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优化盾构机刀盘刀具布局延长刀具使用寿命

发表时间：2021/6/22 来源：《基层建设》2021年第6期作者：陈云

[导读] 摘要：隧道掘进技术是先进的地下施工技术，广泛应用于城市地铁等领域施工中。

        中铁十四局集团大盾构工程有限公司江苏南京 211899
        摘要：隧道掘进技术是先进的地下施工技术，广泛应用于城市地铁等领域施工中。复合式盾构机广泛应用于软硬岩交替出现复合地层施工，掘进机刀盘刀具设计方案直接影响掘进性能。复合式盾构机由于与硬岩掘进机有很多相同点，刀具系统设计研究已有一定基础，刀盘刀具布局方案研究是刀盘掘进系统研究的重点。减小盾构机掘进刀具磨损，是保证盾构机长距离掘进的重要措施。地下工程盾构掘进施工中经常出现刀具磨损严重等，为工程工期造价带来严重影响，研究如何减小盾构机掘进磨损，优化刀具刀盘布局，对刀具进行改进，使产品质量可靠完善，延长刀具使用寿命，对提高盾构机工作效率具有重要意义。
        关键词：盾构机；刀盘刀具布局优化；延长使用寿命
        0、引言
        随着21世纪道路，城市建设快速发展，城市人口急剧膨胀，许多城市出现用地资源紧张、交通堵塞等制约社会经济的发展。由于流动人口增加，城市道路有限性带来车速下降等系列问题。城市地下空间开发成为世界性趋势，城市向立体化开发是市中心改造唯一途径。地铁交通建设促使城市发展，随着北上广深等大城市城轨交通建设投资加大，盾构机大型设备国产化日益重要，国内对盾构机市场需求巨大。我国各类盾构机潜在市场有200亿以上产值，我国盾构机掘进设备技术研制已经形成针对不同地质条件的掘进能力。
        盾构机硬岩或者软硬不均地层掘进过程中，盾构刀具磨损会非常快，更换刀具非常频繁，使用进口刀具盾构机施工往往价格昂贵，进口刀具周期时间长，掘进土层变化难以预测。本文根据徐州地铁2号线项目在中强风化灰岩岩层及多溶洞地层施工盾构机刀盘设计要点，研制适应不同工况的刀具，提高掘进效率，减少换刀次数降低施工风险。
        1、盾构机刀盘刀具种类
        盾构机由主机与后配套设备组成，刀盘盾构刀具适配性决定施工效率。盾构机在隧道施工中通过刀盘刀具对掌子面切削，不同地层需使用不同刀盘刀具配置挖掘，刀盘刀具对地层的适应性直接影响盾构机工作效率与工程经济效益【1】。随着地铁大量修建，盾构施工广泛应用于地铁及公路、铁路隧道施工，根据开挖面自稳性能决定盾构及刀盘刀具类型。由于地质多变性，长隧道地质复杂，我国各地地质条件多样，根据工程地质条件选择合适的刀具刀盘配置非常关键。
        盾构机刀盘结构形式分为面板式与辐条式，面板式刀盘为焊接箱结构，添加剂注入口等，切刀布置在面板开口两侧，刀盘开口率较小，目前我国使用盾构机大多为面板式刀盘结构，如北广深等地用海瑞克、铁建重工、中铁装备盾构。辐条式刀盘由几条辐条和圆环组成，刀盘开口率较大，辐条式刀盘对于砂、土体等单一地层适用性会比较好，如上海地铁使用石川岛φ6.25m双圆盾构【2】。辐条式刀盘具由较宽辐条组成，中间位置及边缘安装滚刀，切刀布置在宽幅条两侧，如徐州地铁2号线海瑞克φ6.52m复合盾构。但是由于辐条式刀盘不能安装滚刀，盾构在地下开挖遇到风化岩、软硬不均地层或者硬岩地层时，还都是要选择面板式刀盘。
        盾构刀具及刀盘结构形式与工程地质情况关系密切，盾构刀具及刀盘设计是盾构关键技术。切削式刀头种类有切刀、边刮刀、中心鱼尾刀、撕裂刀、先行刀等，切削刀可用于面板式刀盘，布置于刀盘开口，适用于软黏土及砂卵石地层开挖。切削刀分为甲型（图1）与锥型（图2），甲型切削刀适用于抗压强度适中的土体切削，锥形切削刀头适用于抗压强度较低土体切削。先行刀设计中主要考虑与切削刀组合协作，刀具切削土体前将土体切割分块，采用先行刀可增加切削土体速流行，提高切削刀具效率。

图1甲型图2锥型
滚刀按刃数量不同分为单双刃与双联，常用于各类软硬岩石隧道开挖【3】。滚刀通常用于岩石隧道掘进，穿越松散地层有大粒径砾石，隧道地质条件复杂情况，也都可采用滚刀。滚刀工作是依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎来破碎岩石的，要实现连续破岩就要在滚刀上施加一个正压力和一个使滚刀滚动的水平推力。正压力是来自于盾构的推进力，水平推力是刀盘转动施加在滚刀轴上与开挖面平行的推力，

