盾構機掘進中刀具損壞及維修措施探討

摘要：盾構機在掘進過程中通過硬巖地段時，刀具、刀盤極易損壞，這種情況下，換刀、修復刀盤的技術就顯得尤為重要。本文對盾構機在掘進過程中刀具、刀盤的損壞情況進行了分析，并提出了維修措施。

關鍵詞：盾構機；刀具，損壞，維修

盾構機在掘進的過程中，往往會遇到各種復雜的地形。由于底層的變化性非常大，這就決定了盾構機在刀盤的配置及刀具的選擇上非常關鍵，刀盤的配置及刀具的選擇要根據地質條件來選擇。合理的刀盤配置及刀具選擇對與保證刀具的使用壽命，工程的順利進行具有重要意義。

1盾構刀具

1.1刀具的破巖原理

盾構刀具的破巖方式分為滾壓破巖和切削破巖。

1.1.1滾壓破巖

滾壓破巖是在底層中利用盤形滾刀滾動產生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用來破碎巖石。滾壓破巖一般適用于巖石、硬土層及含有砂粒和卵石地質的破碎。其使用的主要刀具為滾刀。

1.1.2切削破巖

切削破巖是通過切刀刀刃施力將巖體外層剪切剝離的方式來破碎巖石。切削破巖一般適用于土、砂層和軟巖地質的破碎。其主要適用的刀具為切刀。

1.2刀具的選擇

盾構機的刀具要根據施工地區地質特點來選擇適用的刀具進行碎巖作業。

2盾構掘進速度和刀具消耗對盾構施工的影響

刀具的更換主要是根具兩點來進行判斷的。一是刀具是否適合當前巖層的掘進作業，通常情況下，在盾構掘進的過程中，要結合前期工程地質勘察的結果來對地層進行初步分析。再結合掘進中土層的剝離情況對當前的巖層進行判斷，以選擇使用的刀具，如果有必要，可以開倉進行檢驗，以保證分析結果的準確性。二是刀具的磨損程度是否達到了設計磨損值以及刀具是否損壞。首先結合盾構掘進時，不同地層對刀具的磨損量以及掘進的速度來進行判斷刀具的磨損量，然后開倉驗證，以此來作為更換刀具的依據。刀具的具體損耗量的計算要通過刀具的運行距離與掘進的速度計算處刀具在進行每一環距離內體積的磨損量，然后在用隧道的中提掘進體積來除以這個值，就能得到一個刀具消耗數量的大概值（不考慮遇到特殊情況）。

3刀具到盤的檢查及更換

3.1刀盤刀具的檢查

（1）刀盤檢查

檢查刀盤的具體磨損程度，檢查主軸承及密封油脂的狀況是否正常；檢查刀盤面板以及輻條支柱是否開裂或者發生變形。

（2）刀具檢查

檢查刀盤上所有刀具是否牢固，其固定螺栓是否有松動、脫落以及損壞的現象；檢查擋圈是否有斷裂或者脫落現象。如果刀圈脫落，還要檢查刀圈是否發生移位，檢查刀圈是否保持完好，有無發生

（3）刀圈磨損量計量

在刀圈沒有發生損壞現象的情況下，正確測量刀圈的磨損量是判斷刀具是否需要跟換的主要依據，刀圈的磨損量的測量需要采用特制的模板進行。

3.2刀具更換的原則

正確合理的進行刀具的更換，可以減少刀具的非正常損壞以及降低刀具出現意外損壞進行跟換時所消耗的時間，這樣可以有利與提高工作效率，降低刀具的損耗。刀具的更換要按照“合理、批量、快速”的原則進行。

（1）“合理”原則

刀具更換的“合理”原則主要有兩方面：一是刀具類型與地質的適應性；二是刀具更換計劃的合理性。刀具類型是否適應被掘進的地層巖性。在硬巖地層中掘進應以滾刀破巖為主，軟巖地層中以切刀和齒刀為主，施工中應根據地層性質選擇刀具的配置，以確保刀具對地層的適應性和施工的可靠性。

