土壓平衡盾構機刀具配置、維修以及管理探索

王 穎

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

盾構施工中會遇到各種復雜地層，刀具作為土壓平衡盾構機的重要構成，直接決定了設備工作效率，因此施工單位只有結合項目情況合理配置刀具，才能確保設備符合項目需求。此外，還要做好設備維修管理工作，以保障設備處于良好工作狀態(tài)，在保證施工質(zhì)量的前提下加快施工進度。

1 土壓平衡盾構機施工原理

在土壓平衡盾構機運行過程中，能夠有效平衡施工時地下水壓力以及開挖層面的壓力，利用土倉內(nèi)的土壓或添加輔助材料進行平衡，避免盾構施工過程中出現(xiàn)土層失水過多導致坍塌引起地表下沉。土壓平衡盾構機施工原理如圖1 所示。土壓平衡盾構機在運行過程中土倉內(nèi)會產(chǎn)生壓力P2，與設備掌子面上的壓力P1相平衡。影響P2的因素有土倉內(nèi)渣土的壓力，注入材料產(chǎn)生的壓力等。通常情況下，P1相當于水柱壓力與土柱壓力的總和。

圖1 土壓平衡盾構機施工原理

2 土壓平衡盾構機的刀具配置

根據(jù)土壓平衡盾構機的使用情況來看，地層不同對于設備刀具的要求也有所不同，通常情況下設備刀盤分為三類，分別為硬巖刀盤、軟巖刀盤以及復合刀盤。復合刀盤一般適用于絕大部分地層，本文以復合刀盤為例，探討有關土壓平衡盾構機的刀具配置問題。

常見的復合型土壓平衡盾構機刀盤直徑6280 mm，刀盤底板厚度550 mm，安裝滾刀后直徑可達6300 mm，刀盤總重量約為52.5 t。整個刀盤結構采用焊接箱形，以保證設備的強度、剛度。刀盤結構形式通常由6 個面板、6 條輻條構成，所有結構開口盡可能靠近刀盤中心部位，以便施工過程中渣土能夠順利流動。刀盤開口率通常由安裝刀具類型決定，以全部安裝硬巖刀具為例，開口率通常為28%[1]。

除了以上配置外，在刀盤面板上方還有8 個泡沫入口，主要用來添加膨潤土、泡沫劑等物，其中4 個孔分布在刀盤內(nèi)圈，4 個孔分布在刀盤外圈。注入添加劑后能有效提高渣土流動性，減少惡劣地質(zhì)環(huán)境對刀盤及刀具帶來的摩擦。此外，針對軟巖土地段，合理使用添加劑還能降低刀盤運行扭矩，防止刀盤運行過程中存在打孔被堵塞以及泥餅現(xiàn)象。在刀盤周邊部位設置耐磨條等材料，確保刀盤運行過程中具備良好的耐磨性能。

3 土壓平衡盾構機刀具的維修與管理

3.1 土壓平衡盾構機常用刀具分類

（1）刮削刀具。在土壓平衡盾構機使用過程中，刮削刀具指的是跟隨刀盤轉(zhuǎn)動、但不能自轉(zhuǎn)的破巖刀具。刮削刀具類型眾多，常見的有先行刀、邊緣刮刀、貝殼刀以及齒刀等。

（2）滾動刀具。滾動刀具指的是設備運行過程中刀具隨著刀盤運行的同時進行自轉(zhuǎn)。根據(jù)刀刃不同可以將其分為盤形滾刀、齒形滾刀等。通常情況下，滾刀結構主要由軸承、刀圈、刀蓋等部件構成，確保滾刀順利運行的關鍵是內(nèi)部結構。

3.2 土壓平衡盾構機刀具失效形式

3.2.1 刮刀失效形式

（1）正常磨損。施工環(huán)境會對刀具的使用帶來一定影響，正常磨損屬于刀具失效的常見形式之一。

（2）刀刃崩裂。在硬巖地質(zhì)環(huán)境中，如果因為滾刀在使用過程中出現(xiàn)磨損較大現(xiàn)象，刮刀直接與未經(jīng)滾刀磨損的硬巖接觸，極易導致刮刀崩裂。此外，如果在巖層掘進中刮刀轉(zhuǎn)速過快，直接遇到硬巖地質(zhì)，沖擊力會導致刀刃直接崩裂[2]。

（3）刀體斷裂。通常情況下刀具強度、韌性都不高，一旦在使用過程中出現(xiàn)進刀過深的現(xiàn)象，將會導致刀體直接斷裂，進而影響后續(xù)施工的順利開展。

（4）刮刀掉齒。如果刀具背身為合金材料，使用過程中突然遇到硬巖，將會導致刮刀出現(xiàn)掉齒現(xiàn)象。

3.2.2 滾刀失效形式

（1）刀圈磨損。與刮刀刀具一樣，磨損也是滾刀的常見失效形式。非均勻磨損是刀圈磨損的常見形式之一，指的是單圈周邊各部位間磨損程度存在差異，主要為多邊磨損與單邊磨損兩種。單邊磨損通常由滾刀施工過程中不轉(zhuǎn)導致的，而多邊磨損是因為滾刀施工過程中時轉(zhuǎn)時不轉(zhuǎn)導致。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的刀具，除了制造本身存在缺陷之外，還與盾構操作以及刀具配置有關[3]。

（2）刀圈崩塊、斷裂。在土壓平衡盾構機運行過程中，掘進時刀具的刃口部位存在開裂、崩塊現(xiàn)象，刀圈直接從刀體脫落現(xiàn)象一般與掘進地質(zhì)條件、刀圈制造質(zhì)量等因素有關。

