硬巖滾刀的失效統計分析及研制關鍵技術

劉建東LIU Jian-dong

（中鐵建華南建設（廣州）高科技產業有限公司，廣州 511466）

0 引言

隨著國家不斷加大城市地鐵、管廊、引水工程、高鐵及公路工程的建設，與之相關的隧道施工項目呈爆發式增長，大量盾構和TBM施工項目上馬的同時，其配套消耗產品盾構刀具需求量巨大。硬巖滾刀作為隧道掘進機破巖的核心工具，其性能優劣不僅關系施工效率，更是直接影響施工成本和施工安全[1]。隨著國家863計劃、火炬計劃等基金支持，近十年盾構刀具制造與應用技術有明顯提升，但與國外技術相比仍存在很大不足，尤其在復雜地質，國產硬巖滾刀的損壞頻率仍然較高，同時國產刀具還未批量出口，盾構刀具的某些關鍵配件還需進口[2-3]。因此，有必要對硬巖滾刀在復雜地質中的應用情況進行統計并分析其失效形式和內在原因，針對性提出提升硬巖滾刀綜合性能的關鍵技術，為高壽命硬巖滾刀的研制提供參考方向。

1 滾刀破巖機理

滾刀按照一定規律均勻布置在刀盤的各個位置，當刀盤旋轉時，滾刀隨著刀盤的旋轉而公轉，同時由于滾刀與巖石間的摩擦力，滾刀會沿著刀軸的切線方向自轉。盾構及前方的掌子面會留下一系列同心圓軌跡，該軌跡為各滾刀與巖石相互作用產生的痕跡，各同心圓間的半徑差值即為刀間距。

滾刀破巖過程具體可分為三部分：擠壓階段、起裂階段和破碎階段。首先滾刀在盾構機推進油缸巨大的推力下擠壓巖石，即為擠壓階段；當推力大于巖石的單軸抗壓強度時，刀刃貫入巖石內部，巖石開始起裂，即為其裂階段；隨著巖石產生的裂紋越來越大，每相鄰兩個刀間距產生的裂紋貫穿，并隨著滾刀的公轉和自轉，巖層大面積脫落，達到破巖效果[4-6]。

2 滾刀結構及失效形式

2.1 滾刀的結構組成

由圖1可知，滾刀主要由刀軸、刀圈、刀體、端蓋、軸承、浮動密封、擋圈等零件組成。刀軸固定在刀箱上，刀圈和刀體隨著刀盤的公轉進行自轉，其中刀圈是與巖石主要接觸的零部件，也是最易損壞的部件，其不同刃口形狀和刃寬尺寸適應不同的地層狀況。

圖1 單刃滾刀結構組成

2.2 滾刀的失效形式

滾刀作為和巖石產生相互作用的部件，經常面臨失效問題，基本反映在刀圈上，需對刀圈進行更換。常見的失效形式主要有正常過度磨損、刀圈偏磨、刀圈斷裂、刀圈崩刃、刀圈卷刃等[7]，表現形式如圖2所示。

圖2 滾刀常見失效形式

2.2.1 正常過度磨損

正常過度磨損是指滾刀刀圈的磨損量超過了規定限值，表現形式為均勻磨損，如圖2（a）所示。一般工程上設定的滾刀更換標準為：正面滾刀刀圈磨損量超過30mm，邊滾刀刀圈磨損量超過15mm。正常磨損一般發生在地質相對單一的地層中，通常以掘進里程判斷滾刀的耐磨性能，若更換該種破壞形式滾刀的頻率過高，則說明其耐磨性差。

2.2.2 刀圈偏磨

刀圈偏磨指刀圈各部位的磨耗程度不一致，也稱非均勻磨損。刀圈偏磨往往會造成推力增大、刀盤扭矩增大，使掘進效率下降。造成刀圈偏磨的原因有很多，主要有密封失效導致軸承損壞、上軟下硬地層導致滾刀受力不均、滾刀啟動扭矩過大等，最常見的是第一種。

