盾构机刀具的选型及其磨损分析

张瑞孔 山东易斯特工程工具有限公司

一、刀具对盾构机掘进的影响

在我国目前的盾构机施工中，使用的刀具按照原理不同主要划分为两种，一种为滚刀类，另一种为削刀类。根据施工隧道中岩石性质、使用目的、结构形态的不同，还可以进一步的划分成超前刀、贝型刀等。滚刀可以作用在粒径超过400mm的地层中，而切削刀则主要用在粒径低于400mm的地层中。使用这些刀具时，刀具会因为地层中的石头、坚硬土层等因素出现磨损，刀具磨损程度越大，施工效率就会越低，当刀具完全损坏之后，盾构机就不能再进行正常作业。因此，工作人员应当明确刀具的使用方法，正确判断刀具的磨损程度，并选择正确的方式进行维修，确保盾构机的正常使用。

二、盾构刀具的选择要点

“软土配备切刀，硬岩配备滚刀”是目前广泛认同的一种说法。切刀主要应用于软土的切削以及具有较小粒径卵石、沙土的岩土层，且要求切削岩土层硬度小于20MPa；先行刀布置于其他刀具前，为切刀创造良好切削环境。在砂卵石地质环境中，齿刀和切刀配合使用可以起到很好切削效果。为了清理渣土，还应该在刀盘开口部位配置刮刀。滚刀主要应用在硬岩地质当中，并且其刀圈在切削过程中起到关键作用。其中，在硬度为80～100MPa的软岩层常使用耐磨层刀圈；在50～150MPa地层中常采用标准钢圈；在120～250MPa的硬岩层中常采用重型钢圈。为了保证刀具工作强度，刀具在刀盘上的连接方式会因地质环境差异有所不同。在砂卵石地质工作环境下，盾构刀具常采用嵌入式螺栓或销连接，这样连接便于更换刀具，且牢固不易脱落；对于粉砂、黏土等地质比较松软地段，刀具连接常采用焊接形式。

三、盾构机刀具磨损异常分析

1.刀具磨损后盾构出土异常及地表塌陷。盾构刀盘滚刀产生偏磨后对岩层切削机理发生改变，造成偏磨滚刀无法充分切削大块岩块，致使大量大块石进入土舱内，造成粒径大于螺旋机输土口的块石沉淀、垒积在土舱底部位置，导致螺旋机输土困难，或螺旋机卡死现象。由于复合地层段盾构刀盘、刀具磨损严重，土舱内充满大块岩石，土舱各区域土压无法及时按设定土压建立，难以正常进行土压平衡控制，在这种异常情况下进行盾构掘进施工将造成地面严重沉降现象，甚至造成地面塌陷现象，如图1所示。

图1 地表塌陷现场

2.刀具磨损后掘进参数异常。上行线盾构在均匀粉砂性地层掘进施工时，盾构各项施工参数正常，盾构掘进速度为15mm/min，盾构刀盘扭矩为3000kN•m，盾构总推力为25000kN，盾构土舱压力可及时建立，且土舱内土压波动较小。但在复合地层段短距离掘进后，盾构刀盘温度过高，且土舱内温度已超过60℃，影响盾构机主轴承密封，导致盾构掘进速度缓慢；刀盘扭矩达3500kN•m，总推力达29000kN，且土压力出现异常波动，各区域土压力偏差较大，土压计在推进过程中无法达到设定读数，当盾构推进时左右区平均土压设定值为0.145MPa，推进过程中实际土压读数为0.105MPa。此外，在盾构推进过程中向土舱内加注水或膨润土，土压力上升很快，土舱下部土压力小于中部土压力，且停机期间土压力还显示负值，非常异常。

四、提升盾构机刀具的相关措施

1.采用新型耐磨堆焊工艺。以往对刀具表面进行堆焊耐磨层时，选择的焊条中钨含量较高，在焊接之后会导致其表面产生裂纹。刀具在遇到硬岩冲击载荷时，会产生耐磨层断裂。针对于以往堆焊存在的问题，经试验发现，降低焊条中W的含量，提高Ni和V的含量，同时加入Nb元素，可以使堆焊层硬度达到HRC63-65，并具有较好的韧性。这不仅可以避免堆焊开裂，还可具有较低的摩擦系数，同时增强了刀圈与刀体的结合力。

2.采用新加工工艺。刀具制造先是经过冶炼钢材、锻造毛坯、热处理、数控加工、焊接及堆焊耐磨层等工艺，然后再进行装配。这种制造工艺所生产的刀具，若所选钢材内部组织不好，有较大的残余应力，将使生产出来的刀具容易崩裂。新的加工工艺，将刀圈采用中频感应真空熔炼，再配合辊锻加工，刀圈的毛坯组织排列较好，韧性明显提升。

3.增强刀具耐磨性能。为确保滚刀磨损量控制在允许范围内，针对盾构穿越上软下硬复合地层段时周边滚刀易磨损现象，在下行线盾构始发前对周边滚刀进行更换，并加强周边滚刀刀刃厚度，增加刀具强度，并对中心滚刀进行更换。盾构经过上述措施的改进后，在上行线穿越后续15m长的复合地层段后周边滚刀磨损量为8mm，中心滚刀最大磨损量为5mm，在未进行中途换刀的前提下顺利穿越了下行线上软下硬复合地层段，且刀具磨损量控制在了允许范围内。下行线盾构穿越复合地层段后，周边滚刀最大磨损量为10mm，中心滚刀最大磨损量为6mm。

4.合理采用热处理工艺。需要根据刀具工作原理、挖掘状况以及材料的热加工性能，对刀具进行高温淬火加高温回火，可以有效提高刀具的综合性能。通过高温淬火可使碳化物充分溶解，合金组织均匀。再进行高温回火，则可以有效消除残余应力。经热处理后刀具硬度高、耐磨性强，且具有一定的韧性。

结论：综上，在盾构机施工中刀具会出现磨损，此时需要维修人员进行修理。在较硬的地质结构中工作时，刀具会出现磨损加速情况，影响盾构机的施工。本文对盾构刀具选择，盾构机刀具磨损异常，提升盾构机刀具的相关措施进行分析，为以后盾构机刀具选取、减少刀具磨损以及刀具更换提供了一定参考价值。