盾构机掘进中刀具损坏及维修措施探讨

2020-12-22张若飞

设备管理与维修 2020年22期

张若飞

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

盾构机作为隧道掘进的专用机械设备，掘进作业中需要结合不同地质条件选择刀具。遭遇硬岩地段，容易发生刀具损坏问题，还要结合损坏情况采取科学维修措施，确保盾构施工顺利开展。因此，对盾构机掘进中刀具损坏及维修措施展开研究，为隧道施工提供专业技术保障。

1 盾构机刀具选择

在盾构机掘进过程中，刀具作为重要部件，要根据地质、地形等条件进行选择，保证刀具质量和性能符合施工要求。根据盾构机工作原理可知，刀具对岩石进行破除时分为切削和滚压两种方式，滚压破岩方式，是利用滚刀在岩石上旋转施加剪切力和冲击力，促使岩石被压碎和碾碎，适用于硬土、砂砾丰富和岩石多的地段[1]。切削方式是利用刮刀等切削刀具沿着运动轨迹对岩石进行切削，适用于砂层、土层和软质地岩石地段。结合岩石硬度、地层条件等因素，对硬岩土层开挖时通常选用滚刀，开挖砂质地层通常选用切刀，配合采用边缘刮刀能减少刀具的磨耗。合理选择刀具，才能保证盾构机发挥最大效能。

而在盾构机掘进过程中，刀具或多或少将发生磨损，遭遇不同地形条件会造成刀具发生不同程度的损坏，必要时应更换刀具，保证刀具锋锐度，继而使掘进施工在规定时间内完成。

2 盾构机掘进中刀具损坏形式

2.1 刮刀损坏形式

在盾构机掘进期间，刮刀常常用于对其他刀具进行保护，因此经常出现失效，影响掘进效率。正常使用情况下，盾构机向前推力将通过刀盘施加到地层，使得刀具磨损呈由内向外趋势。而刀具拥有相同公转角速度，所在半径不同使得各刀具线速度存在差异，外部刀具行程多，切削任务量大，磨损速度也随之提升。边刀位置刀尖距密，分配给各刀具的破岩量相对少一些，磨损速率有所下降。但在硬质岩层，刮刀直接在岩层上作用，刀具硬度小于岩层硬度将发生崩裂。即便刀具硬度足够，掘进转速过快也将给刀刃带来严重冲击，造成刮刀断裂。此外，刮刀的刀齿通常采取焊接方式与刀盘连接，焊接不合格容易发生掉齿现象。

2.2 滚刀损坏形式

滚刀多适用于硬岩石地段，因此常常发生损坏情况。正常掘进过程中，滚刀无法转动将出现单边磨损，时转时停会出现多边磨损。岩体过硬，刀圈受到较大振动，可能导致刀体脱落、刀圈断裂。滚刀通常硬度较大，除了刀具发生损坏，也有可能出现轴承与密封装置损坏问题。在刀具系统中，轴承要保证刀具可靠、安全运行，正常使用寿命在900 h 以上，但施工中常常出现超负荷状况，导致轴承提前损坏[2]。

刀体和刀盖之间存在浮动密封，掘进期间可能发生损坏，导致刀具漏油，泥沙进入刀体，最终导致系统失效。此外，利用滚刀切削硬土，开挖面容易形成“砂轮效应”，切削热量在刀盘面板上聚集，形成高热区，使刀箱中的渣土快速固结成泥饼，最终导致滚刀无法自转。

3 盾构机掘进中刀具的维修措施

3.1 刀具检查

结合刀具损坏形式可知，刀具失效与刀具自身质量、装配质量、使用工况等因素有关，因此在盾构施工期间需要定期检查。为防止刀具过度劳损，可以根据刀具磨损量推测刀具是否处于有效使用状态，合理安排刀具检查和更换工作。实际施工中，盾构机刀具发生较大损耗时，总推力不变的条件下掘进速度将下降、扭矩增加，因此可以结合掘进参数对刀具状况进行判断：

式中，v 是盾构机推进速度，n 是刀具转速，k1为常数，W0和T0是掘进摩擦力和扭矩，W1和T1是总推力和总扭矩。

对刀具进行检查，首先要完成刀盘磨损情况记录，判断主轴承油脂状态能否达到要求，并做好操作面板和轴承支柱检查，保证不存在开裂、变形等问题。检查刀具时，要先确认刀具与刀盘的连接、固定螺丝等零件完好，挡圈无明显移位，整体连接牢固。确认刀圈完好后计算磨损数值，确定是否需要更换刀具。如更换滚刀，正滚刀最大磨损数值通常为25 mm，边滚刀20 mm，超出数值需要立即更换。在强化盾构机掘进效果的同时，降低刀具损坏的概率，延长刀具的使用寿命。

3.2 更换管理

更换刀具具有一定的危险性，应加强更换过程管理。更换前，首先要确认更换刀具的基本参数适用于工程地质条件，提高刀具的使用能力，为可靠施工提供保障。更换的刀具应为批量产品，通过批量更换控制换刀次数，使人员安全得到最大限度地保障。掘进质地硬的岩石时，由于地壳稳定，可以进行无压力换刀。提前做好技术交底，制定具体换刀计划，根据特殊部位磨损程度提出科学换刀方案，确定最佳开仓位置和做好材料准备，能够使刀具更换重点得到把控[3]。为保证换刀迅速，还应提前准备风动扳手、吊机等辅助设施与材料，并做好盾构机整体性能检查和调试，确保作业环境良好。负责换刀的人员应经过专业培训，能够熟练进行换刀操作，掌握刀具操作规范和维修养护技能，并能应对突发状况。考虑到换刀操作的危险系数较高，应制定应急预案和建立应急小组，使意外得到有效控制。此外，应建立开仓审批流程，由土木、机电等多专业联合确认，进一步提高刀具更换操作的安全性。

