劉 君，孫盼盼

(中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300457)

盾構(gòu)滾刀在中硬巖地層中掘進(jìn)時(shí)，由于巖石強(qiáng)度較高、掌子面對(duì)滾刀的沖擊較大且頻繁，在該類地層中，刀圈的斷裂、崩刃和快速磨損在滾刀常見損壞形式中所占比例是最高的，滾刀更換頻次的增加會(huì)嚴(yán)重影響施工效率，從而增加施工成本。對(duì)此，采取必要措施增強(qiáng)刀圈的耐磨和抗沖擊能力，從一定程度上減少滾刀的更換數(shù)量和頻次就顯得尤為重要。

本文主要從刀圈輪廓尺寸的選擇和刀圈刃形的優(yōu)化兩方面措施進(jìn)行分析，可有效提高在中硬巖地層中刀圈的耐磨性能和抗沖擊性能，增強(qiáng)刀圈的可持續(xù)切削能力，從而達(dá)到延長刀圈使用壽命的目的。

1 滾刀常見損壞形式

滾刀在中硬巖地層中施工時(shí)，其損壞形式多種多樣，常見的損壞形式主要有以下幾種：刀圈正常磨損、刀圈崩刃或斷裂、滾刀密封失效和軸承損壞等。如圖1～圖4 所示。滾刀不同的損壞形式，其對(duì)應(yīng)造成的原因也是不同的，大部分的損壞形式都是發(fā)生在刀圈上或由刀圈的磨損和斷裂導(dǎo)致的。對(duì)于盾構(gòu)施工來說，滾刀損壞后如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)很快在刀盤上形成多米諾骨牌效應(yīng)，造成相鄰區(qū)域刀具的連續(xù)性損壞，嚴(yán)重的話可能會(huì)造成刀盤的磨損。

圖1 刀圈磨損嚴(yán)重

圖2 刀圈斷裂

圖3 密封失效

圖4 軸承損壞

2 刀圈針對(duì)性措施分析

在盾構(gòu)施工過程中，如何在提高刀圈耐磨性的同時(shí)，增強(qiáng)其抗沖擊能力，一直是一個(gè)矛盾的且必須解決的問題。從目前可采取的措施來看，改進(jìn)刀圈材料和熱處理工藝已有院校或項(xiàng)目施工方做了大量的研究，本文以17 英寸滾刀為例，著重從刀圈尺寸和刃形選擇等方面進(jìn)行分析。

2.1 采用更大的刀圈尺寸

為了減少上述損壞情況的發(fā)生，增加刀圈的掘進(jìn)壽命，在保證滾刀在刀箱內(nèi)順利安裝的前提下采用18 寸滾刀刀圈，其優(yōu)點(diǎn)主要有以下兩點(diǎn)。

1)刀圈磨損儲(chǔ)量更大 對(duì)于17 英寸滾刀來說，刀圈的極限磨損量為25mm，但一般情況下，考慮到施工的連續(xù)性和換刀成本控制等不同層面的要求，當(dāng)檢查其磨損量至20mm 時(shí)就必須要更換。但當(dāng)?shù)度Τ叽缭龃鬄?8 寸后，其理論磨損量可增大為32.7mm，并且在貫入度相同的情況下，刀圈接觸掌子面的弧長更長，同時(shí)刀圈的磨損儲(chǔ)量可提高1.85 倍，極大地提高了刀圈的耐磨性能，如圖5、圖6 所示。

圖5 刀圈徑向磨損量對(duì)比

圖6 刀圈接觸掌子面弧長對(duì)比

2）刀圈的抗沖擊能力更強(qiáng) 由于滾刀在中硬巖地層中可能會(huì)受到頻繁的沖擊，刀圈斷裂的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更高，采用18 寸刀圈后，其截面積是17 英寸刀圈的1.14 倍，抗沖擊能力會(huì)更強(qiáng)，能有效減少或避免刀圈斷裂、崩刃等異常情況的發(fā)生。

