盾构机掘进中刀具损坏及维修措施探讨

张义敬 山东易斯特工程工具有限公司

一、盾构刀具分类

1.滚动刀具。滚动刀具是一种破岩刀具，主要有随刀盘转动和沿着自身轴线转动两种切削方式。目前盾构机的滚刀主要是盘形滚刀，盘形滚刀可以分为单刃、双刃和多刃。滚刀的结构主要由刀圈、刀轴、刀体、端盖以及浮动密封等组成，按照刀圈外径规格的不同可以分为为12″、15.5″、17″及19″等系列。滚刀在破岩时主要可以分为挤压阶段、起裂阶段和破碎阶段三个阶段。①挤压阶段。滚刀在较大推力作用下将会切入岩石表面，岩石表面将会产生较高的接触应力和局部变形。在应力作用下，岩石与刀刃接触部位将会产生粉碎区如图1所示，且破岩的效率与应力核心区域范围、深度成正相关关系。②起裂阶段。当岩体抗拉强度小于应力核心区周边应力时，将会产生张拉裂纹。应力过渡区存在于应力核心区下方，应力在过渡区将会逐渐减弱。主裂纹产生于刀刃正下方，其裂纹方向与破岩方向一致。③破碎阶段。当相邻滚刀切削岩体产生裂纹连通时，将会把表面岩体部分分割，形成破碎块并从开挖面脱离出来。

2.切削刀具。切削刀是盾构机切削开挖面土体的主要刀具，其切削原理是盾构机在推进力作用下向前运动，刀具随着刀盘转动将会对土层产生径向的切削力和轴向剪切力，使得开挖面的土体被切削下来。切削刀具一般形状示意图如图2所示，其中后角α和前角β一般为5°～20°，刀具角度在不同地层下是不同的，其中砂卵石地层稍小，黏土层稍大。对于软土层或经过滚刀破碎的渣土，将会通过刮刀和切刀正面进入渣槽，刮刀和切刀可以起到很好的切削与运输作用。

二、盾构机刀具损坏及失效因素分析

1.滚刀失效。滚刀工作时，来自于岩石的反作用力作用于刀轴，此时若刀轴刚度不足，将引起刀具不再是垂直于加工面，从而导致刀具左右工作面偏磨。材质不良也会导致滚刀失效，失效主要表现为滚刀磨损、崩断、卷边等。当岩石硬度较高时，滚刀会受到较大冲击载荷，此时若滚刀韧性不足则会产生崩断现象。在这种情况下，如果滚刀的硬度不足则会产生卷边现象。刀具制造过程中的残余应力、加工精度、装配精度等，也会对刀具性能产生较大影响。若滚刀残余应力超过允许值，将会使其产生裂纹甚至崩断。若滚刀加工精度和装配精度不足，将会导致其使用时产生偏磨。在硬度过高的岩石层，若选用硬度过低的滚刀，将会造成滚刀卷边；若选用硬度过高而韧性过低的滚刀，将会造成滚刀崩断。

2.切刀失效。切刀的失效主要是磨损、断裂和合金脱落。磨损属于不可避免的失效，是切刀正常工作时使用寿命的标志。切刀在切削时，遇到硬度过高的岩石，会产生反作用力或冲击载荷。若冲击载荷达到了切刀的应力极限，便会造成切刀断裂。切刀在制造时，内部产生较大残余应力，组织不均匀并存在气孔、夹渣、微裂纹等缺陷，是切刀失效的主要原因。合金脱落主要是切刀刀体对硬质合金的把持力不足，属于切刀结构不合理的因素。

三、盾构机掘进中刀具维修要点

1.刀具检查。一方面，工作人员要先检查刀盘的磨损程度，观察刀具的轴承与密封处是否可以继续工作，避免刀盘的面板、支柱以及辐条出现裂缝、缺口、变形等问题。另外一方面，施工人员要检验刀具，查看其是否结实耐用、在刀盘上是否稳定，发现刀具不稳固的情况时要检查螺丝是否出现松动、脱落以及损坏情况，如果损坏要及时维修，当无法维修时可以直接更换。

2.刀具结构的改进。对刀具结构改进主要有2种：一是将刀圈改为硬度梯度结构，二是刀毂采用新型结构。硬度梯度结构刀圈的刀具，刀圈硬度呈梯度分布，刃口硬度高，芯部韧性好，刀圈具备良好的耐磨性能和耐冲击性能。新型刀毂结构的刀具，刀毂盖住端盖，能有效保护端盖，可阻止渣土进入刀具内部，避免轴承失效或润滑失效。

3.刀具更换。（1）刀盘转角的确定。维修人员更换刀具时，要先确认刀盘转角的具体位置，不能让刀盘的开口处正对土压仓口，保护工作人员的安全。工作人员可以在刀盘的附近设置参照物，以此确定刀盘位置，也可以使用专业的传感器进行定位，减少人为判断的误差。（2）刀盘清理。当外界的碎石、灰尘、泥沙进入刀盘之后，刀盘的工作效率降低，此时，维修人员需要对刀盘进行清理。刀盘的刀位区域应当在低氧与有氧的环境下进行清理，保证刀盘的整洁。（3）刀具拆除。修理刀盘时，应当拆除已经损坏的刀具。在刀盘清理结束之后，维修人员应运用风动扳手拆除刀具的螺栓，拆除损坏刀具之后再将其送到碴仓之外，而刀具的螺丝帽则可以用割枪进行清除。螺栓帽出现问题时，工作人员需要降低割枪的氧气同时减少乙炔流量，避免温度过高毁坏刀座的螺栓部分。（4）刀具安装。工作人员在用新刀具替换已损坏的刀具时，要保证新道具的清洁干净，刀具上不能有水珠，避免潮湿导致刀具生锈。使用割除法时可能会造成刀具损坏，此时维修人员应当对损坏部分进行打磨，修复其破损部分。

4.盾构刀盘转速控制。在后续地层段掘进时将刀盘转速严格控制在1r/min，防止刀盘转速过快，造成刀盘结构应力过大，引起损坏。另外，刀盘转速过快将造成刀具磨刀效应，引起刀具磨损。刀盘适当的转速有利于刀具单次切削贯入度控制，对刀具磨损控制也有一定作用。

结论：综上，盾构刀具选取将会直接影响盾构机掘进效率，本文对盾构机掘进中刀具损坏及维修措施进行分析，为以后盾构机刀具选取、减少刀具磨损以及刀具维修提供了一定参考价值。