土压平衡盾构机刀具配置、维修以及管理探索

王 颖

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

盾构施工中会遇到各种复杂地层，刀具作为土压平衡盾构机的重要构成，直接决定了设备工作效率，因此施工单位只有结合项目情况合理配置刀具，才能确保设备符合项目需求。此外，还要做好设备维修管理工作，以保障设备处于良好工作状态，在保证施工质量的前提下加快施工进度。

1 土压平衡盾构机施工原理

在土压平衡盾构机运行过程中，能够有效平衡施工时地下水压力以及开挖层面的压力，利用土仓内的土压或添加辅助材料进行平衡，避免盾构施工过程中出现土层失水过多导致坍塌引起地表下沉。土压平衡盾构机施工原理如图1 所示。土压平衡盾构机在运行过程中土仓内会产生压力P2，与设备掌子面上的压力P1相平衡。影响P2的因素有土仓内渣土的压力，注入材料产生的压力等。通常情况下，P1相当于水柱压力与土柱压力的总和。

图1 土压平衡盾构机施工原理

2 土压平衡盾构机的刀具配置

根据土压平衡盾构机的使用情况来看，地层不同对于设备刀具的要求也有所不同，通常情况下设备刀盘分为三类，分别为硬岩刀盘、软岩刀盘以及复合刀盘。复合刀盘一般适用于绝大部分地层，本文以复合刀盘为例，探讨有关土压平衡盾构机的刀具配置问题。

常见的复合型土压平衡盾构机刀盘直径6280 mm，刀盘底板厚度550 mm，安装滚刀后直径可达6300 mm，刀盘总重量约为52.5 t。整个刀盘结构采用焊接箱形，以保证设备的强度、刚度。刀盘结构形式通常由6 个面板、6 条辐条构成，所有结构开口尽可能靠近刀盘中心部位，以便施工过程中渣土能够顺利流动。刀盘开口率通常由安装刀具类型决定，以全部安装硬岩刀具为例，开口率通常为28%[1]。

除了以上配置外，在刀盘面板上方还有8 个泡沫入口，主要用来添加膨润土、泡沫剂等物，其中4 个孔分布在刀盘内圈，4 个孔分布在刀盘外圈。注入添加剂后能有效提高渣土流动性，减少恶劣地质环境对刀盘及刀具带来的摩擦。此外，针对软岩土地段，合理使用添加剂还能降低刀盘运行扭矩，防止刀盘运行过程中存在打孔被堵塞以及泥饼现象。在刀盘周边部位设置耐磨条等材料，确保刀盘运行过程中具备良好的耐磨性能。

3 土压平衡盾构机刀具的维修与管理

3.1 土压平衡盾构机常用刀具分类

（1）刮削刀具。在土压平衡盾构机使用过程中，刮削刀具指的是跟随刀盘转动、但不能自转的破岩刀具。刮削刀具类型众多，常见的有先行刀、边缘刮刀、贝壳刀以及齿刀等。

（2）滚动刀具。滚动刀具指的是设备运行过程中刀具随着刀盘运行的同时进行自转。根据刀刃不同可以将其分为盘形滚刀、齿形滚刀等。通常情况下，滚刀结构主要由轴承、刀圈、刀盖等部件构成，确保滚刀顺利运行的关键是内部结构。

3.2 土压平衡盾构机刀具失效形式

3.2.1 刮刀失效形式

（1）正常磨损。施工环境会对刀具的使用带来一定影响，正常磨损属于刀具失效的常见形式之一。

（2）刀刃崩裂。在硬岩地质环境中，如果因为滚刀在使用过程中出现磨损较大现象，刮刀直接与未经滚刀磨损的硬岩接触，极易导致刮刀崩裂。此外，如果在岩层掘进中刮刀转速过快，直接遇到硬岩地质，冲击力会导致刀刃直接崩裂[2]。

（3）刀体断裂。通常情况下刀具强度、韧性都不高，一旦在使用过程中出现进刀过深的现象，将会导致刀体直接断裂，进而影响后续施工的顺利开展。

（4）刮刀掉齿。如果刀具背身为合金材料，使用过程中突然遇到硬岩，将会导致刮刀出现掉齿现象。

3.2.2 滚刀失效形式

（1）刀圈磨损。与刮刀刀具一样，磨损也是滚刀的常见失效形式。非均匀磨损是刀圈磨损的常见形式之一，指的是单圈周边各部位间磨损程度存在差异，主要为多边磨损与单边磨损两种。单边磨损通常由滚刀施工过程中不转导致的，而多边磨损是因为滚刀施工过程中时转时不转导致。出现这一现象的刀具，除了制造本身存在缺陷之外，还与盾构操作以及刀具配置有关[3]。

