摘要：根据工程案例，文章介绍了刀盘刀具磨损状况，分析盾构刀盘进行砂层施工过程中导致刀盘、刀具发生磨损的原因，同时提出了增强盾构刀盘耐用性的方法和措施，希望能给应用盾构施工工程一定的帮助。
关键词：砂层盾构机；刀盘刀具磨损；磨损
盾构机在各城市的地铁隧道施工过程中有重要作用，它具有生产效率高、安全环保、具有综合经济效益等优势。盾构机施工掘进时，会遇到各种不同地质条件，比如软弱围岩、不成形淤泥、硬岩、流砂、砂层等。刀盘是盾构机的重要掘进部件，进行掘进前，要根据不同的地质条件选择盾构类型和进行刀盘改造。盾构机应用于长距离砂层时，会很严重的磨损刀盘刀具，进而降低了盾构掘进质量和效率，也会减少刀盘应用寿命，增加工程成本和工期，也会影响盾构机安全和操作人员安全。
1、工程情况
某隧道工程的走向是从东向西，左边的隧道总长度1017米，整个隧道区间埋深 9 米～14米，地下水位主要是潜水，埋深 9.7 米～12.3 米，含水层是粉质粘土层、粗砂层、中砂层。其中的含水率在17%左右，相应的渗透系数是25 m/d ～ 35 m/d。区间地层从上到下的顺序为素填土、黄土、中砂、粉质粘土、粗砂等。科—太区间隧道砂层是密实状态，主要通过②-5层中砂和②-6层粗砂层，标贯在45击～90击。区间隧道的掘进应用相应的土压平衡盾构机。在科—太左线盾构掘进过程中，不断的进行诊断和调整，进行了渣土改良，可是刀盘扭矩增大，掘进速度减慢；经七个月的掘进，最后进行带压进仓检查，发现刀具磨损严重，修复后才可以完成剩余的154环掘进任务。
2、刀盘刀具磨损
盾构机在掘进787.5 米后，实施带压进仓检查，检查和清理刀盘，发现了刀盘刀具都受到了磨损，其中磨损最严重的是保径刀[1]。为保证检修刀盘和换刀的快速安全，项目施工设置竖井，在竖井进入到刀盘的前面检查清洗，会很明确的观察到刀盘的外围板磨损损害最大，而刀盘的中心和圆周位置磨损的比较小，也就是刀盘越到外边缘磨损就越大，本项工程的具体损坏情况有以下几方面。第一，刀盘的大圆环在径向的方向上磨损在40 mm左右，个别地方磨损程度在80 mm 左右; 第二，有8把刀的刮刀和刀座、保径刀16把都已经全部受到磨损；第三，刀盘的外周部位切刀有50 mm～60 mm的磨损，和刀盘中心比较接近的切刀有10mm～30 mm磨损; 第四，在刀盘的最外边缘的先行刀片全部磨损了，而刀盘的正面且和周边比较靠近的位置刀具先行推进，刀具有60 mm～95 mm的磨损，距离刀盘中心位置的先行刀有30 mm～40 mm的磨损。
3、刀盘刀具的磨损原因
盾构机在掘进中，刀具和刀盘给其前方土体造成很大压力，转动刀盘时，刀具和其前方土体有很大切割力，也有很大摩擦，致使刀具刀盘受到严重的磨损。根据对刀盘的检查，刀盘盘体和刀具有严重的磨损，根据收集的资料和数据科学分析，致使盾构刀盘磨损的原因有下面几点[2]。第一，盾构穿越地层是全断面的中粗砂层，其砂层很密实，并且含有将近50%的石英石，这样的地层会对刀盘造成很大磨损，在盾构掘进中没及时更换和检查刀具，而造成磨损的增加；第二，转动刀盘时，四周周边会有最大的线速度，因此也就磨损更大。第三，长距离的砂层掘进，四周刀具在磨损到一定程度后，刀座和大圆环磨损增加了，大圆环和刀座没有刀具的耐磨性，因此刀具周边全部磨损，刀盘盘体、刀座都会有很大的磨损。
4、有效增强刀盘耐用性方法
4.1 科学设计刀盘转速
盾构机掘进中，对于掘进参数要合理选择，进行保证安全掘进速度。掘进时，要根据掌子面地质具体实际情况，应用和选择合适的转速和推力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆依据各种资料分析总结，通常应用下面公式计算相应的盾构机的刀盘外圈刀具产生的磨损量:
δ = 1 /10 × K × π × D × N × L / V
