盾構機掘進中刀具損壞及維修措施探討

張若飛

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

盾構機作為隧道掘進的專用機械設備，掘進作業中需要結合不同地質條件選擇刀具。遭遇硬巖地段，容易發生刀具損壞問題，還要結合損壞情況采取科學維修措施，確保盾構施工順利開展。因此，對盾構機掘進中刀具損壞及維修措施展開研究，為隧道施工提供專業技術保障。

1 盾構機刀具選擇

在盾構機掘進過程中，刀具作為重要部件，要根據地質、地形等條件進行選擇，保證刀具質量和性能符合施工要求。根據盾構機工作原理可知，刀具對巖石進行破除時分為切削和滾壓兩種方式，滾壓破巖方式，是利用滾刀在巖石上旋轉施加剪切力和沖擊力，促使巖石被壓碎和碾碎，適用于硬土、砂礫豐富和巖石多的地段[1]。切削方式是利用刮刀等切削刀具沿著運動軌跡對巖石進行切削，適用于砂層、土層和軟質地巖石地段。結合巖石硬度、地層條件等因素，對硬巖土層開挖時通常選用滾刀，開挖砂質地層通常選用切刀，配合采用邊緣刮刀能減少刀具的磨耗。合理選擇刀具，才能保證盾構機發揮最大效能。

而在盾構機掘進過程中，刀具或多或少將發生磨損，遭遇不同地形條件會造成刀具發生不同程度的損壞，必要時應更換刀具，保證刀具鋒銳度，繼而使掘進施工在規定時間內完成。

2 盾構機掘進中刀具損壞形式

2.1 刮刀損壞形式

在盾構機掘進期間，刮刀常常用于對其他刀具進行保護，因此經常出現失效，影響掘進效率。正常使用情況下，盾構機向前推力將通過刀盤施加到地層，使得刀具磨損呈由內向外趨勢。而刀具擁有相同公轉角速度，所在半徑不同使得各刀具線速度存在差異，外部刀具行程多，切削任務量大，磨損速度也隨之提升。邊刀位置刀尖距密，分配給各刀具的破巖量相對少一些，磨損速率有所下降。但在硬質巖層，刮刀直接在巖層上作用，刀具硬度小于巖層硬度將發生崩裂。即便刀具硬度足夠，掘進轉速過快也將給刀刃帶來嚴重沖擊，造成刮刀斷裂。此外，刮刀的刀齒通常采取焊接方式與刀盤連接，焊接不合格容易發生掉齒現象。

2.2 滾刀損壞形式

滾刀多適用于硬巖石地段，因此常常發生損壞情況。正常掘進過程中，滾刀無法轉動將出現單邊磨損，時轉時停會出現多邊磨損。巖體過硬，刀圈受到較大振動，可能導致刀體脫落、刀圈斷裂。滾刀通常硬度較大，除了刀具發生損壞，也有可能出現軸承與密封裝置損壞問題。在刀具系統中，軸承要保證刀具可靠、安全運行，正常使用壽命在900 h 以上，但施工中常常出現超負荷狀況，導致軸承提前損壞[2]。

刀體和刀蓋之間存在浮動密封，掘進期間可能發生損壞，導致刀具漏油，泥沙進入刀體，最終導致系統失效。此外，利用滾刀切削硬土，開挖面容易形成“砂輪效應”，切削熱量在刀盤面板上聚集，形成高熱區，使刀箱中的渣土快速固結成泥餅，最終導致滾刀無法自轉。

3 盾構機掘進中刀具的維修措施

3.1 刀具檢查

結合刀具損壞形式可知，刀具失效與刀具自身質量、裝配質量、使用工況等因素有關，因此在盾構施工期間需要定期檢查。為防止刀具過度勞損，可以根據刀具磨損量推測刀具是否處于有效使用狀態，合理安排刀具檢查和更換工作。實際施工中，盾構機刀具發生較大損耗時，總推力不變的條件下掘進速度將下降、扭矩增加，因此可以結合掘進參數對刀具狀況進行判斷：

