盾構機掘進中刀具損壞及維修措施探討

夏常遠

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

北京地鐵施工的調查顯示，盾構機的掘進量占據了總施工量的45%，可以看出盾構機掘進的工作量十分巨大，其出現的磨損情況也較為嚴重。對于磨損的刀具，施工人員要及時進行維修，使盾構機可以繼續工作，保證施工進度，也幫助企業降低生產成本。

1 刀具損壞對盾構機掘進的影響

在我國目前的盾構機施工中，使用的刀具按照原理不同主要劃分為兩種，一種為滾刀類，另一種為削刀類。根據施工隧道中巖石性質、使用目的、結構形態的不同，還可以進一步的劃分成超前刀、貝型刀等。滾刀可以作用在粒徑超過400 mm 的地層中，而切削刀則主要用在粒徑低于400 mm 的地層中。使用這些刀具時，刀具會因為地層中的石頭、堅硬土層等因素出現磨損，刀具磨損程度越大，施工效率就會越低，當刀具完全損壞之后，盾構機就不能再進行正常作業。因此，工作人員應當明確刀具的使用方法，正確判斷刀具的磨損程度，并選擇正確的方式進行維修，確保盾構機的正常使用。

2 盾構機刀具的損壞類型

2.1 刮刀損壞

刮刀在使用過程中應當注意其前角與后角的傾斜程度，應處于5°～20°，具體情況需要隨著地層的變化而調整，粘黏性強的土地中度數可以較高，砂卵石、泥沙等松軟疏松的地形中度數則較小。如果施工人員沒有注意這些細節，很容易導致刮刀出現損壞。刮刀損壞的具體表現形式有以下4 種。

（1）正常損壞。在盾構機逐漸前進過程中，油缸會為其提供巨大的動力，動力傳遞給盾構機，盾構機將動力作用在刀盤與刀具上，所以盾構機前進的速度越快，刮刀的磨損也就越嚴重。刮刀的磨損情況通常為由內而外、由點及面，刀盤內刀具的轉速雖然保持一致，但是地形結構不同、刀具的應用位置也有所不同，在同樣的作業時間之內，外部的刀具因為受力面積大、損壞程度較為嚴重，而刀具邊緣以及刀尖部分工作量較小，其磨損程度也較小。

（2）刀刃崩裂。在一些充滿硬質巖石的地層中，盾構機不斷作業會直接影響刀刃，如果刀刃落在較硬的巖石上且巖石硬度超過了刀具的本身硬度，刀具會發生斷裂甚至破碎。

（3）刀刃斷裂。在盾構機掘進時，如果施工人員沒有提前根據地質情況選擇刀具，導致刀具的性能與材質無法滿足施工要求，或刀具本身存在質量問題等，均會使刀具出現斷裂。

（4）刀刃掉齒。刮刀的刀齒多為焊接，其與刀盤的連接質量如果不達標，當刮刀遇見較硬的地層時，刮刀焊接處會崩裂，導致刀具掉齒。

2.2 滾刀損壞

滾刀也是盾構機中經常使用的刀具，其在使用過程中出現損壞的概率較高。根據損壞位置、磨損原因的不同，可以分為以下4 種。

（1）刀圈磨損。盾構機中有時會出現單邊磨損問題，其主要原因是刀圈部分出現了問題，如滾刀不再轉動。盾構機多邊磨損問題也與滾刀有關，如滾刀刀圈結構不穩固以及轉動不穩定等。

（2）刀圈斷裂。刀圈在運行過程中，隨著盾構機動力的增加，其受到的沖擊力也不斷增加，導致刀具的刀刃開裂，如果盾構機沒有及時停止作業，刀體會在沖擊力的作用下從刀圈上脫落下來。另外，如果施工人員沒有事先進行地質分析、盲目選擇了錯誤規格的刀圈，也會導致刀圈斷裂。

（3）軸承以及密封裝置的損壞。在盾構機中，軸承作為刀具體系的主要構成部分，可以在作業過程中為其提供保護，使其在安全的環境下工作。根據調查研究表明，我國滾刀的平均使用時間為700 h，而使用了軸承保護的刀具則可以達到900 h。如果施工人員一味地追求工作效率，使軸承長時間處于超負荷狀態，就會導致軸承的提前毀壞。

（4）密封問題。刀具有時會出現漏油情況，有時泥沙會順著縫隙進入軸承內部，導致刀具破壞，這是因為刀具與刀蓋部分的密封出現了問題。出現這種問題的原因較多，如刀具部件質量不達標、裝配質量不達標、巖石沖擊等。

3 刀具維修技術

3.1 刀具選擇

刀具是盾構機工作的保證，其質量與性能的高低會直接影響盾構機的工作能力，所以，在刀具的選擇方面，工作人員要格外慎重，施工人員需要根據施工環境、地形、巖層、深度的不同選擇正確的刀具。如：當盾構機要使用大型刀盤進行土地切削時，應當選擇魚尾刀進行作業，并且魚尾刀應當比其他刀具的位置超出600 mm，保證其可以最先進行工作。此外，在使用刀具之前，工作人員還要仔細審核刀具的型號、性能、使用時間、尺寸等，檢測其質量是否達標、滿足施工要求。

