影响盾构机滚刀使用寿命的因素分析

任 燕

(中铁十二局集团第二工程有限公司，山西太原 030032)

广深港客运专线狮子洋隧道位于东涌站—虎门站区间。线路出东涌站后，自沙公堡起，以隧道下穿小虎沥、小虎岛、沙仔沥、沙仔岛、八塘尾水道、狮子洋水道、虎门港沙田港区6号泊位、规划虎门港的监管保税仓库及沿江高速公路后出地面。

隧道全长10 800 m，是目前国内隧道最长、标准最高的水底隧道，同时也是世界上速度目标值最高的水底隧道，是广深港客运专线的控制性工程。盾构隧道从上到下地层依次为:人工填土层、海陆交互相沉积层(粉质粘土层、淤泥层、淤泥质土层、粉土层、粉细砂层、中砂层、粗砂层、砾石卵石层)、冲积层(粘性土层、淤泥质土层、粉细砂层、中砂层、粗砾砂层、砾石卵石层)、残积土层、基岩(全风化岩层、强风化岩层、弱风化岩层)。

2008年2月8日我部盾构掘进正式始发，至今已有1.5年时间。期间我们通过不懈努力针对狮子洋隧道的地质变化，摸索出专门应对不同地质变化的刀具调整及使用经验。截至2009年8月31日，盾构掘进已过半，根据地质报告并结合我部现阶段施工特点，复杂地质情况已全部顺利通过，剩余部分均为全断面岩层且岩层较软，中间夹杂有少量破碎带，地质情况相对比较稳定非常有利于盾构掘进。在全断面岩层中施工风险大大降低，换刀频率也随之降低。由于地质情况复杂刀具的用量远远超出设计数量，根据当前地质情况分析刀具的消耗已成为最大的必需消耗品之一。其中刀具磨损主要集中在上软下硬、复合地层、全断面风化泥质粉砂岩这三种地层。

根据施工经验影响盾构刀具使用寿命的主要因素有以下8点:

第1点:刀具与地质不相适应。

在刀盘设计过程中对地质情况不完全了解或完全脱节，引起刀具分布/配置不合理(如:破岩能力差、刀盘/刀具偏磨、频繁换刀、刀盘/刀座变形等)。在施工中主要表现为掘进困难，刀盘变形、磨损盾壳、刀具磨损严重影响工程进度，增加施工风险和成本。

在现阶段施工过程中与地质不相适应的主要是指滚刀破岩能力差引起的推进困难、推进扭矩大。刀具破岩能力的强弱由刀圈的强度和刃口形状决定(刃口有圆弧形和方口形两种，刀圈分为普通刀圈和重形刀圈)。

充分证明更换新刀圈之后掘进比较困难，因为刀圈刃口只有磨损后才能达到最佳破岩状态。

由此可见方口形刀圈的刃口要磨损与圆弧形刀圈磨损成相比较困难，所以在现该地层圆弧形刀圈更有利于破岩。

第2点:偏磨位置刀具的正确安装。

刀具偏磨是盾构掘进中常见的磨损形式之一，偏磨的形式有单边磨、多边磨两种，其中影响刀具安装的主要是单边磨。单边磨损过的刀具，在开挖面刀具轨迹线位置会出现一条圆弧凸出部分(见图1)。

图1 偏磨刀具

当换装新刀时，新刀安装位置已被开挖面凸出部分占据，此时所安装刀具只能施加外力将刀圈挤压到开挖面内，这样新刀才能安装在刀盘(见图2)。

图2 新刀安装示意图

在刀盘转动时刀圈上主要受力有F1挤压力、F2圆周力、因挤压力而产生的与圆周力F2反向的摩擦阻力。当新刀装好后刀盘转动时必须要克服摩擦阻力，圆周力F2也会随之增大。真正作用在刀圈上的力是以上各个分力的合成(即最大合力F3)，当F3大于刀圈强度时，刀圈就会出现断裂。

