。

1 刀具基本結(jié)構(gòu)及破巖機(jī)理

盤形滾刀技術(shù)是TBM的核心技術(shù)之一，要求刀具承載力高，耐磨性和紅硬性好，并且有很好的沖擊韌度。刀具主要由刀圈、刀體、刀軸、軸承、浮動金屬環(huán)密封、端蓋、刀圈軸向擋圈、軸承調(diào)整螺母等組成。

單滾刀有1個刀圈和刀體、1對軸承、2 組密封和2 組端蓋；雙滾刀有2個刀圈和刀體、2 對軸承、4 組密封、3 個端蓋（含中間端蓋）。

盤形滾刀的破巖形式屬于楔入式滾壓破碎，刀尖壓入巖體。當(dāng)壓力大于巖石的抗壓強(qiáng)度時，與刀尖接觸部位的巖石被壓碎，在刀尖前形成一壓碎區(qū)。壓碎區(qū)向外形成的壓力，使壓碎區(qū)的周邊產(chǎn)生裂紋，裂紋隨壓力增加而擴(kuò)展，直到碴片形成而剝離，完成一個成碴過程。

2 刀具失效形式分析

刀具常見的失效形式有多種，經(jīng)過對越南某水電項目2 565 m 隧洞段刀具進(jìn)行失效統(tǒng)計，如圖2所示可知，刀具失效形式有正常磨損和非正常磨損，其中非正常磨損有偏磨、擋圈脫落、卷刃或崩刃、其他（漏油、黏連、刀圈斷裂、螺栓松動）等［3］。

圖2 刀具失效原因統(tǒng)計餅狀圖

2.1 正常磨損

正常磨損是刀具的主要失效形式［4］。正常磨損只體現(xiàn)在刀圈的磨損上，每一把刀圈的最大磨損量是有規(guī)定的，達(dá)到規(guī)定的磨損值后必須更換刀圈。如在本項目中，1#～20#刀座上刀具的最大磨損量為30 mm；21#～24#刀座上刀圈的最大磨損量為25 mm；25#～28#刀座上刀具的最大磨損量為19 mm；29#～30#刀座上刀具的最大磨損量為12 mm。

2.2 偏磨

偏磨即非均勻磨損，刀圈不能在沿刀軸轉(zhuǎn)動而使得刀圈頂面的某一段圓周固定地與巖面摩擦。刀具偏磨的原因有兩個，一是掘進(jìn)過程中粉塵影響導(dǎo)致軸承失效卡滯；二是刀具的啟動扭矩過大，在軟巖條件下掘進(jìn)時會造成刀具轉(zhuǎn)動性能偏低而出現(xiàn)多邊形磨損。

2.3 擋圈斷裂或滑脫

擋圈斷裂或滑脫主要是由于擋圈焊接不牢，以及刀具在組裝過程時安裝不太到位所致。另外，在TBM掘進(jìn)時，當(dāng)?shù)侗P的轉(zhuǎn)速過大也可能造成這種現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4 卷刃或蹦刃

卷刃或蹦刃說明刀圈的紅硬性和沖擊韌性不達(dá)標(biāo)（如在硬巖環(huán)境中掘進(jìn)施工時，刀具的材質(zhì)較軟極易出現(xiàn)卷刃現(xiàn)象），屬于刀圈生產(chǎn)質(zhì)量問題。

3 刀具失效原因分析

刀具磨損的主要部位是刀圈，刀體部分（刀軸、刀體、端蓋）一般不容易發(fā)生損壞，輕微損傷經(jīng)修復(fù)后可重復(fù)使用多次，正常情況下軸承壽命一般約1 000 h，刀體殼則可以重復(fù)使用4～5 次。刀圈要求耐磨，一般含鉻、錳、釩、鉬等稀有元素的合金鋼材制造，既有合適的硬度，又有一定的韌性［5］。

