新疆某引水工程盾構機刀具失效形式及原因分析

李永朝

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，濟南 250013）

1 研究背景

盾構掘進機因具有穩定、高效、安全等優點被廣泛應用于地下空間工程建設[1-2]。刀具是盾構機切削破碎巖土的關鍵部件，其切削性能和使用壽命直接決定了盾構機的掘進效率[3]。刀具按其切削作用方式可以分為滾壓式刀具和切削式刀具。滾壓式刀具為盤形滾刀，根據刀刃數量可以分為單刃滾刀和雙刃滾刀。按刀刃結構，滾壓式刀具還可以分為普通圓刃滾刀和鑲齒滾刀等。切削式刀具主要為切刀、邊緣刮刀、中心刀和先行刀等[4]。

盾構機施工地質環境復雜多變，導致刀具在使用過程常出現多種失效，影響工程進度。刀具的使用壽命是影響盾構機整體施工效率和工期的核心因素。據統計，盾構機刀具失效損耗費用占總施工費用的1/5～1/4，極端工況下刀具損耗費用可達總費用的1/3。此外，因刀具檢查、更換和維修等情況所耗的時間約占總施工時間的1/3[5]。可見，針對施工地質分析盾構機刀具失效成因，并提出相應的改進措施，是提高盾構機掘進效率、降低施工成本的重要措施。在刀具失效分析方面，國內外學者進行了諸多研究。例如：REN等[6]指出工程中滾刀失效形式主要有正常磨損、弦磨、崩刃和刀圈斷裂等；呂丹[7]分析了盾構機切刀磨損機理和磨損影響因素。這些研究對于盾構機刀具失效的研究主要集中于刀具磨損機理方面，研究重點為地質參數、刀具性能和掘進參數對刀具磨損的影響規律[8-9]。

新疆某引水工程某標段隧道采用3臺盾構機施工，在施工過程中盾構機出現了較為嚴重的刀具失效現象。基于此，針對地質情況和刀具使用情況，分析盾構機刀具失效形式和成因，并提出相應改進建議，以提高工程盾構機的掘進效率，節省施工成本，確保工程順利施工。

2 工程背景

2.1 工程地質情況

以新疆某引水工程盾構掘進機為研究對象，根據地質勘探結果，該標段隧洞埋深為60～75 m，穿過地層主要為新近系泥巖和砂巖，局部含有泥質砂礫巖，巖層方向接近水平。盾構機在砂巖段掘進時出現了較為嚴重的磨損失效。根據地質勘探報告：該施工標段巖性以新近系紅色和灰色砂巖為主，局部含有泥巖和泥質砂巖，砂層呈巨厚層狀：泥巖和泥質砂巖呈中厚層狀，巖層總體產狀為300°NE∠3°，與洞軸線夾角為42°，節理裂隙不發育。它的地層比例如圖1所示。

圖1 盾構機穿越地層情況及比例

該段地下水均為碎屑類孔隙裂隙水，屬于層間微承壓水，含水層巖性為砂巖和泥質砂巖。孔隙裂隙水水位埋深一般在3.5～20.5 m，水位高于隧洞頂部41.2～60.3 m。圍巖天然含水率為10.0%～17.0%，飽和含水率為14.3%～19.7%，天然密度為2.05～2.15 g·m-3，干密度為1.85～l.94 g·m-3，飽和密度為2.15～2.23 g·m-3，一般滲透系數平均值K=1.61×10-4～8.52×10-5cm·s-1。

開倉換刀發現，圍巖為較為典型的凝灰質砂巖層，掌子面巖石硬度相對較高，巖石表面可見明顯滾刀滾碾痕跡，巖體較為完整，且掌子面穩定，如圖2所示。現場取回巖樣為黃褐色致密膠結狀風化程度較低的砂巖。這種巖石未破碎前難以貫入切削，否則會使刀具處于干磨狀況。巖石破碎后會呈現為細砂狀顆粒。