（2）刀圈崩块、断裂。在土压平衡盾构机运行过程中，掘进时刀具的刃口部位存在开裂、崩块现象，刀圈直接从刀体脱落现象一般与掘进地质条件、刀圈制造质量等因素有关。

（3）轴承密封损坏。轴承作为刀具运行的重要构件，对设备运行以及刀具的消耗都有较大影响。正常情况下，土压平衡盾构机的刀具轴承可以使用900 h 左右，但是由于施工过程中环境因素、人为因素等方面的干扰，导致轴承极易发生滚动体表面剥离、保持架破坏，这些问题通常都与其精度不高、性能不佳有关。

（4）刀体、刀盖浮动密封失效。一旦盾构机运行过程中刀体与刀盖之间的密封失效，将导致泥沙等物进入刀体中，影响轴承的运行。

3.3 刀具维修

刀具的维修管理工作通常包括维修项目的判定，刀具的清理、拆解，部件的更换等。

（1）判定刀具维修项目。在维修刀具之前，首先需要对该构件开展清理工作，结合实际情况进行故障判定，以便后续采取针对性措施进行解决。

（2）更换部件。更换部件是刀具维修的常用手段，如果存在有崩块、断裂、磨损严重等现象，无法满足施工需求，都需要彻底更换，在此过程中，施工人员可以结合地质情况，选择合适规格的刀具、轴承进行安装[4]。

（3）刀具的装配。为了防止刀体、刀盖之间浮动密封失象，保障刀具正常运转，要重视刀具安装工作，从源头上减少设备故障发生率。

首先，刀圈、轴承等热装件要严格控制加热温度，紧固件要严格控制构件紧固力矩，选择刀圈时要满足项目地质的实际要求。

此外，装配过程要以工况为基础，合理调整配件静态扭矩，因为静转矩对于滚刀的应用具有较大影响。滚刀静态扭矩过大，岩土提供的主动转矩不足以使刀具克服滚刀静转力，长此以往，刀圈运行时极有可能不转动，最终导致刀圈偏磨；静态扭矩过小，设备运行中轴承间的游隙太多，导致承受力的轴承内滚子变少，极易使得集中受力的滚子出现崩裂现象[5]。

在装配刀具过程中，如果密封件的尺寸、规格确定后，则刀具的静态扭矩一般是一定的，设备静态扭矩与轴承之间的阻力矩有紧密关联。完成维修工作之后，要对刀具的维修情况进行详细记录，以便后续维修人员维修检验时参考，为设备保持良好运行状态奠定基础。

3.4 刀具管理

（1）刀具管理的重要性。盾构施工过程中刀具管理具有十分重要的意义，科学合理的管理方案对于设备正常运行、保持进度、控制成本起着积极影响。不重视刀具管理工作，将会导致盾构机刀具换刀次数增加，直接影响施工进度，甚至会损坏盾构机刀盘。特别是在硬岩环境下使用刀具时，施工单位更要对此项管理工作进行详细考虑[6]。

（2）刀具管理流程。在管理刀具过程中，首先要对工程项目的整体概况有一个全面的了解，随后制定科学合理的管理计划，对刀具的维修以及磨损量等进行综合分析，在刀具管理流程中环环相扣、缺一不可（图2）。

图2 土压盾构机刀具管理流程

（3）掘进中的刀具管理：①严格把控油缸推力。在土压平衡盾构机运行过程中，如果油缸推力过大将导致刀圈使用过程中受力变大，迫使刀圈断裂。如果油缸推力过小，作用于刀圈上的摩擦力会越来越小，直至刀圈不能有效转动，出现偏磨现象，影响设备正常运行[7]；②控制刀盘转速。对于硬岩地质而言，如果刀盘在使用过程中出现转速过大现象，将导致刀盘经过岩层交界面受到冲击，最终损坏刀具；③控制设备掘进速度。掘进设备运行速度过快，极易导致刀具进刀量过大，造成刀具磨损，影响设备的正常应用。

（4）刀具磨损与统计。对刀具磨损情况进行统计分析有助于提高施工质量与效率。在此过程中，有关部门要在更换刀具后，对某一区域掘进后的磨损量以及情况进行全面、详细的记录[8]。以此为基础探寻刀具的磨损规律，以便后续施工中确定换刀位置，降低刀具故障率。

（5）刀具检查和换刀作业。盾构施工作业需要根据工程项目实际情况，定期、定点对刀具进行全面检查。发现刀具磨损程度不符合项目要求，要立刻停止施工进行换刀。换刀作业危险性较高，要制定合理的开舱作业程序并在换刀过程中严格执行。

4 结语

综上所述，土压平衡盾构机作为隧道施工的重要设备，提高其运行质量与效率，需要从刀具配置、维修管理工作入手，确保掘进工作顺利开展。在此过程中，要充分考虑项目特点，选择合适的刀具规格与型号，以免在后期使用中因地质因素对刀具带来严重损害。此外，装配、管理刀具严格按照流程有序开展，对工程中刀具的损害现象进行统计分析，掌握项目特点及规律，为后续施工活动顺利开展奠定基础。