δ表示为磨损量，单位是mm；
K 表示磨耗系数，单位是mm/km；
D 表示盾构刀盘外径，单位是m；
N 表示刀盘的转动速度，单位是r/min；
L 表示掘进距离，单位是m；
V 表示掘进速度，单位是cm/min。
根据刀具磨损量的计算公式可以看出，刀具磨损量δ和刀盘转速N成正比，和刀盘掘进速度V成反比。也就是刀盘转速增加，刀盘磨损量就增大，掘进速度减小，磨损量也增大。所以，要结合地质实际需要选择参数，根据砂层和实际经验及相应的计算，选择速度1.2 rpm～1.3 rpm 比较适合保护刀盘，适合盾构机掘进施工。
4.2改良土体
在一定压力条件下，以相应的转速开展地下挖掘，刀具会有很高压力和温度，土质工作条件恶劣会增加刀具磨损，减少刀具应用寿命。选择和应用相应的土体改良剂，结合地质实际情况，对施工实施科学动态管理，对土体的流塑性进行改善，形成流动型，能降低刀具、刀盘面板磨损，同时能避免切下来的碎石和泥砂堵塞刀盘和螺旋输送机。并且，添加改良剂可以冷却和润滑刀具，可以有效延长刀具的应用寿命。在地层环境下改良开挖土体，要确保刀盘喷口单向阀作用，就是要使改良剂能随时经喷口进入土体而不堵塞通道。所以，盾构机在进行掘进前要对改良剂进入口和通道仔细检查，在行进中避免杂质混入堵塞喷口等，同时，要关注地层变化，技术调整改良剂配比和种类。
4.3合理使用刀盘
盾构机掘进过程中要进行刀盘的正、反转交替使用，要尽量让正、反方向的切削刀具有相同的切削长度，降低刀具的磨损[3]。如果盾构机刀盘使用时一个方向时间过长，会造成偏磨情况，也会因刀具磨损过大，使反方向刀具和开挖面增加摩擦力，进而磨损剧烈。所以，要实时切换相应的刀盘方向，让对称刀具使用均匀，防止边缘刀具产生的磨损量差别过大，进而能有效延长主切削刀具的应用寿命。
4.4科学合理设计刀盘刀具
根据砂层及类似地层，要确保土压平衡盾构机的刀盘，增加耐磨性和耐用性，设计时要注意下面几点。第一，增强刀盘大圆环耐用性和耐磨性。通常设计是把耐磨网格堆焊在刀盘大圆环外表面，一般最大堆焊厚度是5 mm，科学优化后能把2圈～3圈的HAＲDOX500耐磨钢板条焊接在刀盘大圆环的外表面，或者是焊接整圈δ20 mm～δ30 mm的耐磨复合钢板，耐磨钢板有40 mm～60 mm的耐磨厚度，耐磨复合钢板也有10mm～15 mm的耐磨厚度，其耐磨性能远比耐磨网格高；第二，优化设计切刀和先行刀。砂层要重点研究刀具耐磨性，选择硬度高耐磨强的刀具合金材料，比如，日本E5类材料。另外要合理科学匹配刀具合金体积，也就是刀具数量、允许磨损量要和掘进地层合理匹配，进而降低刀具更换次数。案例工程的刀盘切刀及先行刀的合金高度和宽度都增加了；周边线先行刀也增加了4把，同时应用分层布置，让刀盘保径能力更强。
结束语：
综上所述，在盾构机掘进时，刀盘和刀具因不同地质条件而会有不同磨损，尤其是砂层地质中，刀具刀盘会有更大磨损。在具体的砂层盾构掘进时，分析刀盘刀具磨损原因，提出相应增强盾构刀盘耐用性的方法和措施，希望可以给盾构设计及施工提供一些参考。
参考文献：
[1]申会宇.砂层盾构机刀盘刀具磨耗分析及措施[J].山西建筑,2015(26):218-219.
[2]缪楠.盾构机刀盘磨损的修复工艺及预防措施探讨[J].工程机械与维修, 2015(7):84-86.
[3]覃孟扬, 黎正存,刘亚俊,等.基于地质条件的盾构机刀盘耐磨条磨损机制实验研究[J].机床与液压, 2016, 44(1):55-58.
论文作者:刘建军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/23
标签：磨损论文; 盾构论文; 刀具论文; 耐磨论文; 地层论文; 圆环论文; 地质论文; 《基层建设》2019年第4期论文;