根據地質情況及刀具使用時間預先估計刀具磨損量，提前提出合理的刀具更換計劃，正常磨損換刀的極限值：中心雙刃滾刀25 （20） mm，正滾刀25 （20）mm；邊滾刀20 （15） mm，括號內數字為實際換刀控制值。刀圈磨損應在可控范圍內，保證刀盤和刀具的良好性能和隧道的精確尺寸，新舊刀具刀圈安裝過渡合理，軟巖地層控制在10mm內，硬巖地層控制在6mm內，防止刀具局部受力造成意外損壞。

（2）“批量”原則

為了保證刀具破巖的效率，減少刀具更換頻率，有計劃地進行批量換刀，具體為邊刀批量，正滾刀批量，中心刀批量，刮刀切刀批量。

（3）“快速”原則

由于刀具更換在近似密閉的倉內進行，前部為掌子面，地質的不可預測因素客觀存在，為了保證換刀人員和機械設備的安全，采用快速有效的換刀。

3.3刀具更換時刀盤轉角位置的確定

盾構機刀具更換前必須確定刀盤轉角位置，防止刀盤開口對準土倉口，以保證進倉作業人員的安全。對刀盤的定位需要確定刀盤在任一時刻相對同一參照物的旋轉角度，對于海瑞克盾構機，可以利用仿形刀的旋轉角度測量傳感器對刀盤進行定位。仿形刀角度在工控機F2屏幕中顯示，仿形刀在底部時其角度為0°，從刀盤前方看逆時針旋轉仿形刀從0°-360°增加，可以根據仿形刀所在的位置來確定其它刀具的相對位置。

3.4刀具更換程序

當盾構機在硬巖或自穩能力較強的地段掘進時，地層本身有自穩能力，這種情況下可在無壓條件下直接進入刀盤作業。

3.4.1總體規劃

刀具工程師在日常工作中多與土木工程師溝通，加強對地質情況的了解，并密切注意地質資料中反映的施工重點和難點。

在制定刀具及刀具配件計劃時，充分估計到特殊區段對刀具的破壞程度，制定換刀計劃時，及時有效地與土木工程師、掘進司機溝通，確定最佳的開倉地點。還要初步提出刀具更換方案的同時，提前做好設備、材料的準備，人員的培訓等。

3.4.2設備物資供應

充分的設備與材料的準備，是實現快速完成換刀任務的根本保證。在確保常用設備（機具）、材料到位的情況下，使用更為先進的工具如：風動吊機、倒鏈、

風動扳手等是很必要的。

開倉換刀前對盾構機各個系統的檢查和調試是很重要的工作，作好風水電等各個方面的的協調工作，保證換刀過程中必要的良好的工作環境。

3.4.3人員培訓

培訓一批技術熟練，身體素質較好的換刀工人是保證換刀質量和速度的前提。培訓的內容主要包括：

（1）換刀的工具的操作及維修；

（2）各種類型刀具更換的安全操作規程：刀盤上刀具的布置，并具有對刀具使用狀態做出合理判斷的能力；能判斷一把待安裝刀具是否滿足安裝條件；.具備對緊急情況的應付能力；

3.4.4成立緊急救援小組

換刀作業是一種非常危險的作業程序，成立必要的緊急救援小組，防止意外發生的緊急處理，形成制度，引起全員注意。

3.4.5開倉審批

開倉技術方案經過工程部與設物部討論，由機電總工和土木總工確認，報項目經理簽發，并經監理工程師和業主審批同意后方可開倉，責任落實到人，嚴格按既定開倉程序進行。

3.4.6刀具更換

（1）刀盤清理

打開倉門后，先向碴倉內輸送高壓風5-10分鐘，用以給刀盤降溫和輸送氧氣，然后用水將刀盤沖洗干凈，特別是需要更換的刀位。同時螺旋輸送機將碴倉內的碴出至主軸承以下的位置，以便于檢查中心部位的刀具。

（2）刀具拆除

刀盤沖洗干凈后，利用大扭矩的風動扳手將需更換刀具的螺栓拆下，并將刀具運送出碴倉，同時將需安裝的新刀具吊到位。對于在換刀中常常碰到的因變形嚴重難以取出的中心刀具螺栓，采用割除螺栓螺帽的方法拆除。為避免會對刀座、刀具螺栓孔產生破壞，在割除時需注意以下幾點：割槍的火焰不能調的太大、太快，以免火焰傷到刀座、刀具螺栓孔。對剛利用割除方法拆下螺栓的螺栓孔不能立即用水沖洗，以免螺栓孔收縮太快而產生變形。

