盾構機刀具的選型及其磨損分析

張瑞孔 山東易斯特工程工具有限公司

一、刀具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400mm的地層中，而切削刀則主要用在粒徑低于400mm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。

二、盾構刀具的選擇要點

“軟土配備切刀，硬巖配備滾刀”是目前廣泛認同的一種說法。切刀主要應用于軟土的切削以及具有較小粒徑卵石、沙土的巖土層，且要求切削巖土層硬度小于20MPa；先行刀布置于其他刀具前，為切刀創造良好切削環境。在砂卵石地質環境中，齒刀和切刀配合使用可以起到很好切削效果。為了清理渣土，還應該在刀盤開口部位配置刮刀。滾刀主要應用在硬巖地質當中，并且其刀圈在切削過程中起到關鍵作用。其中，在硬度為80～100MPa的軟巖層常使用耐磨層刀圈；在50～150MPa地層中常采用標準鋼圈；在120～250MPa的硬巖層中常采用重型鋼圈。為了保證刀具工作強度，刀具在刀盤上的連接方式會因地質環境差異有所不同。在砂卵石地質工作環境下，盾構刀具常采用嵌入式螺栓或銷連接，這樣連接便于更換刀具，且牢固不易脫落；對于粉砂、黏土等地質比較松軟地段，刀具連接常采用焊接形式。

三、盾構機刀具磨損異常分析

1.刀具磨損后盾構出土異常及地表塌陷。盾構刀盤滾刀產生偏磨后對巖層切削機理發生改變，造成偏磨滾刀無法充分切削大塊巖塊，致使大量大塊石進入土艙內，造成粒徑大于螺旋機輸土口的塊石沉淀、壘積在土艙底部位置，導致螺旋機輸土困難，或螺旋機卡死現象。由于復合地層段盾構刀盤、刀具磨損嚴重，土艙內充滿大塊巖石，土艙各區域土壓無法及時按設定土壓建立，難以正常進行土壓平衡控制，在這種異常情況下進行盾構掘進施工將造成地面嚴重沉降現象，甚至造成地面塌陷現象，如圖1所示。

圖1 地表塌陷現場

2.刀具磨損后掘進參數異常。上行線盾構在均勻粉砂性地層掘進施工時，盾構各項施工參數正常，盾構掘進速度為15mm/min，盾構刀盤扭矩為3000kN?m，盾構總推力為25000kN，盾構土艙壓力可及時建立，且土艙內土壓波動較小。但在復合地層段短距離掘進后，盾構刀盤溫度過高，且土艙內溫度已超過60℃，影響盾構機主軸承密封，導致盾構掘進速度緩慢；刀盤扭矩達3500kN?m，總推力達29000kN，且土壓力出現異常波動，各區域土壓力偏差較大，土壓計在推進過程中無法達到設定讀數，當盾構推進時左右區平均土壓設定值為0.145MPa，推進過程中實際土壓讀數為0.105MPa。此外，在盾構推進過程中向土艙內加注水或膨潤土，土壓力上升很快，土艙下部土壓力小于中部土壓力，且停機期間土壓力還顯示負值，非常異常。

四、提升盾構機刀具的相關措施

1.采用新型耐磨堆焊工藝。以往對刀具表面進行堆焊耐磨層時，選擇的焊條中鎢含量較高，在焊接之后會導致其表面產生裂紋。刀具在遇到硬巖沖擊載荷時，會產生耐磨層斷裂。針對于以往堆焊存在的問題，經試驗發現，降低焊條中W的含量，提高Ni和V的含量，同時加入Nb元素，可以使堆焊層硬度達到HRC63-65，并具有較好的韌性。這不僅可以避免堆焊開裂，還可具有較低的摩擦系數，同時增強了刀圈與刀體的結合力。

2.采用新加工工藝。刀具制造先是經過冶煉鋼材、鍛造毛坯、熱處理、數控加工、焊接及堆焊耐磨層等工藝，然后再進行裝配。這種制造工藝所生產的刀具，若所選鋼材內部組織不好，有較大的殘余應力，將使生產出來的刀具容易崩裂。新的加工工藝，將刀圈采用中頻感應真空熔煉，再配合輥鍛加工，刀圈的毛坯組織排列較好，韌性明顯提升。

3.增強刀具耐磨性能。為確保滾刀磨損量控制在允許范圍內，針對盾構穿越上軟下硬復合地層段時周邊滾刀易磨損現象，在下行線盾構始發前對周邊滾刀進行更換，并加強周邊滾刀刀刃厚度，增加刀具強度，并對中心滾刀進行更換。盾構經過上述措施的改進后，在上行線穿越后續15m長的復合地層段后周邊滾刀磨損量為8mm，中心滾刀最大磨損量為5mm，在未進行中途換刀的前提下順利穿越了下行線上軟下硬復合地層段，且刀具磨損量控制在了允許范圍內。下行線盾構穿越復合地層段后，周邊滾刀最大磨損量為10mm，中心滾刀最大磨損量為6mm。

4.合理采用熱處理工藝。需要根據刀具工作原理、挖掘狀況以及材料的熱加工性能，對刀具進行高溫淬火加高溫回火，可以有效提高刀具的綜合性能。通過高溫淬火可使碳化物充分溶解，合金組織均勻。再進行高溫回火，則可以有效消除殘余應力。經熱處理后刀具硬度高、耐磨性強，且具有一定的韌性。

結論：綜上，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。本文對盾構刀具選擇，盾構機刀具磨損異常，提升盾構機刀具的相關措施進行分析，為以后盾構機刀具選取、減少刀具磨損以及刀具更換提供了一定參考價值。