        图3
        2、盾构机刀盘刀具磨损影响因素
        盾构刀盘上根据不同地质选用不同的刀具组合，目前盾构常用刀具有切刀，齿刀，先行刀，单刃滚刀，双联滚刀等。盾构机掘进破岩中刀具承受很大径向力，使得刀圈刀刃因冲击急剧磨损缩短使用寿命，徐州地铁2号线1期建国路站~师范大学站区间海瑞克盾构机探讨，盾构机刀盘装刀具由32把单滚刀，4把中心滚刀，32把正面切刀，8组边刮刀等组成。盾构机推进力下刀具对开挖面土体产生压力，刀具磨损与地质条件有关，随着刀具掘削里程增大，刀盘刀具由于线速度大，磨损越多，刀具磨损主要形式有刀具正常磨损与断裂、崩口、偏磨。磨损受掘进地层和刀圈材质、滚刀转速、刀盘转速扭矩等因素影响，此区间涉及岩士层中风化灰岩，岩石单轴抗压强度（天然）60~120MPa，属较硬~硬岩，岩石强度高对盾构施工影响很大，另外局部岩层较破碎，富含溶洞，盾构施工时影响非常大，刀具异常损坏比较多（如图4），盾构机检查维修和带压换刀时间在整个隧道工程掘进时间的占比非常高，增加人财务的消耗量，降低有效工作时间，导致单位掘进成本提高。

        图4
        刀圈选用材质与地质岩性不适用，岩石抗压强度较高且软硬不均，刀圈抗冲击性能下降，造成冲击疲劳断裂；滚刀本身的结构功能和启动扭矩的不匹配也会造成刀圈断裂，刀具密封效果差，包括橡胶弹力与硬度，机械密封面硬度等，泥沙进入刀具造成轴承损坏，刀具受热密封油脂外溢，装配时内部空气未排尽，刀具转动部件装配间隙不合理，轴承加速磨损导致损坏；安装时螺栓扭矩未达到额定扭矩，也有可能导致滚刀脱落。
        3、盾构机刀具刀盘布局优化
        根据盾构机刀盘刀具磨损影响因素分析，针对盾构机刀具磨损问题，需要通过严格刀具制造流程，严格刀具与加工精度，合理选择刀具形式等措施优化盾构机刀具刀盘配置，延长盾构机刀具使用寿命，提高盾构机掘进施工效率。

        图5 地质不均地层刀圈受力示意图
        盾构机滚刀选用高性能模具钢经表面渗碳处理，采用热锻滚压成型工艺，在表面形成硬化层，选用进口的轴承和密封及优质热膨胀系数小的润滑油脂，保证刀具正常润滑。针对徐州地铁2号线软硬不均和富含溶洞地层，提高刀圈使用寿命需要保证刀圈完整性，所以必须增强刀圈冲击韧性，因此后续改进措施如下：
        3.1、刀圈采用梯度硬度刀圈（图6）。梯度硬度刀圈：外圈刀圈正常磨损量位置硬度调整为HRC55～57，由外至内硬度逐渐降低，这样既可以在保证刀圈耐磨性的前提下增强刀圈整体冲击韧性，，又可以改善刀圈的的整体断裂的可能性。

        图6
        梯度硬度的刀圈在软硬不均、基岩凸起、断裂带、溶洞、孤石等恶劣地况下，更能凸显出其优势。
        3.2、在刀圈刃厚基本不变的前提下，刀圈刃顶部采用圆角形式，可以在不影响刀圈冲击韧性的前提下降低贯入阻力，同等贯入度条件下适当降低刀盘推力。
        3.3、硬岩地层滚刀易获得充足的启动扭矩，可适当增加刀具轴承预紧力，提高轴承使用寿命。
        3.4、刀圈根部加厚、加高，提高刀圈截面的总体面积，提高刀圈抗冲击力，减少因撞击造成断裂的几率。
        本项目针对滚刀进行了这一系列改进后，刀圈异常损坏的数量大大减少了，并且在施工过程中把盾构机的转速从1.6r/m降低到1.0～1.3r/m左右，同时把贯入度从5～12mm减小到3～6mm，从而减小滚刀因震动或受力过大、不均造成的异常损坏，减少因频繁停机检查、换刀造成的时间浪费，从而提高掘进效率和施工效益。
        4、结语
        目前我国城市地铁蓬勃发展，盾构工法以其施工速度快、安全性等优点成为地铁隧道施工首选，盾构机刀盘刀具配置需与掘进区间地质相适应。本文介绍盾构机刀盘结构形式特点，研究刀具磨损因素，对刀具刀盘优化布局提出对策建议，为盾构机施工提供指导参考。
        参考文献：
        [1]徐慧旺.大直径盾构机刀具配置及更换技术[D].石家庄铁道大学，2018.
        [2]韩利涛.盾构机刀具智能选型与布置研究[D].石家庄铁道大学，2016.
        [3]郑丽堃.盾构机刀具布置规律研究[D].石家庄铁道大学，2016.