圖2 開倉換刀掌子面情況

2.2 刀具配置情況

該工程盾構機開挖直徑為5.5 m，刀盤為四輻條刀盤，采用輻條+面板式設計，開口率為50%。刀盤上安裝有滾刀、切刀、貝殼刀、刮刀和超挖刀等。所配置的刀具中，滾刀和切刀為切削破碎巖土的核心刀具。其中：刀盤中心為17寸雙聯滾刀，正面和邊緣采用17寸單刃滾刀；正面刀間距為90 mm；滾刀總數為32把；切刀總數為36把。設計切刀時，根據本標段地質特點進行針對性設計，其側面堆焊耐磨網格有利于減少刀具邊角磨損；刀刃采用大尺寸的3排耐磨硬質合金，可以延長刀具使用壽命；刀頭設計為尖角結構形式，能夠提高切刀切削剝離碴土的能力。

3 刀具失效情況

根據刀具使用和換刀情況，本文主要分析失效嚴重的滾刀和切刀失效形式及原因。

3.1 滾刀失效情況

盾構機掘進過程中，根據掘進參數變化情況和地質勘探報告正常更換刀具。第一次換刀為在1 775環處更換4把外周邊緣滾刀，更換下來的刀具如圖3所示。第二次為在第1 969環處更換正面滾刀，部分更換下來的刀具失效情況如圖4所示。

圖3 邊緣滾刀失效形式

圖4 正面滾刀失效形式

分析刀具失效形式可知，4把邊緣滾刀均為正常磨損，磨損較為嚴重，預計磨損量超35 mm，磨損至刀圈肩部，且出現了軟巖中較為典型的刀刃磨尖形式。17把正面滾刀中，偏磨或弦磨的有10把，嚴重程度各異，輕者刀刃輕度偏磨，重者直接磨穿刀體；正常磨損的有6把，與邊緣滾刀相似，同樣為較為嚴重的尖刃狀磨損；還有1把為肉眼可見的密封失效。

3.2 切刀失效情況

本次更換切刀21把，部分刀具圖片如圖5所示，其中嚴重磨損切刀有9把，較嚴重的有10把，崩刃2把。分析切刀磨損形貌可以發現，無論是嚴重磨損還是較嚴重磨損，均出現了較為明顯的波浪形磨損面。嚴重磨損的切刀整個刃部和刀體均被磨穿。較嚴重磨損的刀具保留有部分合金，且磨損主要出現在刀具的后刀面。

圖5 切刀失效形式

3.3 掘進參數分析

統計和分析盾構機696～1 969環開倉換刀時相關核心掘進參數，并繪制相關掘進參數變化規律曲線，如圖6所示。整個掘進過程中，刀盤轉速均較為穩定，轉速值在2.5 r·min-1左右波動變化，最大值為3.16 r·min-1；刀盤轉矩前期在2 000～2 500 kN·m穩定波動，1 700環以后扭矩略微增大，之后穩定在2 500～3 000 kN·m波動，扭矩最大值為2 890 kN·m，小于額定扭矩4 010 kN·m；貫入度前期整體在30 mm·r-1左右波動，后期由于刀具磨損失效，貫入度值有下降趨勢；刀盤推力總體在7 000～8 000 kN波動，在1 000環附近出現峰值，最大值為12 092 kN，但仍遠小于額定推力36 492 kN，可見刀盤在刀具磨損后，貫入度會出現一定程度的下降，而扭矩則因為刀具磨鈍后破巖阻力上升而出現一定程度的增大。

圖6 掘進參數變化規律

4 刀具失效分析

4.1 滾刀失效原因分析

該盾構機滾刀正常磨損失效均較為嚴重，已被磨成尖形。磨損量較大的原因主要在于兩個方面。一方面，與地質條件預判不足有關。本標段地質勘探表明，所遭遇的巖石為性質較軟的砂巖和泥巖。實際施工發現，由于凝灰質砂巖膠結致密，導致巖石硬度超過了預期判斷值，但并未對刀具作出針對性設計。另一方面，盾構機掘進過程中一直維持較高的貫入度，刀圈貫入巖石較深，刀圈側面一直與磨蝕性強的砂巖接觸，且破碎砂巖形成的細小磨削推擠在刀圈周圍形成了二次磨損，加劇了側面磨損，最終導致刀圈嚴重磨損。刀圈磨損成尖形是軟巖地質較為典型的磨損刃形。砂巖、泥巖破碎后為細小顆粒，此時刀具磨損屬于典型的三體磨粒磨損。刀圈磨損是細小針尖狀巖石微小顆粒刺入刀圈正面與側面，造成微觀切削和犁溝變形而形成的滾刀刃部磨損。由于盾構機一直維持較大貫入度，細砂狀顆粒堆積在刀刃兩側造成了二次磨損，使刀刃側面磨損比正面嚴重，最終磨出尖形。