3.2 刀具檢查

進行刀具維修之前，施工人員應首先明確刀具是否存在問題，因此，應當使用刀具檢查技術進行檢測，主要包含刀盤檢查與刀具檢查兩方面。一方面，工作人員要先檢查刀盤的磨損程度，觀察刀具的軸承與密封處是否可以繼續工作，避免刀盤的面板、支柱以及輻條出現裂縫、缺口、變形等問題。另外一方面，施工人員要檢驗刀具，查看其是否結實耐用、在刀盤上是否穩定，發現刀具不穩固的情況時要檢查螺絲是否出現松動、脫落以及損壞情況，如果損壞要及時維修，當無法維修時可以直接更換[1]。還要對刀具的擋圈進行檢查，發現擋圈脫落時維修人員要立刻維修，使其回到原本的位置上，擋圈被折斷時要及時更換，保證設備的繼續運行。

3.3 刀具更換

掘進過程中刀具會發生損壞，這時工作人員可以更換刀具部件。刀具的替換需要按照“合理、迅速、科學、安全”的原則。

（1）刀盤轉角的確定。維修人員更換刀具時，要先確認刀盤轉角的具體位置，不能讓刀盤的開口處正對土壓倉口，保護工作人員的安全。工作人員可以在刀盤的附近設置參照物，以此確定刀盤位置，也可以使用專業的傳感器進行定位，減少人為判斷的誤差。

（2）刀盤清理。當外界的碎石、灰塵、泥沙進入刀盤之后，刀盤的工作效率降低，此時，維修人員需要對刀盤進行清理。刀盤的刀位區域應當在低氧與有氧的環境下進行清理，保證刀盤的整潔。

（3）刀具拆除。修理刀盤時，應當拆除已經損壞的刀具。在刀盤清理結束之后，維修人員應運用風動扳手拆除刀具的螺栓，拆除損壞刀具之后再將其送到碴倉之外，而刀具的螺絲帽則可以用割槍進行清除。螺栓帽出現問題時，工作人員需要降低割槍的氧氣同時減少乙炔流量，避免溫度過高毀壞刀座的螺栓部分。

（4）刀具安裝。工作人員在用新刀具替換已損壞的刀具時，要保證新道具的清潔干凈，刀具上不能有水珠，避免潮濕導致刀具生銹。使用割除法時可能會造成刀具損壞，此時維修人員應當對損壞部分進行打磨，修復其破損部分。

3.4 刀圈安裝

刀圈屬于鋼制品，由一些較為罕見的材料制成，其硬度、吸收力、耐磨能力等功能較為優良，其中蘊含的鐵、鎳、鑰等元素都可以提升刀圈的質量。因此，維修人員應當根據刀刃的大小來選擇合適的刀圈。刀圈的安裝一般為熱裝，維修人員會先將刀圈加熱，加熱工具為工業烤箱，其程式組的容量為300 Pattern/300 Step，運行時間需要達到100 h。工作人員將其與電腦連接，記錄溫度曲線，當刀圈的溫度加熱到2000 ℃后要持續加熱2 h，加熱結束之后再將其安裝在刀體上面[2]。

3.5 檢查軸承與調整預緊度

在掘進時盾構機施工環境的不同會導致軸承受到不同方向的沖擊力，當軸承出現問題則說明刀具的密封性已經有所損壞，維修人員應當適當調節軸承的松緊度。為了減少軸承問題，維修人員應當應用圓錐滾子軸承。圓錐滾子軸承的代號為30000，其中多密封雙列軸承以及四列軸承使用效果極佳。改變傳統的全密封軸承技術，使用密封+防塵的新型密封技術，也會提高軸承部分的密封效果。同時，這種多密封的雙列軸承以及四列軸承質量更高，比普通軸承的使用周期要高出30%～40%，同時減少80%的潤滑劑消耗，減少企業施工成本。

3.6 密封安裝與氣密性檢查

刀具應當進行密封安裝，在安裝時要注意刀具的平面度需要符合施工標準。同時，應當注意密封處的干凈整潔，避免其氣密性降低。工作人員要做好研磨工作，刀具維修結束之后，維修人員還應當對其進行質量檢測。也可以使用氣密性檢測技術將空氣進行壓縮，并將其注射到刀具的內部，隨后觀察刀具情況，如果在一定時間內刀具內的氣壓仍然穩定，則說明其維修完成，刀具可以再次應用于盾構機的掘進作業[3]。

4 結論

綜上所述，在盾構機施工中刀具會出現磨損，此時需要維修人員進行修理。在較硬的地質結構中工作時，刀具會出現磨損加速情況，影響盾構機的施工。因此需要使用科學合理的刀具維修技術，保證刀具可以正常用于施工中，以此提升盾構機的施工效率，減少企業施工成本。