小直徑長距離泥水盾構滾刀失效分析以及改進措施

杜雙江

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，南京 211899）

0 引言

當前盾構技術因其施工的安全性、高效性而作為城市地下空間建設以及隧道的主要施工方法。盤形滾刀作為盾構開挖過程中剝裂巖石、砂石和泥土且對掌子面進行支護的關鍵部件，與巖石直接接觸會受到強烈的沖擊和振動，造成滾刀不同原因的失效。而滾刀失效的換刀過程會降低盾構施工效率，增加施工成本。分析滾刀失效的具體原因以及采取相對理想的預防措施，能夠從很大程度上避免滾刀失效，提高盾構掘進效率。針對盾構刀具的失效分析，目前學者進行了相應的研究：曹鈞等[1]針對某具體的滾刀分析其在硬巖破巖過程中密封失效的主要原因，并對滾刀的密封結構進行了改進；葸振東等[2]針對重慶盾構項目定性分析了刀具磨損與刀具自身因素、地質因素、掘進參數等方面的關系；霍軍周等[3]針對盤形滾刀的失效形式設計了新型滑動支承的滾刀，并且建立了新型滾刀軸—側向動力學理論模型，研究表明其減震效果明顯；彭繼華等[4-5]分析了涂層滾刀以及TBM刀座的失效原因，并且提出了相應的改進措施，其效果明顯；邱金水等[6-9]針對金屬材料與非金屬材料在不同工況下的失效形式以及裂紋萌生進行了詳細分析；Li等[10]利用化學成分、顯微組織等方法對D406A鋼的抗拉強度不合格原因進行了分析，研究表明脫碳是導致確認試樣抗拉強度不合格的主要原因，整改后有效防止退火脫碳；CHEN等[11]根據設備應力分布特性角度提出應力腐蝕失效易發部位，并綜合設備的檢驗結果進行比較，進而提出結構優化的建議。本文以某輸氣管道越江工程的盾構滾刀為載體，分析在泥水盾構中盤形滾刀的具體失效原因，并研究其相應的改進措施。

1 盤形滾刀破巖載荷分析

盤形滾刀是盾構施工過程中主要的破巖刀具，滾刀的失效破壞主要是與巖石砂石接觸而發生相互作用導致的。盤形滾刀主要由刀體、刀圈、軸承、密封件等部件構成，基本結構如圖1所示。

圖1 盤形滾刀結構裝配示意圖

盤形滾刀切削破巖過程中，破巖力上下波動變化，同時伴有大量巖渣產生的現象。滾刀破巖過程大致如下：滾刀侵入巖石時，巖石中的微裂紋由于滾刀的接觸作用被壓實閉合，同時破巖力持續變大。當滾刀刀刃進一步侵入所引起的應力超過巖石自身強度，巖石就會產生破壞失效。滾刀正下方的巖石最先發生失效，然后被擠壓形成密實核，被壓實的密實核將能量傳遞到附近區域產生新的裂紋，側向裂紋延伸到臨空面或與其他裂紋交匯造成巖塊剝落，此時滾刀受力會突然下跌，這就是滾刀切削破巖的一個周期。滾刀破巖過程中的切削力變化曲線如圖2所示。

圖2 滾刀破巖過程中切削力變化曲線

圖3 滾刀受到的切削作用力

盤形滾刀切削破巖過程中，刀刃與巖石接觸之間存在3個方向的作用力，分別是垂直力FN、側向力FS與滾動力FR，如圖3所示。其中，垂直力FN是由刀盤的推力提供，指向掌子面；滾動力FR是由刀盤扭矩提供，指向滾刀切向；側向力FS是由滾刀對巖石的不平衡擠壓力與刀盤旋轉形成的離心力共同產生，指向刀盤中心。

2 盤形滾刀失效分析

圖4 某輸氣管道越江工程滾刀失效形式

某輸氣管道越江工程采用直徑為3.5 m的盾構機，工程總長度3.48 km。盾構掘進5個月期間，掘進1 613.5 m。穿越粉質黏土與粉砂互層、粉細砂、全風化泥質砂質板巖、強風化泥質砂質板巖、中風化泥質砂質板巖、微風化泥質砂質板巖等地層。在該工程的盾構刀盤上安裝8把中心雙聯滾刀，7把雙刃滾刀，4把單刃滾刀。在9次換刀過程中，雙刃滾刀S15更換6次、S14更換2次、S13更換1次；單刃滾刀S17、S18均更換2次，S16、S19均更換1次；中心滾刀S1S3、S5S7、S6S8均更換1次。在實際盾構施工過程中，刀盤轉速在1.6～1.8 r/min，刀盤總推力6 000～8 800 kN，貫入度維持在10～15 mm。刀具損耗以邊緣雙刃滾刀S15最為嚴重。根據現場施工數據統計，滾刀主要以軸承散架為主，刀軸斷裂、變細，還存在合金齒磨損嚴重、刀圈偏磨、刀圈弦磨、刀圈斷裂、端蓋磨損等情況。該項目滾刀失效形式如圖4所示。

2.1 軸承散架原因分析

根據現場掘進參數可得，刀盤總推力達到6 000～8 000 kN，刀盤上有19把滾刀，包括雙刃與單刃滾刀，總刃數26刃，因此每刃受載215～230 kN。該刀盤滾刀使用的軸承為鐵木肯某軸承；該軸承的9 000萬轉動態徑向載荷為128 000 kN。對于雙刃滾刀受力為430～460 kN，軸承承載能力嚴重不足。