在实际更换刀具时，应先确定参照物位置，从而判断最佳旋转角度。必要时可以利用仿真模型和传感装置测量旋转角度，提高刀具更换位置的精准度。禁止在刀盘开口与土仓口重叠时换刀，以免人员受伤。按照刀具更换步骤，要先清理刀盘。在开仓口，可以利用设备向内部输送7 min 高压风，降低刀盘温度，并增加内部环境氧气值。用水冲洗刀盘，然后对刀片位置进行更换。利用螺旋输送设备在主轴承下放置碴，然后对刀具进行检查，确认拆除后，利用大功率风动扳手将刀盘上的螺丝钉拆除，将刀具送至回碴仓。

操作过程中，应控制割枪内氧气和乙炔流量，保证各项操作符合规范，以免底座、刀具螺栓孔出现损伤。对刀具进行重组，应保证各零件干燥、整洁，表面无水珠，以免发生锈蚀。针对遭到损伤的接触面，应进行打磨和修复。在更换过程中，应注意做好刀具检查，保证位置居中，更换后对所用工具进行检查，避免遗忘在仓内，导致设备受损。此外，需要完成刀具更换过程的详细记录，为后续更换和维修刀具提供依据。

3.3 维修关键

刀具维修阶段应正确安装刀圈。目前，刀圈多采用硬度和变形能力较好的钢制品，原材料中包含镍、钴、铁等合金元素，以提高刀圈的耐磨性。结合刀具大小，应进行适当内径刀圈的匹配安装。刀圈多采用热装方式，利用工业烤箱加热至2000 ℃左右，使刀圈保持良好延展性，加热2 h 后在正确位置套装。其次，要重视轴承检查和预紧度调整工作。轴承可以发挥调整设备受力方向的作用，通常采用以径向受力为主的圆锥滚子轴承，故障主要由外部环境腐蚀、刀具密封失效引发[4]。在掘进参数不准的情况下，轴承将发生破裂，还要通过调整轴承间隔圈厚度保证刀具启动力矩与回转力矩符合规范。最后，刀具安装还应做好气密性和密封性检查。在密封条件下进行刀具安装，应保证密封表面满足光洁度、平整度控制要求。针对动密封，安装前应进行清洁和研磨。完成刀具维修后，需要在刀体中注入一定量压缩气体，确认气压在一定时间内维持正常数值，进而保证刀具气密性符合要求。

4 盾构机掘进中刀具损坏维修实践

4.1 工程概况

某高铁工程施工期间采用盾构机掘进，但盾构区间地质构造、水文条件复杂，给盾构施工带来了较大困难。工程地层顶端为砂层，土质均匀性较差，纵向分布软硬变化段，底部为微风化和中风化灰岩和泥岩。

4.2 刀具配置

结合工程地质情况，按照常规硬岩复合刀盘进行始发刀盘配置，采用16Mn 材料，厚度达到750 mm，可以对复合地层产生大推力和偏心受压。刀盘面板上焊接Hardox 耐磨格栅，增强刀盘耐磨性能。采用的主切削刀具为全断面硬岩滚刀，包含双刃滚刀、单刃滚刀、固定壳刀、小刮刀、大刮刀和贝克刀。搭配耐冲击软合金刮刀和边缘铲刀，减轻硬岩对辅助刀具的冲击。

4.3 损坏分析

前期盾构施工共完成12 次换刀作业，累计更换滚刀99 把、刮刀40 把。结合刀具检查和更换记录可知，刀具在不同岩性地层磨损和损坏形式存在较大差异，整体正常磨损较小，但多次发生断裂脱落情况。在对中风化岩石进行破碎时，滚刀磨损较快。由于岩块具有粘结性，掘进期间挤压至刀刃两侧，造成刀刃磨耗严重，出现磨尖现象。在泥岩中掘进时，刀盘表面被泥团和岩块附着，形成严重泥饼。在微风化和中风化交界面掘进时，多次遭遇孤石，导致滚刀出现断裂、崩缺。从泥岩向灰岩掘进时，滚刀频繁出现轴承散架，导致整刀卡死。在岩体切削期间，刮刀与滚刀高差较小，时常因受力过大而脱落。

4.4 维修措施

通过综合分析发现，无论在哪种地层，20 mm 标准刀和26 mm宽刃刀均频繁发生断裂情况，而镶合金滚刀表现出较强的耐冲击性，未出现断裂，因此滚刀全部采用镶合金刀圈。针对外圈滚刀卡死问题，需要增加刀圈外圈直径，同时为避免超挖，在最外缘刀箱位置安装刀具，有效应对筒体变形情况。考虑到泥饼形成容易导致刀具受损，需适当增加刀盘开口率，保证两侧渣土顺利排出。结合这一目标，去除正面中心区的小刮刀，并对贝克刀进行焊接，在有效避免刀具脱落的同时，降低泥饼形成风险。面板两侧刮刀还应对刀座进行加固，在辐条上对刮刀背面焊接保护挡块，增大刀座支撑力。用高强度螺栓连接边缘刀具与刀座，同时对刀具四周和刀座接触位置进行满焊连接，防止刀具脱落。此外，为提高轴承抗冲击性能，在不改变滚刀安装尺寸的基础上，调整刀具内部结构，将轻型轴承改装为重型，提高结构承载力，解决轴承散架问题。