小断面TBM 施工中的刀具损耗分析

武志鹏，刘素彦

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311100）

0 引言

在TBM掘进施工过程中，由置于刀盘上的盘形滚刀切割岩石，刀具的直径越大，其强岩层负载量就越多，穿透率越好；同样，耐磨性（所谓的自持时间）随着刀具尺寸的增加而增加。刀具的尺寸一般分为19 英寸（483 mm）和17 英寸（432 mm）两种，直径较大（一般大于7 m）的TBM安装19英寸的滚刀，直径较小（一般小于7 m）的TBM 安装17 英寸的滚刀［1］。越南某水电项目由于所选TBM 直径为4.5 m，考虑刀盘上放置滚刀数量问题，选择安装了17英寸的刀具。

图1 刀盘上刀具分布图

刀具为盘形分布，如图1 所示。根据在刀盘的不同位置分为中心刀（双滚刀）、面刀和边刀（单滚刀）［2］。刀具按一定的力学和几何学规律均匀布置在刀盘上，随着刀盘的转动，以刀盘中心为中心被动地进行同心圆转动。这些滚刀在强大的推进力和扭矩作用之下，通过挤压将隧洞岩石切削下来，完成隧洞的开挖工作。

1 刀具基本结构及破岩机理

盘形滚刀技术是TBM的核心技术之一，要求刀具承载力高，耐磨性和红硬性好，并且有很好的冲击韧度。刀具主要由刀圈、刀体、刀轴、轴承、浮动金属环密封、端盖、刀圈轴向挡圈、轴承调整螺母等组成。

单滚刀有1个刀圈和刀体、1对轴承、2 组密封和2 组端盖；双滚刀有2个刀圈和刀体、2 对轴承、4 组密封、3 个端盖（含中间端盖）。

盘形滚刀的破岩形式属于楔入式滚压破碎，刀尖压入岩体。当压力大于岩石的抗压强度时，与刀尖接触部位的岩石被压碎，在刀尖前形成一压碎区。压碎区向外形成的压力，使压碎区的周边产生裂纹，裂纹随压力增加而扩展，直到碴片形成而剥离，完成一个成碴过程。

2 刀具失效形式分析

刀具常见的失效形式有多种，经过对越南某水电项目2 565 m 隧洞段刀具进行失效统计，如图2所示可知，刀具失效形式有正常磨损和非正常磨损，其中非正常磨损有偏磨、挡圈脱落、卷刃或崩刃、其他（漏油、黏连、刀圈断裂、螺栓松动）等［3］。

图2 刀具失效原因统计饼状图

2.1 正常磨损

正常磨损是刀具的主要失效形式［4］。正常磨损只体现在刀圈的磨损上，每一把刀圈的最大磨损量是有规定的，达到规定的磨损值后必须更换刀圈。如在本项目中，1#～20#刀座上刀具的最大磨损量为30 mm；21#～24#刀座上刀圈的最大磨损量为25 mm；25#～28#刀座上刀具的最大磨损量为19 mm；29#～30#刀座上刀具的最大磨损量为12 mm。

2.2 偏磨

偏磨即非均匀磨损，刀圈不能在沿刀轴转动而使得刀圈顶面的某一段圆周固定地与岩面摩擦。刀具偏磨的原因有两个，一是掘进过程中粉尘影响导致轴承失效卡滞；二是刀具的启动扭矩过大，在软岩条件下掘进时会造成刀具转动性能偏低而出现多边形磨损。

2.3 挡圈断裂或滑脱

挡圈断裂或滑脱主要是由于挡圈焊接不牢，以及刀具在组装过程时安装不太到位所致。另外，在TBM掘进时，当刀盘的转速过大也可能造成这种现象的发生。

2.4 卷刃或蹦刃

卷刃或蹦刃说明刀圈的红硬性和冲击韧性不达标（如在硬岩环境中掘进施工时，刀具的材质较软极易出现卷刃现象），属于刀圈生产质量问题。

3 刀具失效原因分析

刀具磨损的主要部位是刀圈，刀体部分（刀轴、刀体、端盖）一般不容易发生损坏，轻微损伤经修复后可重复使用多次，正常情况下轴承寿命一般约1 000 h，刀体壳则可以重复使用4～5 次。刀圈要求耐磨，一般含铬、锰、钒、钼等稀有元素的合金钢材制造，既有合适的硬度，又有一定的韧性［5］。

刀具失效的原因有很多，如刀具质量、刀盘异常摆动、掌子面环境、温度等原因，不同的原因会造成不同的失效形式。

3.1 刀具的材质、制造工艺原因

刀具的材质和制造工艺主要体现在刀圈的红硬性和冲击韧性不达标问题。刀圈的红硬性和冲击韧性不达标分为过高和过低两种情况，过高会造成刀圈崩刃失效，过低则会造成刀圈卷刃失效。不同品牌的刀具质量和制造工艺有很大的差异。通过对比使用，进口的原装刀具刀圈耐磨性和冲击韧性较好，能适应复杂地质及长距离掘进。