式中，v 是盾構機推進速度，n 是刀具轉速，k1為常數，W0和T0是掘進摩擦力和扭矩，W1和T1是總推力和總扭矩。

對刀具進行檢查，首先要完成刀盤磨損情況記錄，判斷主軸承油脂狀態能否達到要求，并做好操作面板和軸承支柱檢查，保證不存在開裂、變形等問題。檢查刀具時，要先確認刀具與刀盤的連接、固定螺絲等零件完好，擋圈無明顯移位，整體連接牢固。確認刀圈完好后計算磨損數值，確定是否需要更換刀具。如更換滾刀，正滾刀最大磨損數值通常為25 mm，邊滾刀20 mm，超出數值需要立即更換。在強化盾構機掘進效果的同時，降低刀具損壞的概率，延長刀具的使用壽命。

3.2 更換管理

更換刀具具有一定的危險性，應加強更換過程管理。更換前，首先要確認更換刀具的基本參數適用于工程地質條件，提高刀具的使用能力，為可靠施工提供保障。更換的刀具應為批量產品，通過批量更換控制換刀次數，使人員安全得到最大限度地保障。掘進質地硬的巖石時，由于地殼穩定，可以進行無壓力換刀。提前做好技術交底，制定具體換刀計劃，根據特殊部位磨損程度提出科學換刀方案，確定最佳開倉位置和做好材料準備，能夠使刀具更換重點得到把控[3]。為保證換刀迅速，還應提前準備風動扳手、吊機等輔助設施與材料，并做好盾構機整體性能檢查和調試，確保作業環境良好。負責換刀的人員應經過專業培訓，能夠熟練進行換刀操作，掌握刀具操作規范和維修養護技能，并能應對突發狀況。考慮到換刀操作的危險系數較高，應制定應急預案和建立應急小組，使意外得到有效控制。此外，應建立開倉審批流程，由土木、機電等多專業聯合確認，進一步提高刀具更換操作的安全性。

在實際更換刀具時，應先確定參照物位置，從而判斷最佳旋轉角度。必要時可以利用仿真模型和傳感裝置測量旋轉角度，提高刀具更換位置的精準度。禁止在刀盤開口與土倉口重疊時換刀，以免人員受傷。按照刀具更換步驟，要先清理刀盤。在開倉口，可以利用設備向內部輸送7 min 高壓風，降低刀盤溫度，并增加內部環境氧氣值。用水沖洗刀盤，然后對刀片位置進行更換。利用螺旋輸送設備在主軸承下放置碴，然后對刀具進行檢查，確認拆除后，利用大功率風動扳手將刀盤上的螺絲釘拆除，將刀具送至回碴倉。

操作過程中，應控制割槍內氧氣和乙炔流量，保證各項操作符合規范，以免底座、刀具螺栓孔出現損傷。對刀具進行重組，應保證各零件干燥、整潔，表面無水珠，以免發生銹蝕。針對遭到損傷的接觸面，應進行打磨和修復。在更換過程中，應注意做好刀具檢查，保證位置居中，更換后對所用工具進行檢查，避免遺忘在倉內，導致設備受損。此外，需要完成刀具更換過程的詳細記錄，為后續更換和維修刀具提供依據。

3.3 維修關鍵

刀具維修階段應正確安裝刀圈。目前，刀圈多采用硬度和變形能力較好的鋼制品，原材料中包含鎳、鈷、鐵等合金元素，以提高刀圈的耐磨性。結合刀具大小，應進行適當內徑刀圈的匹配安裝。刀圈多采用熱裝方式，利用工業烤箱加熱至2000 ℃左右，使刀圈保持良好延展性，加熱2 h 后在正確位置套裝。其次，要重視軸承檢查和預緊度調整工作。軸承可以發揮調整設備受力方向的作用，通常采用以徑向受力為主的圓錐滾子軸承，故障主要由外部環境腐蝕、刀具密封失效引發[4]。在掘進參數不準的情況下，軸承將發生破裂，還要通過調整軸承間隔圈厚度保證刀具啟動力矩與回轉力矩符合規范。最后，刀具安裝還應做好氣密性和密封性檢查。在密封條件下進行刀具安裝，應保證密封表面滿足光潔度、平整度控制要求。針對動密封，安裝前應進行清潔和研磨。完成刀具維修后，需要在刀體中注入一定量壓縮氣體，確認氣壓在一定時間內維持正常數值，進而保證刀具氣密性符合要求。