（3）軸承密封損壞。軸承作為刀具運行的重要構件，對設備運行以及刀具的消耗都有較大影響。正常情況下，土壓平衡盾構機的刀具軸承可以使用900 h 左右，但是由于施工過程中環(huán)境因素、人為因素等方面的干擾，導致軸承極易發(fā)生滾動體表面剝離、保持架破壞，這些問題通常都與其精度不高、性能不佳有關。

（4）刀體、刀蓋浮動密封失效。一旦盾構機運行過程中刀體與刀蓋之間的密封失效，將導致泥沙等物進入刀體中，影響軸承的運行。

3.3 刀具維修

刀具的維修管理工作通常包括維修項目的判定，刀具的清理、拆解，部件的更換等。

（1）判定刀具維修項目。在維修刀具之前，首先需要對該構件開展清理工作，結合實際情況進行故障判定，以便后續(xù)采取針對性措施進行解決。

（2）更換部件。更換部件是刀具維修的常用手段，如果存在有崩塊、斷裂、磨損嚴重等現(xiàn)象，無法滿足施工需求，都需要徹底更換，在此過程中，施工人員可以結合地質(zhì)情況，選擇合適規(guī)格的刀具、軸承進行安裝[4]。

（3）刀具的裝配。為了防止刀體、刀蓋之間浮動密封失象，保障刀具正常運轉(zhuǎn)，要重視刀具安裝工作，從源頭上減少設備故障發(fā)生率。

首先，刀圈、軸承等熱裝件要嚴格控制加熱溫度，緊固件要嚴格控制構件緊固力矩，選擇刀圈時要滿足項目地質(zhì)的實際要求。

此外，裝配過程要以工況為基礎，合理調(diào)整配件靜態(tài)扭矩，因為靜轉(zhuǎn)矩對于滾刀的應用具有較大影響。滾刀靜態(tài)扭矩過大，巖土提供的主動轉(zhuǎn)矩不足以使刀具克服滾刀靜轉(zhuǎn)力，長此以往，刀圈運行時極有可能不轉(zhuǎn)動，最終導致刀圈偏磨；靜態(tài)扭矩過小，設備運行中軸承間的游隙太多，導致承受力的軸承內(nèi)滾子變少，極易使得集中受力的滾子出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象[5]。

在裝配刀具過程中，如果密封件的尺寸、規(guī)格確定后，則刀具的靜態(tài)扭矩一般是一定的，設備靜態(tài)扭矩與軸承之間的阻力矩有緊密關聯(lián)。完成維修工作之后，要對刀具的維修情況進行詳細記錄，以便后續(xù)維修人員維修檢驗時參考，為設備保持良好運行狀態(tài)奠定基礎。

3.4 刀具管理

（1）刀具管理的重要性。盾構施工過程中刀具管理具有十分重要的意義，科學合理的管理方案對于設備正常運行、保持進度、控制成本起著積極影響。不重視刀具管理工作，將會導致盾構機刀具換刀次數(shù)增加，直接影響施工進度，甚至會損壞盾構機刀盤。特別是在硬巖環(huán)境下使用刀具時，施工單位更要對此項管理工作進行詳細考慮[6]。

（2）刀具管理流程。在管理刀具過程中，首先要對工程項目的整體概況有一個全面的了解，隨后制定科學合理的管理計劃，對刀具的維修以及磨損量等進行綜合分析，在刀具管理流程中環(huán)環(huán)相扣、缺一不可（圖2）。

圖2 土壓盾構機刀具管理流程

（3）掘進中的刀具管理：①嚴格把控油缸推力。在土壓平衡盾構機運行過程中，如果油缸推力過大將導致刀圈使用過程中受力變大，迫使刀圈斷裂。如果油缸推力過小，作用于刀圈上的摩擦力會越來越小，直至刀圈不能有效轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象，影響設備正常運行[7]；②控制刀盤轉(zhuǎn)速。對于硬巖地質(zhì)而言，如果刀盤在使用過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)速過大現(xiàn)象，將導致刀盤經(jīng)過巖層交界面受到?jīng)_擊，最終損壞刀具；③控制設備掘進速度。掘進設備運行速度過快，極易導致刀具進刀量過大，造成刀具磨損，影響設備的正常應用。

（4）刀具磨損與統(tǒng)計。對刀具磨損情況進行統(tǒng)計分析有助于提高施工質(zhì)量與效率。在此過程中，有關部門要在更換刀具后，對某一區(qū)域掘進后的磨損量以及情況進行全面、詳細的記錄[8]。以此為基礎探尋刀具的磨損規(guī)律，以便后續(xù)施工中確定換刀位置，降低刀具故障率。

（5）刀具檢查和換刀作業(yè)。盾構施工作業(yè)需要根據(jù)工程項目實際情況，定期、定點對刀具進行全面檢查。發(fā)現(xiàn)刀具磨損程度不符合項目要求，要立刻停止施工進行換刀。換刀作業(yè)危險性較高，要制定合理的開艙作業(yè)程序并在換刀過程中嚴格執(zhí)行。

4 結語

綜上所述，土壓平衡盾構機作為隧道施工的重要設備，提高其運行質(zhì)量與效率，需要從刀具配置、維修管理工作入手，確保掘進工作順利開展。在此過程中，要充分考慮項目特點，選擇合適的刀具規(guī)格與型號，以免在后期使用中因地質(zhì)因素對刀具帶來嚴重損害。此外，裝配、管理刀具嚴格按照流程有序開展，對工程中刀具的損害現(xiàn)象進行統(tǒng)計分析，掌握項目特點及規(guī)律，為后續(xù)施工活動順利開展奠定基礎。