因此偏磨刀具的正确安装方法应该是分步骤逐步换装，磨损程度不同的两种以上刀具，将挖开面的凸出部分依次逐渐切削至与其他切削面相同高度。此时才能对偏磨刀具进行更换，否则新刀在安装过程中刀圈断裂的现象也会成倍增加。

第3点:产生安装变形、内应力。

在刀具装配过程中最易产生内应力的地方是刀圈装配时，因为刀圈与刀毂配合时要求过盈量在0.2 mm左右，在装配前需要对刀圈进行加热到190℃，但是加热温度不能超过230℃(达到这个温度时就会影响热处理工艺)，保温90 min以上。刀圈膨胀后就可以顺利地装入刀毂。

刀圈装配产生的内应力主要是由于加热温度不到位、保温时间不够、装配不及时造成的冷变形不均匀收缩等产生的内应力。这种应力的产生主要集中表现在已修复刀具在吊装运输过程中，外部冲击力作用下刀圈断裂，以及在高温天气条件下对新修复刀圈保管不到位，在广州地区高温直射且多雨的天气里，刀圈热膨胀引起内应力变化，雨水突然降落此时已修复刀具的刀圈会炸裂。因此解决这类问题严格控制安装工序和主要参数指标，做好刀具保管存放。

第4点:浮动密封的静、动态调试。

滚刀浮动密封主要功用是隔离刀体内部与外界环境，一套浮动密封由上下相同的两部分组成，滚刀转动时浮动密封一侧固定，别一侧随刀圈的转动而转动。浮动密封的质量性能要求非常高，在浮动密封不能正常工作或者是不能保压时，浮动密封性能一受到影响，此时刀体内部必定会有泥浆进入，泥浆进入刀体内时刀具轴承必定会全部损坏因而导致刀圈无法转动，从而引发刀具偏磨现象，更严重时会发刀圈断裂、偏磨刀毂、以及磨损刀盘的严重后果。

以上所述问题均由浮动密封安装不到位、安装清洁度不够、密封质量问题引起。要解决此类问题关键是对已装配刀具进行动、静态保压试验。

在刀具调试过程中，第一步进行静态调试其主要内容是在上端盖注油口处，增加一个气管密封装置和压力表一个，接入气源保证气压在8 bar时保压60 min，来检验浮动密封在静止状态下的密封性。浮动密封的动态调试要根据不同安装位置而定，并且与刀具的轨迹线有直接关系，由于每一把刀具在刀盘上的安装位置不同，不但导致每一把刀的运动轨迹不同，且每一把刀转动时的线速度也不同，也就是说刀盘每转一圈刀盘外圈位置的刀具工作量最大、中心位置最小。

为了便于刀具的检测试验，要求对所有刀具按照最大工作量进行动态调试。以开挖面最大直径11.182 m、刀盘以每分2.5转计算得出总长度为87.77 m、刀圈周长1.35 m、测试刀具每分钟转数为65转。动态测试就是在刀圈以每分钟65转时，压力达到8 bar并保压30 min，只要满足这个要求动态测试才算合格。

影响浮动密封的因素很多，例如:

1)灰层对密封平面影响。2)在安装时工人随手用柴油与密封胶圈接触，它对胶圈有腐蚀性，破坏密封性。3)密封平面没成套使用，因为同一套密封中的两个钢圈密封平面，是在同一台精密磨床上，同时成形的。4)密封钢圈取出后要密封面向上，水平放置不能有任何磕碰。

第5点:启动扭矩调试。

刀具调试中启动扭矩不是一个常数，不同的安装位置、不同的地质情况的扭矩都各有不同。在刀具调试中扭矩大小是最重要的参数，它是将单纯的机械装配与盾构地质情况相结合，以保障盾构顺利掘进。根据前期经验总结和相同地质条件下的其他在建工程证明，如果刀具启动扭矩与地层不相适应，刀具磨损量是正常情况的3倍以上。

根据现阶段我工地地质条件的特点，每次换刀后都要仔细观察刀具的磨损部位、磨损情况并详细统计记录。针对出碴情况与刀具磨损情况对刀具进行调整，通过2次～3次的调整后就可以全面掌握该种地质情况下刀具启动扭矩应该设多大为宜。

