地鐵盾構施工刀具管理及維修技術

【摘要】近年來盾構施工普遍用于地鐵建設，盾構施工適用于各類復雜地層，刀盤的配置及刀具的選用非常關鍵，刀具成本一般占總成本的15%～20%。因此，建立合理的刀具管理制度和提高刀具利用率是盾構施工中一大技術點，刀具維修與刀具管理技術成為了降低項目成本主要手段。

【關鍵詞】盾構施工；刀具維修；刀具管理

1、刀盤特點

根據地質條件劃分，一般把刀盤分為軟土刀盤、硬巖刀盤和復合刀盤。軟巖刀盤適用于未固結成巖的軟土地層和某些全風化或強風化的軟巖地層，一般破巖能力在單軸抗壓強度30MPa以下。上海地區、天津等軟地層，使用刮刀類刀具，刀盤結構相對簡單，通常稱為軟土刀盤。硬巖刀盤適用于已經成形的硬巖地層，一般破巖能力在單軸抗壓強度30MPa以上?，F正在施工的成都地鐵、山西引黃等工程，通常使用配有刮板的滾刀。

復合型刀盤適用于軟硬不均、上軟下硬、密實膠結卵石土等軟硬不勻的地層。刀盤上刀具配置滾刀和刮刀，滾刀主要作用是破巖，刮刀作用是清理掌子面泥土或碎石，這樣的刀盤通常稱為復合刀盤。廣州、深圳、南寧等地地質復雜多變，主要使用復合型刀盤的盾構機。

2、刀具的維修技術

2.1刀具類型

2.1.1刀具的分類。目前使用的刀具一般分為刮刀和滾刀兩大類。刮刀是指只隨刀盤轉動而沒有自轉的破巖刀具。刮刀的種類繁多，常用的刮刀有邊緣刮刀、齒刀、先行刀、貝殼刀、魚尾刀等。滾刀是指不僅隨刀盤轉動，還同時作自轉運動的破巖刀具。根據刀刃的形狀，滾刀可分為：齒形滾刀、盤形滾刀。

2.1.2滾刀的結構組成。滾刀結構主要由刀圈、刀體（套）、刀軸、軸承、金屬浮動密封環、刀蓋（座）及聯接螺栓等件組成。滾刀的內部結構是保證滾刀工作時正常的關鍵，通常是由軸承、密封、潤滑油脂組成。

2.1.3滾刀刀圈的材料。根據刀圈的工作條件，刀圈材料應滿足較高的屈服強度，避免刀刃端在高應力下壓潰變形；較高的硬度，增加耐磨性，減少刀圈磨損；良好的沖擊韌性，提高材料裂紋擴展功，防止刀圈斷裂；良好的抗回火性能，提高材料的熱穩定性，保證刀圈在熱裝和滾壓巖體過程中不降低硬度；良好的熱加工和冷加工的工藝性能，材料成本低，制造方便，提高產品合格率，是占領市場的有效途徑。

2.2刀具損壞的判斷標準

2.2.1刮刀損壞的類型及原因分析

（1）正常磨損。在掘進過程中刀具與巖土的正常磨損。（2）刮刀刀刃崩裂。在硬巖掘進中，滾刀磨損太大，刮刀直接切割未經滾刀破碎的硬巖，會導致刮刀的崩裂；在巖層中掘進時，轉速太快，突遇硬巖，沖擊造成刀刃崩裂；在硬巖掘進中，進刀太深等原因造成刀刃崩裂。（3）刮刀刀體斷裂。刀體本身的強度和韌性不夠，進尺太深，都會造成刮刀刀體的斷裂。（4）刮刀掉齒。合金刀齒的焊接工藝不過關，或者刮刀突遇硬巖時都會造成刮刀掉齒。

2.2.2滾刀損壞類型及原因分析

（1）刀圈的正常磨損。（2）單邊偏磨和多邊偏磨。單邊偏磨一般是滾刀不轉造成的，多邊偏磨則是滾刀時轉時不轉造成的。（3）刀圈崩塊、斷裂。崩塊主要是刀具與巖層碰撞造成的，斷裂通常是刀具受力過載造成；這與刀圈原材料及制造技術、地質條件和盾構操作技術都有關系，需對各個數據具體分析。（4）軸承或密封損壞。大部分刀具軸承的壽命可達到900h。但在施工過程中，由于各種原因的影響，軸承會發生早期損壞，主要損壞表現為剝離，密封圈損壞進泥、呈凹凸狀等。