刀具失效的原因有很多，如刀具質(zhì)量、刀盤異常擺動、掌子面環(huán)境、溫度等原因，不同的原因會造成不同的失效形式。

3.1 刀具的材質(zhì)、制造工藝原因

刀具的材質(zhì)和制造工藝主要體現(xiàn)在刀圈的紅硬性和沖擊韌性不達(dá)標(biāo)問題。刀圈的紅硬性和沖擊韌性不達(dá)標(biāo)分為過高和過低兩種情況，過高會造成刀圈崩刃失效，過低則會造成刀圈卷刃失效。不同品牌的刀具質(zhì)量和制造工藝有很大的差異。通過對比使用，進(jìn)口的原裝刀具刀圈耐磨性和沖擊韌性較好，能適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)及長距離掘進(jìn)。

3.2 刀具裝配工藝影響

刀具裝配質(zhì)量差主要是造成刀具偏磨問題，如在裝配過程中對擋圈的固定焊點質(zhì)量差或焊點數(shù)量不足，則會造成擋圈斷裂或滑脫問題；刀圈和刀體之間的加熱裝配時過盈配合不足，在滾刀切割巖石過程中會存在刀圈打滑現(xiàn)象而造成刀圈偏磨；刀具圓錐滾子軸承采用預(yù)緊裝配扭矩偏小，同樣會存在刀圈打滑現(xiàn)象而造成刀圈偏磨；預(yù)緊裝配扭矩偏大則會造成刀具轉(zhuǎn)動性能偏低而出現(xiàn)磨損；刀具裝配時密封性能差會出現(xiàn)漏油造成軸承損壞，進(jìn)而刀圈卡滯偏磨，嚴(yán)重時整個刀具整體偏磨失效。

3.3 刀盤異常擺動影響

刀盤異常擺動主要是由于掘進(jìn)過程中，調(diào)向幅度過大或刀盤自身重量分布不均等原因造成。當(dāng)?shù)侗P發(fā)生異常擺動后，刀盤的轉(zhuǎn)動中心與洞壁的中心不重合，這時邊刀就要在刀盤偏離的方向切入洞壁。這種偏離在進(jìn)步過程中產(chǎn)生，偏移量越大，變刀切入洞壁的深度越大，在這種情況下，邊刀偏磨概率明顯增大。

3.4 圍巖條件影響

刀具損耗與所開挖圍巖的硬度、巖石礦物成分及圍巖條件變化情況密切相關(guān)。圍巖單軸抗壓強(qiáng)度較大以及圍巖成分中含有較多石英等堅硬物質(zhì)時，刀具與巖石之間沖擊破碎、剪切碾壓作用力加劇，導(dǎo)致刀具刀圈磨損量加大［6］，這類情況多產(chǎn)生刀圈的正常磨損，但磨損量加大，導(dǎo)致刀具失效，掘進(jìn)速度緩慢。在圍巖出現(xiàn)大斷層、破碎帶，以及連續(xù)出現(xiàn)塌落、掌子面圍巖破碎等情況時，刀具局部過載嚴(yán)重，極易造成刀圈斷裂、密封失效、軸承損壞、擋圈斷裂等形式的刀具失效［7］。

3.5 刀盤部位環(huán)境影響

刀盤部位環(huán)境差主要體現(xiàn)在風(fēng)路流通不暢，導(dǎo)致掘進(jìn)時刀具和刀盤溫度過高，直接導(dǎo)致刀具密封性能變差，出現(xiàn)漏油、軸承失效，進(jìn)而出現(xiàn)刀具偏磨、黏連等情況，加劇刀具的損壞。同時由于刀盤刀具損壞現(xiàn)象突出，換刀頻繁，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期設(shè)計，換刀時間甚至超過整個工作時間的22%；另受刀盤部位新鮮風(fēng)不足影響，刀盤內(nèi)無法獲得足夠的氧氣和適宜的溫度，刀盤旋轉(zhuǎn)平面形成熱屏障，換刀員工的工作效率大大降低，嚴(yán)重制約了工作效率。