2.2 選擇合適的刀圈刃形

由接觸力學(xué)理論可知，接觸面的幾何形狀對(duì)接觸行為存在決定性影響，因此刃形設(shè)計(jì)是提高滾刀性能的重要手段之一[1]。滾刀破巖的理想狀態(tài)是相鄰刀圈貫入掌子面后形成的裂紋是連通的，掌子面上的巖渣是形成體積破碎后而被剝落，這樣不僅可以提高掘進(jìn)效率，還可以避免或減少滾刀的異常損壞。從滾刀破巖機(jī)理（圖7)可以看出，當(dāng)?shù)侗P結(jié)構(gòu)形式確定之后，就確定了滾刀的刀間距S，當(dāng)滾刀輪廓尺寸確定之后，就確定了圓錐滾子軸承的尺寸，進(jìn)而決定了滾刀的承載力Ft，所以在滾刀輪廓尺寸確定后，要想達(dá)到體積破碎的目的，選擇合適的刀圈刃形是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

圖7 滾刀破巖機(jī)理

等截面形式的刀圈隨刀具的磨損能基本保持其恒定的截面尺寸，所以現(xiàn)在一般都采用這種截面形式的刀圈破碎巖石[2]。對(duì)于這種刀圈來說，刃口寬度T和夾角α決定了刀圈的持續(xù)貫入能力，刃口圓角r可有效避免刀圈刃口兩側(cè)在破巖過程中由于應(yīng)力過大而出現(xiàn)微裂紋。

刀圈刃形如圖8 所示。

圖8 刀圈刃形

刀圈在施工過程中的理想應(yīng)用狀態(tài)是在磨損量0～20mm 的范圍內(nèi)，要一直保有持續(xù)貫入的能力，即持續(xù)性切削，同時(shí)要保證滾刀破碎掌子面巖石所需的壓力小于滾刀的額定承載。為此，我們?cè)诖_定刀圈刃形的選擇是否完全適應(yīng)于隧道洞身所經(jīng)地層時(shí)，只要計(jì)算出在貫入度一定的情況下，刀圈磨損量達(dá)到20mm，刃口寬度達(dá)到T（20)時(shí)，滾刀能夠繼續(xù)破碎巖石所需的合力，以該合力和17 英寸滾刀額定承載力250kN 對(duì)比，若計(jì)算所得刀圈磨損后破巖所需的合力＜250kN，則說明設(shè)計(jì)的刀圈刃形適應(yīng)于地層掘進(jìn)，能夠達(dá)到持續(xù)性切削的目的。若計(jì)算所得刀圈磨損后破巖所需的合力＞250kN，則說明設(shè)計(jì)的刀圈刃形不適應(yīng)于地層掘進(jìn)，需要進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化措施主要在于減小刀圈刃口寬度尺寸T和刃口夾角α。

關(guān)于刀圈磨損后能繼續(xù)破巖所需的合力，我們可通過張厚美[3]簡化后的CSM 切削力模型進(jìn)行驗(yàn)證。

式中Ft——滾刀所受合力（kN)；

R——滾刀半徑（mm)；

T——滾刀刀尖寬度（mm)；

ψ——刀尖壓力分布系數(shù)，隨刀尖寬度增加而減小，ψ=-0.2～0.2；

h——貫入度（mm)；

σt——巖石單軸抗拉強(qiáng)度；

σc——巖石單軸抗壓強(qiáng)度；

S——刀間距；

C——無量綱系數(shù)。

3 結(jié)論

滾刀刀圈作為直接破碎巖石的零部件，其使用壽命直接決定了盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率和施工成本。文中提出的針對(duì)性措施可有效提高在中硬巖地層中刀圈的耐磨性能和抗沖擊性能，增強(qiáng)刀圈的可持續(xù)切削能力。但刀圈可采取的措施除了文中提到的幾點(diǎn)外，還有優(yōu)化刀圈的熱處理工藝和選用不同的金屬材料等，后續(xù)將著重于在刀盤不同區(qū)域內(nèi)滾刀刀圈損壞規(guī)律的研究，從實(shí)際應(yīng)用方面對(duì)滾刀刀圈可采取的措施進(jìn)行分析，以期從綜合方面提高刀圈的性能。