2.2.3 刀圈斷裂及崩刃

盾構機掘進過程中往往產生突發的巨大撞擊，導致刀圈崩裂或崩刃，主要由于刀圈的抗沖擊韌性不足。刀圈斷裂導致滾刀無法正常轉動，嚴重時會脫落，掉入土倉，喪失破巖能力。

2.2.4 刀圈卷刃

刀圈卷刃表現形式為刀刃受力發生屈服變形。一種原因是刀圈本身強度較低，易發生變形；另一種原因是刀圈材料的抗回火性能差，隨著刀圈與巖石摩擦產生的高溫，刀圈變軟。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

廣佛東環線龍洞站～大源站區間共計3.4km，項目采用兩臺土壓平衡盾構機進行盾構法隧道施工，刀盤開挖直徑9150mm，刀盤開口率約為35%，采用復合型刀盤，共配置6把中心雙聯滾刀、38把19寸正面滾刀、12把19寸邊緣滾刀及若干把刮刀。

盾構掘進區間穿越地層以中風化、強風化花崗巖和孤石為主，根據地勘報告，隧道埋深較淺段圍巖分為Ⅴ～Ⅵ級，深埋段巖體完整處圍巖分級為Ⅲ～Ⅳ級。花崗巖風化不均勻嚴重，基巖面起伏較大，洞頂及洞身局部分布有孤石，巖石單軸抗壓強度為80～85MPa。以上行線（左線）為例，盾構掘進里程區間為DSK29+885.939～DSK31+940，共計3.36km，具體地質情況如表1所示，中風化花崗巖地段（W2）占比達到24%，軟硬不均段占比達到15.97%，屬于施工難度較大的地質狀況，對滾刀綜合性能的考驗極其嚴峻。

表1 龍大盾構區間上行線地質情況

3.2 滾刀失效統計分析

對龍大區間上行線（左線）的典型地質段進行詳細的換刀數據統計分析，采樣區間里程為DSK29+885.9～DSK31+209.3，共計1323m，共735環，穿越地質主要有W3/W4花崗巖段、W2花崗巖段、和上軟下硬段，其間還存在孤石。換刀統計結果如表2所示。

表2 龍大上行線（左線）部分區間換刀數據統計

由表2可知，失效概率最高的形式為正常磨損和偏磨，分別為35.48%和34.70%；其次為刀圈炸裂或刀圈崩刃，占比為25.45%；其他失效形式主要有刀圈磨尖、刀圈移位、擋圈掉落或刀箱配件損壞等問題，占比較低，僅為4.37%。

正常磨損、刀圈炸裂或崩刃可分別對應刀圈的耐磨性能和刀圈韌性方面的原因，但造成刀圈偏磨的原因較多，經對項目上刀具維修情況進行調研，在統計的25把偏磨失效的滾刀中，有22把內部軸承已被泥漿侵蝕，無法正常轉動，且密封圈已經失效，占比高達88%。因此，基本可認為刀圈偏磨大概率是由密封失效造成的。

3.3 試驗分析

3.3.1 硬度及沖擊韌性檢測分析

對項目上的失效刀圈進行抽查試驗，共8個刀圈，每個刀圈出自不同廠家，失效類型涵蓋刀圈偏磨、正常磨損、刀圈斷裂或崩刃。試驗內容主要包括硬度檢測和韌性檢測，硬度檢測參照GB/T 230.1-2018《金屬洛氏硬度試驗》標準進行測量；由于滾刀刀圈硬度較高，普通缺口拉床無法精準拉出V型或U型缺口，因此本沖擊實驗采用10mm×7mm×55mm無缺口試樣，試驗方法參照GB/T 229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，為減小隨機誤差，每種刀圈進行三次沖擊，取其平均值作為沖擊韌性。試驗結果如表3所示。

表3 刀圈樣品硬度及韌性檢測數據

據表3可知，目前市場上刀圈材料主要以H13鋼為主，不同刀圈硬度和韌性相差較大，結合破壞形式可以分析得出，沖擊韌性較低的刀圈易斷裂或崩刃，但其硬度較高，例如2號刀圈；正常磨損或偏磨的刀圈硬度較低、但其沖擊韌性較好，例如3號、8號刀圈。

經過硬度和沖擊試驗分析，滾刀的整體性能很大程度與刀圈性能存在直接關系，根據沈陽工業大學劉鐸[8]，金屬材料的硬度和耐磨性呈正比關系，硬度越高，其耐磨性能越好。硬度和韌性同時呈反比關系，硬度越高其韌性越差，以目前的H13鋼等刀圈材料，很難做出高硬度和高韌性兼具的性能，因此在硬巖滾刀領域，還有很大提升空間。

