TBM盘形滚刀的质量控制及其检测维修技术

关键词：隧道　掘进机　刀具　盘形　滚刀　检测　维修

TBM（隧道掘进机）作为长大隧道施工最有效的大型机械，掘进时使用在刀盘上安装的盘形滚刀刀刃楔入岩体破碎岩石，刀盘转动带动滚刀在掌子面上滚动进行连续破岩，刀盘被向前推进，滚刀破岩掘进形成洞身。安装在TBM刀盘上的盘形滚刀是TBM的专有工具，其技术性能的优劣是扩大TBM施工适用范围和降低施工造价的关键技术之一，国外各著名TBM生产厂家对刀具都进行了长期的研究，不断改进TBM刀具的性能，使产品具有竞争力。但刀具性能必须在施工中正确使用才能充分发挥。施工中要对使用的刀具进行严格检测并及时维修，使上机掘进的刀具性能可靠，减少掘进中刀具故障，以提高机器的利用率，从而提高掘进速度；正确使用刀具还必须包括正确更换刀具及其备件，从而降低刀具消耗。正确使用刀具不仅可提高掘进速度还可从以上两个方面来降低隧道掘进成本。尤其在硬岩中掘进其重要性更为明显。西康铁路秦岭隧道出口及西南铁路桃花铺1号隧道TBM施工中，在掌握消化引进技术的基础上，对TBM施工中的刀具技术进行了深入的研究，形成了一套符合我国施工条件、可操作性强的检测维修技术，并取得了很好的技术经济效果。笔者参加这两条隧道施工的刀具使用与研究，本文是对TB880E型掘进机的17＂盘形滚刀检测和维修技术的总结，可供借鉴。

1TBM施工对刀具整备的技术要求

TBM施工中的刀盘检查、刀具更换、刀具维修等一系列为使刀盘上的刀具处于良好状态的工作统称为刀具整备，是TBM施工作业的重要组成部分，对隧道施工进度与造价有直接影响，且专业性强，是TBM施工技术的重点之一。

1.1提高刀具可靠性，减少掘进中的停机换刀

TBM施工时其掘进、出渣、支护等工序能平行作业且连续进行，因而具有掘进速度快的特点。但由于受地质因素、机器故障、刀具故障、施工管理技术等因素的影响使机器停机待掘进的时间长，运转掘进的利用率不高。西康铁路秦岭隧道出口及西南铁路桃花铺1号隧道TBM施工中，TBM的利用率仅为30%，而国外一般都达到40%，高者达到60%。提高TBM的利用率，也就是要提高TBM施工的技术水平，减少各施工工序对机器正常运转的影响，是当前在我国扩大TBM施工使用范围降低TBM施工造价的关键。

西康铁路秦岭隧道出口TBM施工中，由于刀具原因造成的停机时间占施工时间的比率为16.3%，也就是每天18h的掘进施工（每天安排6h为TBM施工做整备，18h进行掘进施工）时间内平均有近3h的时间是因刀具的原因使机器停止了运转。盘行滚刀破岩时承受巨大的载荷和冲击、剧烈的摩擦和高温，各零件表面尤其是刀尖要被磨损，各部分连接性质被破坏，润滑油及橡胶密封件的性能降低，使刀具逐渐失去破岩能力，使用一段时间后要进行更换。

因此，更换刀具是TBM施工的一项重要的不可缺少的工作，必然要占用部分施工时间。合理的做法是尽可能主动进行换刀，也就是在每天的施工整备时间内换刀。这就要求准确判断刀具状态，既不盲目更换，增加刀具消耗，又减少给即将进行的掘进留下刀具故障，力求减少在掘进进行中出现刀具漏油、刀圈偏磨、螺栓丢失或松动等不允许存在的现象，从而减少掘进中被迫停机进行刀盘检查和刀具更换的时间。停机进入刀盘进行检查再更换一把刀至少要用两个小时的时间，这就大大减低了TBM的掘进进度。表1中列出了三个使用TB880E型掘进机施工工程的刀具更换统计，可以看出在秦岭隧道出口和桃花铺1号隧道TBM施工中，由于刀圈磨损进行的换刀占80%，大大高于秦岭隧道进口施工的57.2%，这说明后者装机掘进的刀具状态比较差，掘进中刀具产生的故障比较多，对掘进的影响也就会大。

要减少这种掘进进行中产生的刀具故障，必须严格控制上机掘进的刀具质量，通过在洞外对刀具进行严格检测并仔细地维修，使运进洞内上机掘进的刀具在刀圈磨损到极限尺寸前发生因检测维修不当造成的密封漏油、轴承损坏、连接与配合失效等故障占所有检测维修刀具总数的比率小于5%，这就会大为减少掘进中发生的被动性换刀。减少了因换刀停机的时间，提高机器的利用率。这是对TBM施工刀具整备工作的高要求。

