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摘要：在隧道工程掘进过程中，盾构机以其遍效、安全和优质等优点，使用越来越广泛，但在具体掘进过程中盾构机会遇到各种复杂的地形，特别是底层具有较大的变化，因此需要根据地质条件来选择刀具，并进于刀盘的配置，这不仅有利于刀具的使用寿命，而且对工程的顺利进行也具有非常重要的意义。本文主要探讨了盾构机刀具管理及维修。
关键词：盾构机；刀具；维修
随着盾构法施工在我国的应用普及化，各类复杂地层的盾构推进施工工艺也应运而生，其中在硬土地层中掘进时盾构刀具的磨损问题为其与地层适应性问题的集中体现，故摸清盾构刀具磨损规律，是解决盾构机在硬土地层掘进时降低盾构刀具磨损、准确判断换刀时机、节约施工成本的关键环节。
一、刀具的类型、失效形式和维修
1.刀具类型
（1）刀具的分类。目前使用的刀具一般分为刮削刀具和滚动刀具两大类。刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具。刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的刮削刀 具 类有 边 缘 刮 刀 、刮刀、齿刀、先行刀、贝壳刀、鱼尾刀等。滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀具。根据刀刃的形状，滚刀可分为：齿形滚刀（钢齿和球齿）、盘形滚刀（钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀）。
（2）滚刀的结构组成。
滚刀结构主要由刀圈、刀体(套)、刀轴、轴承、金属浮动密封环、刀盖（座）及联接螺栓等件组成。滚刀的内部结构是保证滚刀工作时正常的关键，通常是由轴承、密封、润滑油脂组成。
（3）滚刀刀圈的材料。
根据刀圈的工作条件，刀圈材料应满足高的屈服强度，避免刀刃端在高应力下压溃变形；足够高的硬度，增加耐磨性，减少刀圈磨损；良好的冲击韧性，提高材料裂纹扩展功，防止刀圈断裂；良好的抗回火性能，提高材料的热稳定性，保证刀圈在热装和滚压岩体过程中不降低硬度；良好的热加工和冷加工的工艺性能，材料成本低，制造方便，提高产品合格率，是占领市场的有效途径。
2.刀具失效形式
（1）刮刀的失效形式。
正常磨损。在掘进过程中刀具与岩土的正常磨损。刮刀刀刃崩裂。在硬岩掘进中，滚刀磨损太大，刮刀直接切割未经滚刀破碎的硬岩，会导致刮刀的崩裂；在岩层中掘进时，转速太快，突遇硬岩，冲击造成刀刃崩裂；在硬岩掘进中，进刀太深等原因造成刀刃崩裂。刮刀刀体断裂。刀体本身的强度和韧性不够，进刀太深，都会造成刮刀刀体的断裂。刮刀掉齿。合金刀齿的焊接工艺不过关，或者刮刀突遇硬岩时都会造成刮刀掉齿。
（2）滚刀的失效形式。
一是非均匀磨损（偏磨），有单边偏磨和多边偏磨。单边偏磨一般是滚刀不转造成的，多边偏磨则是 滚 刀 时 转 时 不转造成的。造成滚刀不能连续转动的原因除刀具制造方面外，主要和地层及刀具配置、盾构操作有关。二是刀圈崩块、断裂。这与刀圈制造技术、地层条件和应用都有关系，要区别分析。
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（3）轴承或密封损坏。
轴承是刀具上的一种重要组件，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。正常使用状态下，大部分刀具轴承的寿命可达到 900 h。但在施工过程中，由于各种原因的影响，轴承会发生早期损坏，主要损坏形式为剥离：滚道或滚动体表面剥离，呈凹凸状，以及保持架破坏等。
（4）刀体与刀盖之间的浮动密封失效，造成刀具漏油、泥沙进入刀体内影响轴承。造成刀具密封失效的原因通常与刀具零部件的自身质量和装配质量、刀具的使用工况和所掘进的岩石条件等因素有关。
3.刀具维修
（1）刀具维修项目判定。对刀具进行清理、拆解后，根据刀具的情况对需要维修的项目进行判定。
（2）部件更换，刀具的维修包括多个步骤，需要严格进行，保证刀具的维修质量。