3.3.2 刀圈結構優化工程試驗分析

廣佛東環線龍大區間局部地層為高強度的中風化花崗巖，單軸抗壓強度可達85MPa，經過理論分析，決定將滾刀刃口弧度由原來的R6改為了R11，減小刃寬，并增加腰部厚度提升刀圈整體強度，由于刀圈與巖石的接觸面積變小，壓強增大，可使滾刀的破巖效率大幅增加。在硬度較高的地層中，更換優化后的滾刀進行工程試驗，得到結果如表4所示。

表4 工程試驗新舊刀圈磨損對比

由表4可知，在硬度較高的硬巖地質中，將刀圈刃寬減小后的滾刀破巖效率明顯提升，在磨損量基本一致的前提下，多推進了2～3環。因此，在滾刀結構設計方面，若能針對不同地層進行相匹配的優化改進，可明顯提升破巖效率，降低換刀頻率。

4 高性能滾刀研制的關鍵技術

經過項目的換刀數據統計分析，正常過度磨損、偏磨、刀圈斷裂或崩刃是最常見的失效形式。其中，正常過度磨損根據刀圈磨損的快慢評判其性能優劣，若換刀頻繁，說明刀圈硬度較低，耐磨性較差，或刀圈結構與地層狀況不匹配，使其破巖效率較低；刀圈偏磨產生的原因大概率由于滾刀密封失效導致，在高溫的環境中密封圈性能不穩定，導致土倉中的泥水進入滾刀內部，侵蝕軸承，使滾刀無法正常轉動；刀圈斷裂或崩刃主要由于刀圈韌性較差，在頻繁的巖石撞擊下，刀圈易裂紋或崩斷。因此，根據刀圈最常見失效形式的內因分析，提出三點高性能滾刀研制的關鍵技術：

4.1 高耐磨性、高韌性的刀圈研制關鍵技術

該關鍵技術可分兩方面：第一，高性能刀圈材料的研究，具備良好沖擊韌性和良好耐磨性能是提升刀圈壽命的根本，也是研究的重點，在成本合理的前提下，研發出可靠優良的合金鋼是當務之急；第二，研制出使刀圈耐磨和韌性兼具的加工工藝，例如改變熱處理工藝，使刀圈呈現外硬內軟的梯度硬度，或對刀圈表面進行特殊的工藝處理，使其表面附著硬度較高的耐磨材料。

4.2 高穩定性的滾刀密封研制關鍵技術

該技術分為兩方面：第一，改用穩定性較好的密封圈，在高溫、沖擊、灰塵的惡略環境下，依然能保持良好性能的密封圈；第二，改變滾刀密封結構，使滾刀的密封性能更加可靠。

4.3 與地層高度適應的滾刀結構設計關鍵技術

滾刀的破巖效率和刀圈結構有直接關系，不同刀刃寬度、刀刃形狀適應的地層條件也存在差異。刀刃較窄的刀圈破巖效率高，適用于較硬巖層；刀刃較寬的刀圈破巖效率較低，適合磨蝕性高的地層。需根據工程的地質情況設計合適的刀圈結構，才能更好的提升滾刀破巖效率和使用壽命。

5 結論

通過對廣佛東環線地鐵項目的換刀數據統計、刀圈硬度及韌性的試驗檢測分析，得出以下結論：

①滾刀最常見的失效形式為刀圈正常過度磨損、刀圈偏磨、刀圈斷裂或崩刃，在廣佛東環線項目中失效概率分別為35.48%、34.70%、25.45%。

②沖擊韌性較差的刀圈易發生刀圈斷裂、崩刃現象；沖擊韌性較好的刀圈硬度值相對較低；偏磨刀圈大概率由于密封失效導致的軸承破壞所造成。

③刀刃較窄的刀圈破巖效率高，適用于較硬巖層；刀刃較寬的刀圈破巖效率較低，適合磨蝕性高的地層。

④高性能滾刀的研究可圍繞高耐磨性高韌性的刀圈研制關鍵技術、高穩定性的滾刀密封研制關鍵技術和與地層高度適應的滾刀結構設計關鍵技術展開。