2.3刀具維修

2.3.1刀具維修項目判定

對刀具進行清理、拆解后，根據刀具的情況對需要維修的項目進行判定。

2.3.2部件更換

刀具的維修包括多個步驟，需要嚴格進行，保證刀具的維修質量。

2.3.3刀具裝配

在裝配過程中，對熱裝件（刀圈和軸承）嚴格控制加熱溫度，對緊固件嚴格控制緊固力矩；選用適合地質條件的刀圈；焊擋圈時不能在刀圈上點火。刀具在裝配前必須調配好靜態扭矩，因滾刀靜轉矩對整個滾刀的使用性能影響很大。若靜態扭矩太大，巖土對滾刀提供的主動轉矩不足以克服滾刀靜轉矩，刀圈不會轉動，刀圈偏磨；如果靜態扭矩太小，軸承的游隙太大，承受力的軸承滾子少，容易使受力集中的滾子崩裂。滾刀靜轉矩主要由密封環阻力矩和軸承阻力矩決定。刀具裝配過程中，如果密封件規格、尺寸、安裝槽尺寸、潤滑油（黏度）決定后，則靜態扭矩通常是一個定值，靜態扭矩的調整主要與軸承阻力矩的設定有關。

2.3.4維修后的標識

刀具維修好后，詳細記錄刀具維修情況并備案。維修好的刀具使用自噴漆進行編號，防止新、舊刀具混淆。臨近使用時，測一下刀具扭矩，若與存放時懸殊較大，則需要跑和達到初始扭矩。

3、刀具管理

3.1刀具管理重要性

刀具管理在盾構施工中有著重要的位置，制定合理的刀具管理計劃和方案對保證進度、控制成本和施工安全均起著重要的作用。如果施工中刀具管理不到位會直接增加換刀次數，影響施工進度，嚴重時會對刀盤造成破壞。特別是在全斷面硬巖段、軟硬不均段、全斷面巖層段中掘進施工時更需要詳細考慮，需要制定合理的刀具管理計劃進行刀具管理。

3.2掘進中的刀具管理

3.2.1推進控制

控制油缸推力在一定范圍內。如果推力太大，則會使刀圈受力過大，導致刀圈斷裂；如果太小，作用在刀圈上的摩擦力小，導致刀具不能轉動，產生偏磨。控制刀盤轉速。在硬巖中掘進時如果刀盤轉速過大，則會使刀盤在經過巖層交界面時刀具受到沖擊力過大，造成刀具損壞。控制掘進速度。如果速度過快，則刀具貫入量過大，會導致刀具過度的磨損。

3.2.2碴土改良

國內外在復雜地層中的盾構施工經驗，進行碴土改良是保證盾構施工安全、順利、快速施工的一項不可缺少的重要技術手段。碴土改良就是通過盾構機配置的專用裝置向刀盤面、土艙或螺旋輸送機內注入泡沫或膨潤土，利用刀盤的旋轉攪拌、土艙攪拌裝置攪拌或螺旋輸送機旋轉攪拌使添加劑與土碴混合，其主要目的就是要使盾構切削下來的碴土具有好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩阻力，以達到不結泥餅，對刀具減少摩擦阻力，不敷刀箱等目的。進而有效延長了刀具使用壽命。

3.2.3合理配置刀具

首先了解各個廠家刀具的特點，比如刀具刀圈強度、韌性、承受最大荷載等；其次對更換的刀具掘進環數、線里程、刀盤上位置等數據進行分析。在強度不同的地層分別試用不同廠家的刀具進行試驗，相互對比分析得出各個廠家刀具適合的哪一類地質情況。根據以上數據進行綜合分析，最后達到最優配置刀具方案。

結論：

刀具維修技術與管理制度對于盾構掘進效率有著非常重要的作用，同時在盾構施工中還需合理地選取掘進參數（如總推力、貫入度、刀盤轉速、扭矩等），最大程度地延長刀具的使用壽命，減少換刀頻率，降低施工中頻繁換刀的風險。做好對刀具的檢測、分析、比較，總結刀具的使用經驗，將結果及時反饋，才能更好地指導后續施工。

參考文獻：

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