盾构机掘进中刀具损坏及维修措施探讨

张春辉

中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300000

1 刀具的原理及分类

目前盾构机刀盘按其适应地质一般分为软土刀盘、复合刀盘及硬岩刀盘。刀盘的掘进施工最终都是靠刀具来完成，刀具按切削原理一般分为滚压刀具及切（刮）削刀具。滚压刀具的工作原理主要是依靠刀具推力来冲击挤压岩层；再加上刀具旋转扭矩连续滚压破岩，这类刀具在掘进过程中会随刀盘一起公转，同时自身还绕刀轴进行自转。滚压类刀具对岩石作用力大，常用于硬岩或大直径圆砾地层隧道掘进中，也可用于复合地层，主要分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀等。切削刀具的工作原理主要是盾构机向前推进的同时刀具随刀盘旋转，刀刃不断嵌入土体并对开挖面土体产生轴向剪切力和径向切削力，分为切刀、中心鱼尾刀、撕裂刀、先行刀、保径刀和边刮刀等形式；此类刀具一般用于软土地层及软岩地层中，或用于硬岩及复合地层辅助切削中[1]。

2 刀具磨损对于盾构机使用的重要影响

首先，盾构机由盾构主机和后配套设备共同构成，其中，盾构刀盘负责盾构机的开挖作业，主要借助盾构刀具对机体前方土体进行切割，这意味着盾构机的作业速率完全由刀具的锋利程度来决定，只有刀具与土体结构相适应，盾构机才能较为快速地前行。由于复合地层土质较为复杂，工作人员在选择盾构刀具时往往会比较困难，这就使得盾构刀具容易在复杂多样的土层作用下快速磨损，进而在短时间内出现刀具老化问题。其次，虽然在长期的探索实践中，有关盾构机刀具磨损规律的相关理论已初步完善，但针对不同土层的刀具磨损尚未得到完全掌握，其中，包括刀具负荷、磨损速率等要素在内的相关研究仍处于相对匮乏状态，这导致在实际盾构机作业中，即使选用了较为负荷土层特点的盾构刀具，但仍无法判断刀具的更换周期，因此，刀具很容易在长期使用中，因更换不及时而彻底丧失作用，并影响地下作业的工作进度。最后，由于我国盾构刀具研究较少，大多数地下施工企业购买的盾构刀具均来自国外，导致施工成本增加，使得国内盾构机作业乃至整个地下交通施工事业的发展均受到制约。

3 盾构机中刀具的更换和维修

3.1 刀具更换的具体原则

在适当的时候更换刀具不仅可以降低刀具损坏的非正常概率，还可以弱化意外损坏更换时间对工程开展的影响，有利于盾构机强化自身的工作效率，而更换刀具需要严格按照三个原则：一是合理原则。一方面，刀具参数需要与地质条件合理；另一方面，更换刀具计划需要合理的约束。刀具基本参数是否适用于地质条件，能够决定盾构机的掘进进程。在掘进较为坚硬的岩石层时，需要采用滚刀刀具；在掘进较为松软的土质层时，需要采用切刀刀具和齿刀刀具，以保障刀具对地质层的适应能力，强化施工的可靠性。同时根据地质环境制定更换刀具的磨损数值和计划。通常情况下，刀具更换的最大值分别为：双刃中心滚刀-25mm；边滚刀-20mm；正滚刀-25mm，但实际需要更换的数值都比理论值小5mm。二是批量原则。为了确保盾构机设备的工作效率，控制更换刀具的次数，需要按照计划进行批量更换，力争做到正滚刀批量生产、中心刀批量生产、边滚刀批量生产。三是快速原则。更换刀具的场所需要尽可能的保持密闭，由于许多不可控因素的影响，需要快速进行刀具更换，这样才能够最大程度的保障操作人员的人身安全，维护机械设备的正常运行[2]。

3.2 检查刀盘刀具

一是检查刀盘。操作人员需要对刀盘的磨损程度进行记录，确认主轴承的油脂状态是否正常；还需要对刀盘的操作面板和轴承支柱的完好度进行检查，一旦出现形变或开裂情况必须对其进行更换。二是检查刀具。操作人员需要对刀具与刀盘的连接状态进行检查，确认其是否牢固；固定零件及刀具的螺丝是否出现丢失或损坏情况；刀具周围的挡圈是否出现移位现象，确认刀圈的完好度。三是计算刀圈的磨损数值。刀圈在没有任何损坏迹象的前提下，采用正确的方式测量刀圈的磨损程度是更换刀具的主要参考依据，需要利用特别的模板对其进行测量。

3.3 巧妙选择刀具配置

针对不同地层与盾构机刀具的不同适应性，可进一步优化刀具配置，选择符合地层构成特点的最佳刀具。其中，针对软弱土地层，刀具配置应以切刀、刮刀为主，同时刀盘应采用面板式结构，并在切刀及刮刀刃口处设置合金耐磨材料，从而起到增加刀具耐磨性、延长刀具使用周期的效果。此外，针对较为复杂的砂层，按照砂层特点合理选择鱼尾刀、仿形刀等特殊刀具，借助多种刀具的不同优势促使盾构机作业有序完成[3]。

3.4 重视刀具参数设计

基于参数设计对于刀具磨损程度的影响，需就刀具及盾构机参数进行优化设计。一方面，针对滚刀磨损问题，可适当增加滚刀转动力矩，并在滚刀刀鼓上配以耐磨材料，进而有效防止矿物颗粒对刀体造成磨损；另一方面，针对切削刀磨损问题，可进一步改进刮刀制作材料，并采用更加符合渣土流动状态的几何形状来进行刮刀制作。

4 结语

在盾构机施工中，刀具选择和维修对掘进的速度和效率有密切关系，在具体施工中，要根据地质条件，选择合理的掘进参数，才能最大限度延长刀具使用的寿命，降低换刀的频率。严格按照相应的规范和标准，按照刀具要求，综合刀具使用经验，及时反馈结果，为后期施工提供数据支持和理论指导。