通过多次对扭矩的调整，实践中充分证实在全断泥质粉砂岩、岩层抗强度在40 MPa～60 MPa且石英含量不高时，刀具启动扭矩24 n/m是最佳的。

启动扭矩的调试对于任何一个工程而言都是不一样的，不能一概而论给它下一个定值，根据施工经验一般地质只能在20 n/m～30 n/m之间进行调试，调试过程中调整幅度不宜过大(每次应控制在1 n/m～2 n/m)。影响启动扭矩的外界因素还有很多，例如:刀具随意堆放，没有作防雨措施或防雨措施不完善，雨水通过上下端盖和刀毂的间隙，渗入刀体就会引刀毂内部生锈及污染润滑油等都会影响刀具的不正常磨损及整个刀体损坏。

第6点:活塞损坏。

活塞是大埋深地质隧道中专用刀具的一种特殊部件，它是一个压力平衡装置。在盾构掘进时开挖面切口水压不断地波动，活塞杆(图3中序号5)在刀具所处位置水压力的作用下活塞杆在活塞腔内往复运动，活塞腔内的气体不断地被压缩和释放从而达到与外界压力平衡。

图3 活塞杆示意图

当在活塞杆正常工作时，可以有效地解决刀具破岩时，由岩层反作用力造成的刀体变形，从而提高刀具的使用寿命。活塞有三种损坏情况:活塞缸磨损、活塞不能移动、漏气，这些情况都是影响压力平衡的核心因素。压力不平衡最易造成刀具变形、扭曲等情况。

第7点:焊接卡环。

焊接卡环是滚刀装配的最后一道工序，该工序直接影响着刀圈的力学性能和使用寿命。由于卡环焊接不当在刀具运输、吊装过程中最易发生刀圈断裂，其断裂的原因是:

1)卡环安装位置错误。卡环安装位置错误是指卡环被切割(切成两段便于安装)后，卡环没有完全放入卡槽内。卡环与卡槽之间存在有间隙，当刀具掘进转动时卡环逐渐被磨损，导致卡圈脱落、刀圈移位。

2)焊接电弧对刀圈的破坏。当卡环正确安装后要对卡环进行焊接固定，由于现场操作不规范，部分工人责任心不强，经常发生卡环焊接时忘记装填充料。填充料虽然小但是对刀具的影响却是非常大。

填充料的作用主要是隔离刀圈，避免焊接电弧(焊接电弧可达10 000℃)与刀圈直接接触造成的热工艺、力学特性、化学特性、金属表层晶相组织的变化。因此在没有填充料填充时直接进行焊接的刀具在焊接点处最容易出现刀圈断裂。

其正确的焊接方法是:采用3 mm厚的紫铜板作为填充料填满卡槽间隙将刀圈与焊材隔离，然后用不锈钢焊条(φ2.5)均匀堆满整个卡槽缺口。

第8点:优质润滑油(220号齿轮油)。

刀具润滑油的特性主要是指抗磨损性以及刀具内部产生高温积聚对润滑性能的影响(油脂的变质)。

高温引起油脂变质是刀具在掘进转动时随着刀具分布位置及工作量的不同、启动扭矩的变化、隧道埋深压力的变化都会引起刀具内部温度的变化。

其中特别是边缘滚刀的线速度最大，其工作量是中间部位滚刀的10倍以上，岩层对边缘刀的冲击性也最大，隧道埋深大、压力也随之增加。因此对刀具润滑的要求也越高，当温度长期处于高温状态工作时油脂发生变质，丧失润滑、散热能力，引起刀具轴承非正常磨损，进而出现刀具偏磨损等现象。

以上8点是决定刀具使用寿命的主要因素，在刀具设计配置、安装使用和刀具维修时只要严格按照上述内容操作，刀具的装配质量、使用寿命都会有大幅提高，对项目降低生产成本，提高生产效率有着重大意义，同时也为我单位在盾构刀具领域积累了大量的实践经验。