4 減少刀具消耗措施

在TBM施工過程中，刀具的正常磨損是不可避免的，對TBM刀具失效管理工作的重點是刀具的非正常磨損失效。減少刀具消耗應(yīng)從以下幾方面著手。

4.1 提高刀具裝配質(zhì)量

在道具裝配過程中，軸承的預(yù)緊力矩、潤滑和密封、螺栓固定扭矩、擋圈點焊等嚴(yán)格按照裝配工藝實施，同時對刀圈的機(jī)械性能進(jìn)行嚴(yán)格檢查，必要時進(jìn)行金相組織檢查、無損探傷、硬度測試等［8］。

4.2 強(qiáng)制執(zhí)行刀盤的日常檢修制度，制定合理的換刀計劃

刀具必須每天進(jìn)行檢查、測量，當(dāng)邊刀刀圈磨損量達(dá)到10～15 mm時，就需要進(jìn)行更換；面刀和中心刀刀圈磨損量達(dá)到20～25 mm 時，就需要進(jìn)行更換。針對TBM 施工計劃及隧洞環(huán)境條件，并結(jié)合刀具使用壽命，有計劃地進(jìn)行停機(jī)檢查刀盤和更換刀具，防止刀具長期處于非正常狀態(tài)工作［9］。

4.3 選擇合理的操作參數(shù)

TBM掘進(jìn)過程中，選擇合理的操作參數(shù)，盡量保持刀盤的穩(wěn)定性，各位置的支撐必須緊貼墻壁，上支撐必須與隧道冠體接觸并鎖死；操作者一定要小心地控制刀盤扭矩［10］。當(dāng)?shù)侗P扭矩上升時，查明原因后作出應(yīng)對措施，比如可能是底層變軟或者貫入度增加，或是刀具磨損量偏大導(dǎo)致貫入度減小。當(dāng)?shù)侗P扭矩增加或者貫入度減小，必須立馬檢查刀盤上損壞的刀具。

4.4 加強(qiáng)刀盤維護(hù)

每天對TBM刀盤進(jìn)行清理，重點清理依附在刀具和鏟斗齒上的巖渣、塊石等，防止依附在刀具上的巖渣對刀具造成二次磨損或出現(xiàn)卡刀、巖粉損壞密封等問題，造成刀具磨損及非正常損壞。

4.5 重視圍巖類別變化

TBM掘進(jìn)過程中多關(guān)注圍巖類別的變化，根據(jù)開挖出渣情況的變化，合理分析判斷掌子面正在開挖的巖石類別、硬度變化、破碎情況等，并據(jù)此調(diào)節(jié)掘進(jìn)速度、刀盤推理以及刀盤噴水等，必要時停機(jī)查看。

4.6 減少掘進(jìn)中刀具的事故性損壞

由于TBM設(shè)備操作調(diào)向過大、不均勻地質(zhì)段推進(jìn)過快等原因造成的刀具意外損壞情況為數(shù)不少，這時損壞的刀具往往不是一把，而是多把，一般都很嚴(yán)重，難以修復(fù)，影響大。必須改進(jìn)操作和改善施工組織與管理，減少這些事故性的損壞和造成的損失。

4.7 減少刀體、刀蓋、刀軸等大件消耗

刀體、刀蓋、刀軸等大件造價高，使用中往往發(fā)生變形和磨損，能否繼續(xù)使用，較難判定。必須制定正確的檢測方法和檢定標(biāo)準(zhǔn)，并要用校正、刷鍍等方法進(jìn)行恢復(fù)性修理，減少這些零件的消耗。

5 結(jié)束語

在TBM施工過程中，刀具的性能直接影響TBM 的掘進(jìn)效率和施工成本。加強(qiáng)刀具的使用、檢查、更換、修復(fù)、操作參數(shù)、圍巖條件及其他影響因素等多角度分析總結(jié)刀具失效原因，提高刀具利用率、減少刀具消耗，對降低施工成本、提高掘進(jìn)效率有很重要的意義。