浅析土压平衡盾构机滚刀损耗形式

　　广州市轨道交通三号线(市桥站北~番禺广场站盾构区间)盾构工程位于广州市轨道交通三号线的最南端，由两条单圆盾构隧道(左线长度4717.354m，右线长度4732.094m)、一个中间风井(含左、右线各30m长的矿山隧道)和10座联络通道组成，线路最小曲线半径为800m，最大线路纵坡为30‰。隧道埋深为5m~31m，洞身地质除有较稳定的硬塑残积土外，还有极不稳定的淤泥质土和松散砂层，更有天然抗压强度达150MPa~160MPa的花岗岩和变质岩，地质条件十分复杂多变。隧道穿越的地面既有管线复杂的道路，又有密集的建筑物，是广州市轨道交通三号线难度最大的标段之一。

　　1 滚刀损耗形式

　　由于隧道断面的地质复杂多变，隧道埋深平均在20m以上，且需破除距离长达700m，强度高达160MPa的花岗岩区域，因此掘进过程中需较为频繁的更换刀具。从整个工程竣工后统计来看，整个工程共消耗滚刀2659把，其损耗形式主要分为以下几种。

　　1.1 正常磨损

　　滚刀进行破岩时，破岩效率与其刃口宽度有关。随着滚刀刀圈磨损量的增加，刃口宽度增加，达到一定范围时会影响掘进速度，由于受到刀圈加工工艺的限制，而且新装刀圈与齿刀之间的高差为35mm，所以确定正滚刀与中心刀最大磨损量为30mm;而边缘滚刀则因隧道直径6280mm以及所处位置的要求，其磨损极限为15mm。正常磨损是刀具失效的主要形式，另正常磨损又称为均匀磨损，其磨损形状为在刃口宽度范围内磨损较均匀。

　　1.2 滚刀刀圈断裂

　　在掘进过程中由于岩石情况发生变化或刀盘其他部件(如齿刀等)脱落卡在刀刃与岩壁之间，会导致刀圈局部过载而使刀圈应力集中、发生断裂，同时刀圈与刀体配合过盈量未达到要求也会造成刀圈断裂。

　　1.3 轴承损坏

　　施工过程中，有时会发现刀圈被磨成一条或几条弦，称之为偏磨。这主要是由于刀具轴承损坏不能转动造成的;在掘进过程中刀具出现偏磨而未及时发现是非常危险的，一把刀由于偏磨而失效会造成相邻两把刀过载而失效，从而迅速向外扩展，直至整个刀盘上的刀具全部失效，所以在掘进过程中应及时观察皮带机内的出碴情况，一旦出现长而宽的石碴时，应立即停机检查刀盘。造成轴承损坏的原因主要是由于轴承过载或刀盘发泡剂系统不良而使轴承过热抱死，刀具漏油而未及时发现也会使刀圈偏磨而失效。

　　1.4 刀具漏油

　　漏油的刀具解体后发现，绝大多数漏油的刀具其轴承已失效，圆锥滚子的大头端剥落，轴承外圈已成麻面或发蓝，同时刀具的浮动密封已失效，极个别的刀具为注油孔漏油。主要有以下几方面：

　　1)由于岩石条件急剧变化(多为较发育的破碎岩层)或操作原因(调向过大或推力过大)，以及换刀不合理(相邻刀具的磨损量相差较多)，造成个别刀具过载，使刀具轴承圆锥滚子的承载端剥落，剥落的金属碎片及颗粒使密封失效。

　　2)由于刀盘发泡剂系统不良而使轴承及润滑油温度过高。

　　3)强度较高的大石块或崩断的正面齿刀、边缘刮刀卡在刀具端盖密封处，使滑动密封受冲击载荷失效。

　　4)刀具轴承及浮动密封的寿命已达极限。

　　5)刀具修理过程中隔套尺寸不符合规格或刀具内混有杂物。

　　1.5 刀圈剥落

　　由于刀圈磨损表面产生疲劳裂纹，逐步扩展导致微观断裂、磨损剥落。从刀具检查情况来看，一般刀的剥落块较小，不影响刀具的正常运转。

　　1.6 挡圈断裂或脱落

　　瑞克公司生产的正面滚刀和边缘滚刀的刀圈内侧为两半对接焊的安全挡圈，便于更换刀圈并防止刀圈移位。但由于离心力的作用，刀圈作用于刀体上的力都是指向外侧的，所以一般内侧受力较小，但在施工过程中由于挡圈焊接质量较差或刀盘前部岩石破碎，坍塌的大石块经常将挡圈砸断或脱落，直至发生刀圈移位，使刀具更换很困难。

　　1.7 刀具螺栓松、脱、断及掉刀等情况

　　原始记录表明，随着换刀次数的增加，刀具螺栓松、脱、断甚至掉刀的现象(统称为螺栓问题)也逐渐严重，造成刀具的螺栓问题的原因主要有以下几方面：

　　1)刀具拉紧快和U型块的重复使用，使相当部分配合面受压变形而成台阶状，同时修理次数过多使一把刀的两块拉紧快配合面不在同一个平面上。

　　2)刀具及刀具螺栓重复使用的次数较多，螺纹损伤严重。

　　3)由于刀具在安装过程中没有将所有配合面(拉紧快、U型块、螺纹以及公母垫等)清理干净，而使刀具在掘进过程中出现螺栓问题。

　　4)由于操作原因未使刀具所有螺栓达到规定预紧扭矩。

　　2 预防措施

　　1)根据施工过程中不同的地质条件，选择安装不同扭矩的刀具。

　　2)施工过程中要连续使用刀盘发泡剂系统，同时保证发泡剂系统功能的有效性，以达到有效润滑刀具、降低刀具的表面温度、实现渣土改良等功能。

　　3)刀具主要配件(如轴承、端盖、轴等)连续使用三次以上的需要报废。

　　4)制定刀具安装完成后的安装质量检查制度，主要检查刀轴、刀具拉紧快安装位置是否正确，刀具螺栓是否拧紧等工作。

　　5)施工过程中，及时根据地质条件的变化，合理选用掘进参数。

　　6)制定严格的刀具检查制度，软岩地层中每100环~150环(150m~225m)检查一次刀具，硬岩地层中每20环~50环(30m~75m)检查一次刀具，当然在施工情况遇到突变时，可根据当时的具体情况确定是否提前或滞后刀具的检查日期。

　　7)整刀、刀圈在搬运、卸吊时要严格按有关规定和方法进行，必须做到轻装轻放，并做好各种防护措施。现场刀具安装必须按照其安装要求和工艺进行。

　　3 结语

　　文中通过对广州市轨道交通三号线(市桥站北~番禺广场站盾构区间)盾构工程施工过程中使用的刀具———滚刀的损耗形式、损耗原因以及相应的预防措施。文中为今后的盾构隧道中如何最大程度地开发刀具的使用寿命提供了一定经验。

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