3.2 刀具装配工艺影响

刀具装配质量差主要是造成刀具偏磨问题，如在装配过程中对挡圈的固定焊点质量差或焊点数量不足，则会造成挡圈断裂或滑脱问题；刀圈和刀体之间的加热装配时过盈配合不足，在滚刀切割岩石过程中会存在刀圈打滑现象而造成刀圈偏磨；刀具圆锥滚子轴承采用预紧装配扭矩偏小，同样会存在刀圈打滑现象而造成刀圈偏磨；预紧装配扭矩偏大则会造成刀具转动性能偏低而出现磨损；刀具装配时密封性能差会出现漏油造成轴承损坏，进而刀圈卡滞偏磨，严重时整个刀具整体偏磨失效。

3.3 刀盘异常摆动影响

刀盘异常摆动主要是由于掘进过程中，调向幅度过大或刀盘自身重量分布不均等原因造成。当刀盘发生异常摆动后，刀盘的转动中心与洞壁的中心不重合，这时边刀就要在刀盘偏离的方向切入洞壁。这种偏离在进步过程中产生，偏移量越大，变刀切入洞壁的深度越大，在这种情况下，边刀偏磨概率明显增大。

3.4 围岩条件影响

刀具损耗与所开挖围岩的硬度、岩石矿物成分及围岩条件变化情况密切相关。围岩单轴抗压强度较大以及围岩成分中含有较多石英等坚硬物质时，刀具与岩石之间冲击破碎、剪切碾压作用力加剧，导致刀具刀圈磨损量加大［6］，这类情况多产生刀圈的正常磨损，但磨损量加大，导致刀具失效，掘进速度缓慢。在围岩出现大断层、破碎带，以及连续出现塌落、掌子面围岩破碎等情况时，刀具局部过载严重，极易造成刀圈断裂、密封失效、轴承损坏、挡圈断裂等形式的刀具失效［7］。

3.5 刀盘部位环境影响

刀盘部位环境差主要体现在风路流通不畅，导致掘进时刀具和刀盘温度过高，直接导致刀具密封性能变差，出现漏油、轴承失效，进而出现刀具偏磨、黏连等情况，加剧刀具的损坏。同时由于刀盘刀具损坏现象突出，换刀频繁，远远超出了预期设计，换刀时间甚至超过整个工作时间的22%；另受刀盘部位新鲜风不足影响，刀盘内无法获得足够的氧气和适宜的温度，刀盘旋转平面形成热屏障，换刀员工的工作效率大大降低，严重制约了工作效率。

4 减少刀具消耗措施

在TBM施工过程中，刀具的正常磨损是不可避免的，对TBM刀具失效管理工作的重点是刀具的非正常磨损失效。减少刀具消耗应从以下几方面着手。

4.1 提高刀具装配质量

在道具装配过程中，轴承的预紧力矩、润滑和密封、螺栓固定扭矩、挡圈点焊等严格按照装配工艺实施，同时对刀圈的机械性能进行严格检查，必要时进行金相组织检查、无损探伤、硬度测试等［8］。

4.2 强制执行刀盘的日常检修制度，制定合理的换刀计划

刀具必须每天进行检查、测量，当边刀刀圈磨损量达到10～15 mm时，就需要进行更换；面刀和中心刀刀圈磨损量达到20～25 mm 时，就需要进行更换。针对TBM 施工计划及隧洞环境条件，并结合刀具使用寿命，有计划地进行停机检查刀盘和更换刀具，防止刀具长期处于非正常状态工作［9］。

4.3 选择合理的操作参数

TBM掘进过程中，选择合理的操作参数，尽量保持刀盘的稳定性，各位置的支撑必须紧贴墙壁，上支撑必须与隧道冠体接触并锁死；操作者一定要小心地控制刀盘扭矩［10］。当刀盘扭矩上升时，查明原因后作出应对措施，比如可能是底层变软或者贯入度增加，或是刀具磨损量偏大导致贯入度减小。当刀盘扭矩增加或者贯入度减小，必须立马检查刀盘上损坏的刀具。

4.4 加强刀盘维护

每天对TBM刀盘进行清理，重点清理依附在刀具和铲斗齿上的岩渣、块石等，防止依附在刀具上的岩渣对刀具造成二次磨损或出现卡刀、岩粉损坏密封等问题，造成刀具磨损及非正常损坏。

4.5 重视围岩类别变化

TBM掘进过程中多关注围岩类别的变化，根据开挖出渣情况的变化，合理分析判断掌子面正在开挖的岩石类别、硬度变化、破碎情况等，并据此调节掘进速度、刀盘推理以及刀盘喷水等，必要时停机查看。

4.6 减少掘进中刀具的事故性损坏

由于TBM设备操作调向过大、不均匀地质段推进过快等原因造成的刀具意外损坏情况为数不少，这时损坏的刀具往往不是一把，而是多把，一般都很严重，难以修复，影响大。必须改进操作和改善施工组织与管理，减少这些事故性的损坏和造成的损失。

4.7 减少刀体、刀盖、刀轴等大件消耗

刀体、刀盖、刀轴等大件造价高，使用中往往发生变形和磨损，能否继续使用，较难判定。必须制定正确的检测方法和检定标准，并要用校正、刷镀等方法进行恢复性修理，减少这些零件的消耗。

5 结束语

在TBM施工过程中，刀具的性能直接影响TBM 的掘进效率和施工成本。加强刀具的使用、检查、更换、修复、操作参数、围岩条件及其他影响因素等多角度分析总结刀具失效原因，提高刀具利用率、减少刀具消耗，对降低施工成本、提高掘进效率有很重要的意义。