1.2减少刀具消耗，降低掘进费用

硬岩掘进机施工成本中刀具费用占较大比例，石质越硬，刀具费用比例越高，在秦岭隧道坚硬的片麻岩地段掘进，刀具费用为掘进成本的三分之一。减少刀具消耗，是降低隧道掘进成本的主要手段,是TBM施工刀具整备工作的主要任务之一。减少刀具消耗应从以下几方面着手。

(1)正确使用刀圈，使刀圈的实际磨损量不小于允许磨损量的90%。刀圈的使用量大，且价格昂贵，秦岭隧道出口TBM施工中刀圈费用占刀具费用的30%。正刀刀圈在半径方向的允许磨损量为38mm、边刀和中心刀刀圈为20mm，必须充分利用，减少刀圈消耗。

(2)合理使用轴承，充分发挥轴承的使用寿命。轴承消耗量大，价格昂贵，秦岭隧道出口TBM施工中,刀具轴承费用占刀具费用的17%。按Wirth公司技术规程，刀具轴承的使用寿命为287.7计算小时。经过分析、研究与不断试验、改进，秦岭隧道出口及桃花铺1号隧道大部分实际使用的轴承寿命都达到了900计算小时，大大减少了轴承的消耗。

(3)合理使用密封，充分发挥密封的使用寿命。密封的消耗量大，价格昂贵，秦岭隧道出口TBM施工中，刀具密封费用占刀具费用的10%。按Wirth公司技术规程，每次拆卸维修再组装刀具时必须更换新密封。经过分析与试验，秦岭隧道出口和桃花铺1号隧道施工中，大部分密封被重复使用，部分经维修后再使用，大大减少了密封的消耗。

(4）减少掘进中刀具的事故性损坏。由于对机器调向过大、不均匀地质段推进过快等原因造成的刀具意外损坏，为数不少，这时损坏的刀具往往不是一把，而是多把，一般都很严重，难于修复，影响大。必须改进操作和施工组织与管理，减少这些事故性的损坏和造成的损失。

(5）减少刀体、刀盖、刀轴等大件的消耗。这些大件造价高，使用中往往发生变形和磨损，能否继续使用，较难判定。必须制定正确的检定标准和检测方法，并要用校正、刷镀等方法进行恢复性修理，减少这些零件的消耗。
2刀具轴承的寿命与密封的失效

TB880E型隧道掘进机上的刀具有中心刀6把、正滚刀62把、边刀3把、扩孔刀2把，共4种73把，按一定规律布置并安装在刀盘上。正滚刀的结构及在刀盘上的安装方式如图1所示。边刀与正刀基本相同。轴承与密封是刀具上的两种重要装置，对刀具掘进运转的可靠性和刀具的消耗具有特别重要的影响。

2.1轴承的寿命与维修

Wirth公司规定正刀与边刀轴承的寿命为287.7小时，刀具在不同的刀位上的运转小时乘以刀位系数，得出的计算小时达到该值时就要更换轴承。这一寿命是按90%的可靠度通过试验得出的。按图2所示轴承寿命幅度看出，即10%的轴承寿命低于这一值，90%的轴承寿命高于这一值，所有轴承寿命的平均值为这一值的4倍。按此可作出如下分析：①由于有10%的轴承寿命低于这一值，就会有20%的刀具在此之前由于轴承损坏而损坏，刀具由此就会有20%的不可靠，这是很不利的，必须尽量减少；②90%的轴承寿命大于这一值，还可使用，按此更换轴承就有大量的轴承被浪费。

研究认为Wirth公司对轴承定时更换的方法是不合适的。通过定期进行检测和解体检查，根据轴承扭矩值的变化、润滑油的变化、滚动体表面尤其是轴承内圈滚动面的疲劳损坏面积的大小判定轴承的预期寿命，对刀具进行检测与维修，确保轴承在预期内可靠。秦岭隧道出口和桃花铺1号隧道施工中，大部分刀具轴承的寿命达到900h，既减少了轴承的消耗，又提高了刀具的可靠性。

Wirth公司规定凡使用过的刀具在拆卸维修时必须更换安装新密封，原密封报废，消耗量很大。盘形滚刀的密封由金属环和橡胶圈组成，这种密封试验寿命高达5000h。分析认为刀具密封失效的主要原因是橡胶圈变质失去弹性造成的，是温度变化引起的。由于地质条件的变化和工作刀位的不同，刀具的工作温度在有些条件下比较高，损坏了橡胶圈的密封性能。另一个原因是润滑油中有金属颗粒，损坏了密封面。二者都具有偶然性。

采用以下方法维修密封：①拆卸维修组装刀具时必须更换橡胶圈；②维修拆卸刀具时，若发现润滑油中含有金属末或油量已减少，则金属环同时更换；③更换下来的金属环应送专业工厂维修，大部分可修复后再使用。这不仅提高了刀具密封的可靠性，而且大大减少密封的消耗。

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