4 盾構機掘進中刀具損壞維修實踐

4.1 工程概況

某高鐵工程施工期間采用盾構機掘進，但盾構區間地質構造、水文條件復雜，給盾構施工帶來了較大困難。工程地層頂端為砂層，土質均勻性較差，縱向分布軟硬變化段，底部為微風化和中風化灰巖和泥巖。

4.2 刀具配置

結合工程地質情況，按照常規硬巖復合刀盤進行始發刀盤配置，采用16Mn 材料，厚度達到750 mm，可以對復合地層產生大推力和偏心受壓。刀盤面板上焊接Hardox 耐磨格柵，增強刀盤耐磨性能。采用的主切削刀具為全斷面硬巖滾刀，包含雙刃滾刀、單刃滾刀、固定殼刀、小刮刀、大刮刀和貝克刀。搭配耐沖擊軟合金刮刀和邊緣鏟刀，減輕硬巖對輔助刀具的沖擊。

4.3 損壞分析

前期盾構施工共完成12 次換刀作業，累計更換滾刀99 把、刮刀40 把。結合刀具檢查和更換記錄可知，刀具在不同巖性地層磨損和損壞形式存在較大差異，整體正常磨損較小，但多次發生斷裂脫落情況。在對中風化巖石進行破碎時，滾刀磨損較快。由于巖塊具有粘結性，掘進期間擠壓至刀刃兩側，造成刀刃磨耗嚴重，出現磨尖現象。在泥巖中掘進時，刀盤表面被泥團和巖塊附著，形成嚴重泥餅。在微風化和中風化交界面掘進時，多次遭遇孤石，導致滾刀出現斷裂、崩缺。從泥巖向灰巖掘進時，滾刀頻繁出現軸承散架，導致整刀卡死。在巖體切削期間，刮刀與滾刀高差較小，時常因受力過大而脫落。

4.4 維修措施

通過綜合分析發現，無論在哪種地層，20 mm 標準刀和26 mm寬刃刀均頻繁發生斷裂情況，而鑲合金滾刀表現出較強的耐沖擊性，未出現斷裂，因此滾刀全部采用鑲合金刀圈。針對外圈滾刀卡死問題，需要增加刀圈外圈直徑，同時為避免超挖，在最外緣刀箱位置安裝刀具，有效應對筒體變形情況。考慮到泥餅形成容易導致刀具受損，需適當增加刀盤開口率，保證兩側渣土順利排出。結合這一目標，去除正面中心區的小刮刀，并對貝克刀進行焊接，在有效避免刀具脫落的同時，降低泥餅形成風險。面板兩側刮刀還應對刀座進行加固，在輻條上對刮刀背面焊接保護擋塊，增大刀座支撐力。用高強度螺栓連接邊緣刀具與刀座，同時對刀具四周和刀座接觸位置進行滿焊連接，防止刀具脫落。此外，為提高軸承抗沖擊性能，在不改變滾刀安裝尺寸的基礎上，調整刀具內部結構，將輕型軸承改裝為重型，提高結構承載力，解決軸承散架問題。

5 結語

在隧道掘進施工中，除了做好盾構機刀具的選擇，還要及時進行刀具檢查，以便發現刀具損壞問題。結合工程地質條件和刀具損壞形式，制定合理的刀具更換策略，利用專業技術進行刀具維修，使盾構機保持高效工作狀態，延長刀具使用壽命，在提高工程效益的同時，保證盾構施工安全。