由于盤形滾刀端蓋的嚴重磨損以及刀盤推力過大的原因，導致滾刀密封失效，碎石泥碴進入刀體，加速了保持架與軸承內圈和外圈的摩擦，可能會導致保持架和軸承散架以及刀軸的異常磨損。

在滾刀裝配過程中，過盈量或過盈力不夠，使得裝配后的滾刀在受到較大推力后，出現振動沖擊作用，刀體內部零件松散，導致軸承散架。滾刀裝配扭矩即保證滾刀刀圈轉動的最小扭矩。裝配扭矩過大，會造成滾刀無法正常轉動而造成偏磨；裝配扭矩過小，滾刀軸承密封質量難以保證，易導致滾刀軸承密封損壞。

2.2 滾刀刀圈失效分析

（1）刀圈正常磨損是由于巖石的磨蝕作用，刀圈在刃口寬度范圍內沿圓周產生較為均勻的磨損，且磨損到規定的極限。刀圈正常磨損是刀圈失效的主要形式，一般正常磨損情況占換刀總量的80%以上。這種磨損一般發生在地質相對單一、均勻地層中，且掘進機性能良好，掘進參數合理的情況下。

（2）刀圈偏磨和弦磨。刀圈偏磨為破巖過程刀刃兩側載荷不均，刀圈變形使刀圈刀刃一側工作壓力遠大于另一側，主要發生在相鄰刀高差較大或邊緣滾刀部位。弦磨是刀圈不能轉動造成刀圈與巖石作用磨出一個或多個斜邊，這種情況如果不能及時發現，會進一步磨損到刀體，主要原因有滾刀啟動扭矩過大、軸承損壞卡死或墜落異物卡死刀圈。

（3）刀圈發生斷裂往往由于過載造成，一旦刀圈斷裂將失去破巖能力，甚至發生刀圈脫落。其原因為刀圈承受極大的瞬時沖擊載荷所致，主要有3種情況：①在初始掘進時，刀圈初始推力過大，刀圈硬度較高且脆性較大，發生過載或掘進地層完整性差，破碎帶較多，刀圈不斷切削硬巖和軟巖沖擊載荷過大；②刀圈應力較大或不均，有應力集中區域，刀圈生產裝配過程過盈量較大，或焊接擋圈時有燒損刀圈表面，承受突變載荷時刀圈炸裂；③刀圈運輸時碰撞或破巖過程切削到極硬異物，造成刀圈破壞斷裂。

2.3 滾刀刀圈微觀分析

（1）刀圈流線形態

流線方向對塑性指標性能影響很大，垂直流線方向拉伸時更容易斷裂，順著流線方向則相反。流線方向和分布對疲勞性能影響很大，流線露頭的地方是疲勞斷裂時最初裂紋最易出現的地方。刀圈流線的分布對刀圈失效的影響很大，如圖5所示。流線影響刀圈的磨損、崩刃和脆斷等失效形式。致密的流線和較好的流線形態可以提高刀圈受力性能和疲勞壽命。

圖5 刀圈沿流線形態剝落失效

（2）刀圈斷口SEM圖

一次碳化物是未固溶的C元素與合金元素結合，在凝固時形成的穩定碳化物。如若一次碳化物鍛造時不能完全鍛碎，工件熱處理時具有遺傳性，大塊碳化物不能完全消除，對沖擊性能影響很大，需在刀圈成形過程加大鍛造比進行細化和成形后球化退火消除。不良形態的一次碳化物在承受突變大載荷時容易形成脫落、脆斷和裂紋延伸等問題，是造成刀圈磨損過快、脆斷、崩刃等失效的主要原因之一。刀圈崩刃斷口SEM如圖6所示。

圖6 刀圈崩刃斷口SEM掃描結果

3 改進措施

針對某輸氣管道越江工程的盤形滾刀失效原因，對刀具及現場施工參數建議如下。

（1）檢測未損壞中心刀刀架是否異常磨損，若出現異常磨損，可對刀架原普通耐磨層進行改進；另外，推進過程中減少積渣情況，防止刀架二次磨損。

（2）對正面雙刃滾刀軸承進行市場尋貨，看是否有承載更好的軸承以應對此地層下的正常使用。

（3）建議現場施工可降低推力，每刃承載不超過10 t（雙刃滾刀不超過20 t），同時可增大刀盤轉速（1.8～2.4 r/min）。

經過再掘進500 m后開倉發現，滾刀的損壞情況已有減緩，軸承散架未出現，主要以滾刀正常磨損為主。

4 結束語

本文以某輸氣管道越江工程的泥水盾構中盤形滾刀的工程失效原因進行具體分析，并提出相應的改進措施。基于本文的分析情況，可以得到以下結論。

（1）根據滾刀破巖載荷的分析，可得到滾刀所受到滾動力、垂直力、側向力作用。

（2）得到該工程軸承散架的原因主要是軸承承載能力以及端蓋密封性能不夠，導致泥碴進入刀體，加速軸承與刀軸摩擦和軸承散架；另外還有滾刀刀圈失效的原因。

（3）針對該工程的失效情況，提出相應措施，并且經過500 m再次掘進后，發現失效情況很大程度上已經減緩并趨于正常的磨損失效。