該標段滾刀非正常磨損失效類型主要為偏磨。刀圈偏磨的原因是滾刀在掘進過程中無法轉動，同一點與巖石長時間接觸逐漸發展為整個接觸面摩擦。該標段滾刀偏磨失效主要原因包括：第一，施工地層為凝灰質砂巖，破碎后顆粒較小，微小顆粒在土壓作用下破壞密封，進入滾刀內部，導致軸承卡死或刀圈堵轉而引起刀圈弦磨；第二，滾刀本身啟動扭矩設置較高，在巖石強度不夠的情況下，破巖阻力無法帶動滾刀轉動，致使刀具偏磨；第三，由于該標段地質為砂巖夾雜泥巖，巖渣可在滾刀與刀座縫隙間膠結成泥餅，從而造成滾刀糊刀堵轉形成偏磨。

4.2 切刀失效原因分析

切刀嚴重磨損部位主要出現在后刀面，原因為凝灰質砂巖破碎后碎屑粒徑較小，且含有磨蝕性較高的針尖狀硬質顆粒，切刀兩排合金之間的基體和第二排合金與耐磨焊之間的基體容易被細小砂粒磨損。盾構機掘進過程中貫入度設置較大，多個循環中最大貫入度均達到了35 mm·r-1以上，使正面滾刀磨損和偏磨失效嚴重，且切刀與滾刀間刀高差設置為67.5 mm。滾刀磨損后期，在大貫入度下切刀直接刮削貫入掌子面，不僅會使前刀面合金與巖層接觸，而且后刀面會與巖層發生摩擦，導致整個切刀切削面發生嚴重磨損。

失效滾刀與切刀位置圖，如圖7所示。其中，圓形為切刀，三角形為異常失效滾刀，正方形為正常磨損滾刀。磨損嚴重的切刀均安裝在異常失效的滾刀附近，滾刀偏磨后破巖能力下降，造成掌子面巖脊凸起。此時，在大貫入度情況下，切刀直接與凸起巖脊接觸切削硬度較高的砂巖，導致切刀出現嚴重磨損。分析失效滾刀與切刀位置，同樣可以得知切刀切削面磨損成波浪型的原因。由于滾刀與切刀的布置并非在同一個切削軌跡中，滾刀嚴重磨損特別是偏磨后，會使滾刀失去滾壓破碎能力，從而使該滾刀破巖軌跡線上掌子面出現高凸起的巖脊。若相鄰滾刀為磨損較輕的正常磨損，此時兩把滾刀間將出現高低不平且不均勻分布的巖脊。在大貫入度的情況下，切刀刮削此類掌子面，凸起巖脊處切刀后刀面因需破碎更多巖石，使磨損更嚴重，甚至會使整個后刀面被巖脊快速剝落磨蝕，出現波浪型磨損表面，如圖8所示。

圖7 失效滾刀與切刀位置圖

圖8 切刀波浪型磨損面

5 改進措施

根據以上刀具失效形式和成因分析，提出以下砂巖地層中盾構機的改進措施。第一，滾刀更換為高強度合金鑲齒。第二，適當調整增大滾刀、撕裂刀與切刀間的高差。第三，調整掘進參數，在保證推進速度的前提下，適當提高刀盤轉速，降低貫入度。第四，進一步優化渣土改良技術及相關改良劑，減小渣土內摩擦角，降低刀盤扭矩，從而減小刀具磨損。第五，為避免刀具非正常磨損，應嚴格檢查新入場的刀具的各項性能，如氣密性，并檢測和合理設置滾刀啟動扭矩。

6 結語

針對新疆某引水工程某標段盾構機刀具使用情況，結合當地地質特點，分析滾刀和切刀失效形式和成因。該工程中滾刀失效形式主要為正常磨損和偏磨，切刀的失效主要為嚴重后刀面磨損和崩刃。滾刀偏磨的主要原因為軸承失效、啟動扭矩設置不合理及刀具結泥餅等，而切刀磨損失效嚴重則與滾刀失效和貫入度參數設置有關。