复合盾构自动更换刀具的创新创意

许君

摘 要：本文研究了南京地铁机场线几钟典型的刀具更换方法，原有的换刀方法费时费力，通过现场刀具磨损规律和装配方法，提出了自动和半自动更换刀具的创意，节约换刀时间和成本，增加换刀安全系数。

关键词：复合盾构;自动换刀;创新

中图分类号：TG51 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）21-0050-02

1 研究背景

南京地铁机场线盾构区间单线全长约13km，分为9个盾构区间，穿越地层复杂。按照岩层强度高低排列，分为微风化安山岩、中风化安山岩、破碎状中风化安山岩、中风化粉细砂岩等。其中安山岩抗压强度较高，最高达80mpa～110mpa。中风化粉细砂岩虽然抗压强度相对较小，但富含石英的特性加快了刀具的磨损速度。统计下来平均推进80米左右就需更换刀具，推进方法不当也会大大增加换刀频率。

现有换刀方法首先靠人工测量刀具的磨损量，确认超标后再进行更换。单把单刃滚刀重约160kg，双刃滚刀重约200kg，在宽约70cm的土仓空间内，选取合适的吊点，依靠人工和葫芦配合，拆除原有磨损刀具再更换新刀，正常情况下，平均更换一把滚刀（从拆除到安装）需要3～4个小时。若刀座变形或者刀具加工精度误差过大，时间会花费更多。除了滚刀的磨损，贝壳刀和刮刀也会出现磨损或者脱落的情况，由于刮刀的受力特性，一般都会存在刀座变形严重，更换困难等现象。在掌子面不够稳定或无法常压换刀的状况下，争取能快速换刀显得尤为重要[1]。

综上所述，刀具磨损发现不及时、土仓内狭小的空间、恶劣的操作环境、掌子面不稳定等因素，给换刀带来了繁重的体力劳动和较大安全风险。为了更快、更省力地更换刀具，本文设想将自动检测刀具磨损和自动更换刀具的方法结合在一起，降低劳动强度，提高换刀效率。

2 刀具更换现状

分析现有盾构机刀盘换刀方法，将四种典型的换刀方法优缺点及对刀箱的影响说明如下。

2.1 奥村盾构——卡槽式

卡槽式换刀图1所示：换刀第一步：滚刀沿着箭头向下平移，直到与刀轴卡相平行的位置;换刀第二步：滚刀沿着箭头向右平移，抵达刀轴卡为止;换刀第三步：滚刀刀位后装上楔块做以固定。

操作特点：将滚刀卡入刀箱的卡槽，操作较复杂。楔块由于直面受力，不容易变形，更容易拆除，节省拆刀时间。对刀箱影响：刀座与刀座卡槽为可拆卸式，更好地保护刀箱，刀箱使用寿命提高。

2.2 海瑞克盾构——斜槽式

斜卡式换刀图2所示：换刀第一步：滚刀沿着箭头向下移，直到与刀轴卡相平的位置;换刀第二步：滚刀刀轴移动到位后，楔块斜插入固定刀轴。

特点：换刀操作过程简单，但拆刀的时候由于楔块斜面受力，容易变形，不容易拆除，增加换刀时间。对刀箱影响：刀座与刀座卡为整体式，刀座卡变形后不易修复，刀箱使用寿命减低。

2.3 三菱盾构——直卡式

直卡式换刀图3所示：换刀第一步：滚刀沿着箭头向下移，直到与刀轴卡相平的位置;换刀第二步：滚刀移动到位后，斜向插入固定。

特点：操作性简单，但楔块由于斜面受力，容易变形，不容易拆除，增加拆刀时间。对刀箱影响：其刀座与刀座卡为整体式，刀座卡变形后不易修复，刀箱使用寿命减低。

2.4 小松盾构——卡旋式

卡旋式换刀图4所示：换刀第一步：滚刀垂直装入刀箱;换刀第二步：滚刀垂直装入刀箱后，旋转90度后裝入楔块固定。

特点：操作复杂，在拆装刀的时候需要旋转90度，增加换刀时间和难度。对刀箱影响：其刀座与刀座卡为整体式，刀座卡变形后不易修复，刀箱使用寿命减低。

上述四种换刀模式，各具特点，其中三菱的刀具更换操作简单，但楔块及刀座易变形，易影响拆刀速度。小松刀具更换较复杂，但旋转式方法给了一些自动换刀及更改切削面的启示。

3 自动换刀的初步想法

针对南京机场线的换刀状况，结合当前国内外的发展，提出一些自动换刀的初步设想[2]：

（1）统一刀座大小和支承形式，方便将滚刀、撕裂刀及其它切削刀进行互换;例如，当盾构从穿越全断面岩层过渡到上软下硬地层后，中心的滚刀对付粘土作用不大，有不能进行常压开仓，可以考虑使用撕裂刀来自动替换滚刀。（2）刀具磨损自动检查装置能更好地配合自动换刀，尤其在掌子面不稳定的状况下能发挥快速换刀的优势;比较常见的滚刀磨损感应装置则是采用液压油缸从刀盘伸出至滚刀刃尖，通过比较伸出行程与磨损前行程的差值判断滚刀的磨损量。此外还有一些采用液压短路、光纤维短路或超声波等方式来判断滚刀磨损的感应装置。（3）在土压平衡模式下，需要考虑土仓及滚刀大小。而在TBM中，由于没有满仓掘进工况，可以考虑在仓内增加后备滚刀。（4）相对来说，刮刀的自动更换比滚刀更容易实现;刮刀尺寸比滚刀要小得多，在土仓内安装备用刮刀不是难以实现，可以考虑部分易磨损的刮刀采取备用刮刀及时跟进的形式。（5）对于拆刀和装刀，可以利用千斤顶伸缩功能实现刀具进退。液压卡钳代替楔块实现对滚刀的卡紧和松开。还可以利用卡紧装置，监测滚刀的磨损量。土仓内设置可伸缩换刀千斤顶，保证刀具安装一次到位，该千斤顶特点：自重轻，所有刀具位置都可以使用，同时有电动葫芦作为辅助，采用电动或者液压闸，取代现有的压块与螺栓连接方式，待刀具安装到位后，启动电动卡紧完成刀具最终的固定。

4 结语

总之，以上仅仅是提出的一些初步想法，在实践中需要解决很多的技术问题，尤其是卡紧装置具体的尺寸和如何保证卡紧效果。在接下来的过程中，将进一步结合实际换刀情况，对自动换刀装置进行落实和完善。

参考文献

[1] 史海欧，鞠世健，竺维彬.广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究[M].暨南大学出版社，2007.

[2] 竺维彬，王晖，鞠世健.复合地层中盾构滚刀磨损原因分析及对策[J].现代隧道技术，2006（4）：72-76.