復合盾構自動更換刀具的創新創意

許君

摘 要：本文研究了南京地鐵機場線幾鐘典型的刀具更換方法，原有的換刀方法費時費力，通過現場刀具磨損規律和裝配方法，提出了自動和半自動更換刀具的創意，節約換刀時間和成本，增加換刀安全系數。

關鍵詞：復合盾構;自動換刀;創新

中圖分類號：TG51 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0050-02

1 研究背景

南京地鐵機場線盾構區間單線全長約13km，分為9個盾構區間，穿越地層復雜。按照巖層強度高低排列，分為微風化安山巖、中風化安山巖、破碎狀中風化安山巖、中風化粉細砂巖等。其中安山巖抗壓強度較高，最高達80mpa～110mpa。中風化粉細砂巖雖然抗壓強度相對較小，但富含石英的特性加快了刀具的磨損速度。統計下來平均推進80米左右就需更換刀具，推進方法不當也會大大增加換刀頻率。

現有換刀方法首先靠人工測量刀具的磨損量，確認超標后再進行更換。單把單刃滾刀重約160kg，雙刃滾刀重約200kg，在寬約70cm的土倉空間內，選取合適的吊點，依靠人工和葫蘆配合，拆除原有磨損刀具再更換新刀，正常情況下，平均更換一把滾刀（從拆除到安裝）需要3～4個小時。若刀座變形或者刀具加工精度誤差過大，時間會花費更多。除了滾刀的磨損，貝殼刀和刮刀也會出現磨損或者脫落的情況，由于刮刀的受力特性，一般都會存在刀座變形嚴重，更換困難等現象。在掌子面不夠穩定或無法常壓換刀的狀況下，爭取能快速換刀顯得尤為重要[1]。

綜上所述，刀具磨損發現不及時、土倉內狹小的空間、惡劣的操作環境、掌子面不穩定等因素，給換刀帶來了繁重的體力勞動和較大安全風險。為了更快、更省力地更換刀具，本文設想將自動檢測刀具磨損和自動更換刀具的方法結合在一起，降低勞動強度，提高換刀效率。

2 刀具更換現狀

分析現有盾構機刀盤換刀方法，將四種典型的換刀方法優缺點及對刀箱的影響說明如下。

2.1 奧村盾構——卡槽式

卡槽式換刀圖1所示：換刀第一步：滾刀沿著箭頭向下平移，直到與刀軸卡相平行的位置;換刀第二步：滾刀沿著箭頭向右平移，抵達刀軸卡為止;換刀第三步：滾刀刀位后裝上楔塊做以固定。

操作特點：將滾刀卡入刀箱的卡槽，操作較復雜。楔塊由于直面受力，不容易變形，更容易拆除，節省拆刀時間。對刀箱影響：刀座與刀座卡槽為可拆卸式，更好地保護刀箱，刀箱使用壽命提高。

2.2 海瑞克盾構——斜槽式

斜卡式換刀圖2所示：換刀第一步：滾刀沿著箭頭向下移，直到與刀軸卡相平的位置;換刀第二步：滾刀刀軸移動到位后，楔塊斜插入固定刀軸。

特點：換刀操作過程簡單，但拆刀的時候由于楔塊斜面受力，容易變形，不容易拆除，增加換刀時間。對刀箱影響：刀座與刀座卡為整體式，刀座卡變形后不易修復，刀箱使用壽命減低。

2.3 三菱盾構——直卡式

直卡式換刀圖3所示：換刀第一步：滾刀沿著箭頭向下移，直到與刀軸卡相平的位置;換刀第二步：滾刀移動到位后，斜向插入固定。

特點：操作性簡單，但楔塊由于斜面受力，容易變形，不容易拆除，增加拆刀時間。對刀箱影響：其刀座與刀座卡為整體式，刀座卡變形后不易修復，刀箱使用壽命減低。

2.4 小松盾構——卡旋式

卡旋式換刀圖4所示：換刀第一步：滾刀垂直裝入刀箱;換刀第二步：滾刀垂直裝入刀箱后，旋轉90度后裝入楔塊固定。

特點：操作復雜，在拆裝刀的時候需要旋轉90度，增加換刀時間和難度。對刀箱影響：其刀座與刀座卡為整體式，刀座卡變形后不易修復，刀箱使用壽命減低。

上述四種換刀模式，各具特點，其中三菱的刀具更換操作簡單，但楔塊及刀座易變形，易影響拆刀速度。小松刀具更換較復雜，但旋轉式方法給了一些自動換刀及更改切削面的啟示。

3 自動換刀的初步想法

針對南京機場線的換刀狀況，結合當前國內外的發展，提出一些自動換刀的初步設想[2]：

（1）統一刀座大小和支承形式，方便將滾刀、撕裂刀及其它切削刀進行互換;例如，當盾構從穿越全斷面巖層過渡到上軟下硬地層后，中心的滾刀對付粘土作用不大，有不能進行常壓開倉，可以考慮使用撕裂刀來自動替換滾刀。（2）刀具磨損自動檢查裝置能更好地配合自動換刀，尤其在掌子面不穩定的狀況下能發揮快速換刀的優勢;比較常見的滾刀磨損感應裝置則是采用液壓油缸從刀盤伸出至滾刀刃尖，通過比較伸出行程與磨損前行程的差值判斷滾刀的磨損量。此外還有一些采用液壓短路、光纖維短路或超聲波等方式來判斷滾刀磨損的感應裝置。（3）在土壓平衡模式下，需要考慮土倉及滾刀大小。而在TBM中，由于沒有滿倉掘進工況，可以考慮在倉內增加后備滾刀。（4）相對來說，刮刀的自動更換比滾刀更容易實現;刮刀尺寸比滾刀要小得多，在土倉內安裝備用刮刀不是難以實現，可以考慮部分易磨損的刮刀采取備用刮刀及時跟進的形式。（5）對于拆刀和裝刀，可以利用千斤頂伸縮功能實現刀具進退。液壓卡鉗代替楔塊實現對滾刀的卡緊和松開。還可以利用卡緊裝置，監測滾刀的磨損量。土倉內設置可伸縮換刀千斤頂，保證刀具安裝一次到位，該千斤頂特點：自重輕，所有刀具位置都可以使用，同時有電動葫蘆作為輔助，采用電動或者液壓閘，取代現有的壓塊與螺栓連接方式，待刀具安裝到位后，啟動電動卡緊完成刀具最終的固定。

4 結語

總之，以上僅僅是提出的一些初步想法，在實踐中需要解決很多的技術問題，尤其是卡緊裝置具體的尺寸和如何保證卡緊效果。在接下來的過程中，將進一步結合實際換刀情況，對自動換刀裝置進行落實和完善。

參考文獻

[1] 史海歐，鞠世健，竺維彬.廣州地鐵三號線盾構隧道工程施工技術研究[M].暨南大學出版社，2007.

[2] 竺維彬，王暉，鞠世健.復合地層中盾構滾刀磨損原因分析及對策[J].現代隧道技術，2006（4）：72-76.