（3）刀具装配。在装配过程中，对热装件（刀圈和轴承）严格控制加热温度，对紧固件严格控制紧固力矩；选用的刀圈要能满足工程地质实际需要；焊挡圈时一定要保证不在刀圈上点火。刀具在装配的过程中一定要针对不同工况调整、调配好静态扭矩，因为滚刀静转矩对整个滚刀的使用性能影响很大。如果静态扭矩太大，岩土对滚刀提供的主动转矩不足以克服滚刀静转矩，刀圈不会转动，刀圈偏磨；如果静态扭矩太小，轴承的游隙太大，承受力的轴承滚子少，容易使受力集中的滚子崩裂。滚刀静转矩主要由密封环阻力矩和轴承阻力矩决定。刀具装配过程中，如果密封件规格、尺寸、安装槽尺寸、润滑油（黏度）决定后，则静态扭矩通常是一个定值，静态扭矩的调整主要与轴承阻力矩的设定有关。
（4）维修后的标识。刀具维修好后，详细记录刀具维修情况并备案。维修好的刀具使用自喷漆进行明显标识，防止新旧刀具混淆。
二、刀具管理
1.刀具管理重要性
刀具管理在盾构施工中有着重要的位置，制定合理的刀具管理计划和方案对保证进度、控制成本和施工安全均起着重要的作用。如果施工中刀具管理不到位会直接增加换刀次数，影响施工进度，严重时会对刀盘造成破坏。特别是在全断面硬岩段、软硬不均段、全断面岩层段中掘进施工时更需要详细考虑，需要制定合理的刀具管理计划进行刀具管理。
2.刀具管理流程
刀具管理包括地质分析、管理计划的制定、换刀作业、刀具的维修、掘进中的刀具管理、磨损量的统计分析等，各项之间存在紧密的联系，是一个完整的体系。
3.防泥饼措施
盾构掘进时，在刀盘特别是刀盘的中心部位，易受中心回转体及支撑影响，开口率小，无法设置搅拌棒，并且中心线速度小，不利于渣土的改良及搅拌，故容易产生泥饼。为此施工中应采取一些技术措施。
（1）加强盾构掘进时的地质预测和泥土管理，特别是在黏性土中掘进时，要更加密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态。
（2）刀盘前部中心部位布置有数个泡沫注入孔。在这种地层掘进时可以适量增加泡沫的注入量和选择比较大的泡沫加入比例，减小碴土的黏附性，降低泥饼产生的几率。
（3）一旦产生泥饼，及时采取措施，必要时采用人工处理的方式清除泥饼。
（4）为防止结泥饼，尽可能将土压平衡掘进模式改为采用土舱顶部（1/5～1/6 舱位）加气的欠土压平衡模式掘进。
（5）通过调节掘进速度和螺旋输送机的转速来控制出碴量，防止冒顶，保护上部地层的稳定。在施工中随时根据碴土温度、碴土砂石的含量来判断所掘进地层的岩性。碴温的控制是指通过对碴土温度的感知了解刀具的工作环境，同时指导碴土改良和对刀具的保护。
5.刀具检查和换刀作业
在盾构施工作业中，要有计划地定时、定点对刀具进行检查，并对磨损超标的刀具进行换刀。换刀作业是一种危险性较高的作业，因此需要制定一套开舱作业程序，在换刀作业中严格执行，保证换刀作业的顺利实施。
6.刀具磨损的统计分析
刀具磨损统计分析是指在刀具更换完成之后，对在某种地层中掘进一段距离后刀具磨损量及磨损状况进行记录，并结合多次记录结果，对在此种地层中刀具的磨损规律进行总结，以对后续施工中确定换刀位置、施工中的刀具管理等进行指导。刀具的选用与维护对于工程的掘进效率有着非常重要的作用，同时在盾构施工中还需合理地选取掘进参数（如总推力、刀具贯入度、刀盘转速、扭矩等），最大程度地延长刀具的使用寿命，减少换刀频率，降低施工中频繁换刀的风险。做好对刀具的检测、分析、比较，总结刀具的使用经验，将结果及时反馈，才能更好地指导后续施工。
三、结语
刀具的选用与维护对于工程的掘进效率有着非常重要的作用，同时在盾构施工中还需合理地选取掘进参数（如总推力、刀具贯入度、刀盘转速、扭矩等），最大程度地延长刀具的使用寿命，减少换刀频率，降低施工中频繁换刀的风险。做好对刀具的检测、分析、比较，总结刀具的使用经验，将结果及时反馈，才能更好地指导后续施工。
参考文献
[1]何小娥.盾构机的刀盘和刀具[J].建设机械技术与管理，2010（5）.
[2]刘春光，刘晶，高伟贤.土压平衡盾构机刀具布置原则解析[J].矿山机械，2010（3）.
论文作者:周少华
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/2/9
标签：刀具论文; 盾构论文; 磨损论文; 刮刀论文; 轴承论文; 作业论文; 地层论文; 《基层建设》2017年第33期论文;