（3）刀具安裝

在清潔時，特別要注意螺栓孔和螺栓的清潔。一般情況下，刀座螺栓孔、刀具螺栓先用高壓水沖洗，再用鋼絲刷將螺紋刷干凈，最后用高壓風吹干或用毛巾擦干。

對采用割除等方法而遭到損傷的接觸面要進行修復、打磨。對刀孔、刀具所有裝配表面先用高壓水沖洗，而后用高壓風吹干、吹凈。刀具在運輸過程中造成的裝配表面的毛刺，必須進行打磨處理。

螺栓的緊固力矩不允許超過或低于其額定值，必須嚴格按照刀具螺栓的緊固扭矩緊固螺栓。

3.5安裝注意事項

（1） 更換刀具前檢查所使用工具等是否處于完好狀態。

（2）嚴格按照刀具的拆裝工序工藝要求進行，保證裝配面的清潔、刀具位置對中。

（3）刀具更換完畢后認真檢查更換時所用的工具，防止遺忘在土艙內，盾構掘進時對設備產生破壞。

（4）做好詳細的刀具更換記錄。

3.6整體檢查

完成刀具更換后，轉動并檢查刀盤，觀察每把刀具的轉動情況，確認相鄰刀位的刀具磨損量相差不超過10mm。檢查確認土倉內沒有人員、換刀工具或者其它物品后關閉倉門，準備掘進。刀盤以0. 8轉/分的低速空轉10-15分鐘，直到刀盤扭矩值很小且沒有大的變化，逐漸加大推力，并保持1到2環的低推力推進，根據掘進情況和碴土狀態選取合適的掘進參數，防止刀具過載造成損壞。

4刀具維修的關鍵技術

4.1刀圈的正確安裝

刀圈一般采用特殊鋼種，硬度、韌性、耐磨性、剛性等力學性能要求良好，金相組織一般為鐵，鉆，鎳，鑰，釩等。刀圈內徑與刀體的配合直徑一般在285mm左右，過盈配合量一般在0.24mm- 0.30mm之間。一般采用基軸制進行選擇刀圈，也可采用基孔制選用刀體。

刀圈的安裝一般為熱裝，即采用工業烤箱進行刀圈的加熱，一般加熱到200℃左右，加熱2h，然后套裝于刀體正確位置。

4.2軸承的檢查及預緊度的調整

盾構機刀具軸承根據其使用場合，一般采用受徑向力為主圓錐滾子軸承，軸承失效一般以滾動體和內外圈滾道點蝕為主，還存在刀具密封的失效，引起潤滑油的泄漏，導致軸承的燒蝕，盾構機掘進參數的不合理調整（如推力的突然增大），引起軸承滾子散架或破碎等。

一般采用調整兩軸承之間隔圈厚度的方法調整刀具軸承預緊度，從而保證刀具的啟動力矩和回轉力矩在規定值之內。施工經驗表明此數值只適合微風化和中風化地層，對于軟巖地層應進行適當的調整。

4.3密封的安裝及氣密性的檢查

刀具密封安裝時注意兩密封表面的配合光潔度和平面度在規定要求之內，安裝前應進行動密封的清潔和研磨。

刀具維修完畢后應進行刀具的氣密性的檢查，即向刀體內通入規定氣壓的壓縮空氣，在規定的時間內保壓，應該符合規定要求。

5總結

要想使盾構施工的過程安全、高效。必須要有好的規章制度、較高的施工技術水平、安全較低技術和基本的開倉程序，還必須要有熟練的專項技術以及科學合理的施工工序。通過精心的組織和準備及時的發現刀盤和刀具的問題，并采取相應的維修和更換措施，這樣才能有效的提高盾構的速度，提高技術水平，為工程的建設節省工期。在盾構過程中，盾構單盤和刀具的維修對掌握隧道施工的安全、控制施工進度有著重要的意義。

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