盾構(gòu)機掘進中刀具損壞及維修措施探討

張春輝

中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300000

1 刀具的原理及分類

目前盾構(gòu)機刀盤按其適應(yīng)地質(zhì)一般分為軟土刀盤、復(fù)合刀盤及硬巖刀盤。刀盤的掘進施工最終都是靠刀具來完成，刀具按切削原理一般分為滾壓刀具及切（刮）削刀具。滾壓刀具的工作原理主要是依靠刀具推力來沖擊擠壓巖層；再加上刀具旋轉(zhuǎn)扭矩連續(xù)滾壓破巖，這類刀具在掘進過程中會隨刀盤一起公轉(zhuǎn)，同時自身還繞刀軸進行自轉(zhuǎn)。滾壓類刀具對巖石作用力大，常用于硬巖或大直徑圓礫地層隧道掘進中，也可用于復(fù)合地層，主要分為單刃滾刀、雙刃滾刀和三刃滾刀等。切削刀具的工作原理主要是盾構(gòu)機向前推進的同時刀具隨刀盤旋轉(zhuǎn)，刀刃不斷嵌入土體并對開挖面土體產(chǎn)生軸向剪切力和徑向切削力，分為切刀、中心魚尾刀、撕裂刀、先行刀、保徑刀和邊刮刀等形式；此類刀具一般用于軟土地層及軟巖地層中，或用于硬巖及復(fù)合地層輔助切削中[1]。

2 刀具磨損對于盾構(gòu)機使用的重要影響

首先，盾構(gòu)機由盾構(gòu)主機和后配套設(shè)備共同構(gòu)成，其中，盾構(gòu)刀盤負責(zé)盾構(gòu)機的開挖作業(yè)，主要借助盾構(gòu)刀具對機體前方土體進行切割，這意味著盾構(gòu)機的作業(yè)速率完全由刀具的鋒利程度來決定，只有刀具與土體結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，盾構(gòu)機才能較為快速地前行。由于復(fù)合地層土質(zhì)較為復(fù)雜，工作人員在選擇盾構(gòu)刀具時往往會比較困難，這就使得盾構(gòu)刀具容易在復(fù)雜多樣的土層作用下快速磨損，進而在短時間內(nèi)出現(xiàn)刀具老化問題。其次，雖然在長期的探索實踐中，有關(guān)盾構(gòu)機刀具磨損規(guī)律的相關(guān)理論已初步完善，但針對不同土層的刀具磨損尚未得到完全掌握，其中，包括刀具負荷、磨損速率等要素在內(nèi)的相關(guān)研究仍處于相對匱乏狀態(tài)，這導(dǎo)致在實際盾構(gòu)機作業(yè)中，即使選用了較為負荷土層特點的盾構(gòu)刀具，但仍無法判斷刀具的更換周期，因此，刀具很容易在長期使用中，因更換不及時而徹底喪失作用，并影響地下作業(yè)的工作進度。最后，由于我國盾構(gòu)刀具研究較少，大多數(shù)地下施工企業(yè)購買的盾構(gòu)刀具均來自國外，導(dǎo)致施工成本增加，使得國內(nèi)盾構(gòu)機作業(yè)乃至整個地下交通施工事業(yè)的發(fā)展均受到制約。

3 盾構(gòu)機中刀具的更換和維修

3.1 刀具更換的具體原則

在適當(dāng)?shù)臅r候更換刀具不僅可以降低刀具損壞的非正常概率，還可以弱化意外損壞更換時間對工程開展的影響，有利于盾構(gòu)機強化自身的工作效率，而更換刀具需要嚴(yán)格按照三個原則：一是合理原則。一方面，刀具參數(shù)需要與地質(zhì)條件合理；另一方面，更換刀具計劃需要合理的約束。刀具基本參數(shù)是否適用于地質(zhì)條件，能夠決定盾構(gòu)機的掘進進程。在掘進較為堅硬的巖石層時，需要采用滾刀刀具；在掘進較為松軟的土質(zhì)層時，需要采用切刀刀具和齒刀刀具，以保障刀具對地質(zhì)層的適應(yīng)能力，強化施工的可靠性。同時根據(jù)地質(zhì)環(huán)境制定更換刀具的磨損數(shù)值和計劃。通常情況下，刀具更換的最大值分別為：雙刃中心滾刀-25mm；邊滾刀-20mm；正滾刀-25mm，但實際需要更換的數(shù)值都比理論值小5mm。二是批量原則。為了確保盾構(gòu)機設(shè)備的工作效率，控制更換刀具的次數(shù)，需要按照計劃進行批量更換，力爭做到正滾刀批量生產(chǎn)、中心刀批量生產(chǎn)、邊滾刀批量生產(chǎn)。三是快速原則。更換刀具的場所需要盡可能的保持密閉，由于許多不可控因素的影響，需要快速進行刀具更換，這樣才能夠最大程度的保障操作人員的人身安全，維護機械設(shè)備的正常運行[2]。

3.2 檢查刀盤刀具

一是檢查刀盤。操作人員需要對刀盤的磨損程度進行記錄，確認主軸承的油脂狀態(tài)是否正常；還需要對刀盤的操作面板和軸承支柱的完好度進行檢查，一旦出現(xiàn)形變或開裂情況必須對其進行更換。二是檢查刀具。操作人員需要對刀具與刀盤的連接狀態(tài)進行檢查，確認其是否牢固；固定零件及刀具的螺絲是否出現(xiàn)丟失或損壞情況；刀具周圍的擋圈是否出現(xiàn)移位現(xiàn)象，確認刀圈的完好度。三是計算刀圈的磨損數(shù)值。刀圈在沒有任何損壞跡象的前提下，采用正確的方式測量刀圈的磨損程度是更換刀具的主要參考依據(jù)，需要利用特別的模板對其進行測量。

3.3 巧妙選擇刀具配置

針對不同地層與盾構(gòu)機刀具的不同適應(yīng)性，可進一步優(yōu)化刀具配置，選擇符合地層構(gòu)成特點的最佳刀具。其中，針對軟弱土地層，刀具配置應(yīng)以切刀、刮刀為主，同時刀盤應(yīng)采用面板式結(jié)構(gòu)，并在切刀及刮刀刃口處設(shè)置合金耐磨材料，從而起到增加刀具耐磨性、延長刀具使用周期的效果。此外，針對較為復(fù)雜的砂層，按照砂層特點合理選擇魚尾刀、仿形刀等特殊刀具，借助多種刀具的不同優(yōu)勢促使盾構(gòu)機作業(yè)有序完成[3]。

3.4 重視刀具參數(shù)設(shè)計

基于參數(shù)設(shè)計對于刀具磨損程度的影響，需就刀具及盾構(gòu)機參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。一方面，針對滾刀磨損問題，可適當(dāng)增加滾刀轉(zhuǎn)動力矩，并在滾刀刀鼓上配以耐磨材料，進而有效防止礦物顆粒對刀體造成磨損；另一方面，針對切削刀磨損問題，可進一步改進刮刀制作材料，并采用更加符合渣土流動狀態(tài)的幾何形狀來進行刮刀制作。

4 結(jié)語

在盾構(gòu)機施工中，刀具選擇和維修對掘進的速度和效率有密切關(guān)系，在具體施工中，要根據(jù)地質(zhì)條件，選擇合理的掘進參數(shù)，才能最大限度延長刀具使用的壽命，降低換刀的頻率。嚴(yán)格按照相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，按照刀具要求，綜合刀具使用經(jīng)驗，及時反饋結(jié)果，為后期施工提供數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)。