李思南 王愛(ài)輝 唐 恒 劉繼成

（濟(jì)南中鐵重工軌道裝備有限公司，濟(jì)南 250000）

盾構(gòu)機(jī)的刀盤是盾構(gòu)施工實(shí)現(xiàn)破巖掘進(jìn)的主要部件，其中起決定性作用的就是應(yīng)用在刀盤上的各類盾構(gòu)刀具。盾構(gòu)刀具的種類分為滾刀、撕裂刀、刮刀等很多種，用于應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，但由于盾構(gòu)機(jī)的刀具在掘進(jìn)過(guò)程中直接與巖石接觸，隨著刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，接觸應(yīng)力波動(dòng)范圍較大，再加上地下巖層的不確定性，往往導(dǎo)致刀具的使用壽命并不長(zhǎng)。在刀具損毀的情況下，為能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，最快速度更換，高效正常地進(jìn)行盾構(gòu)施工，刀具的磨損檢測(cè)以及更換技術(shù)成為盾構(gòu)施工中一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。

1 刀具的磨損檢測(cè)技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)的刀具往往會(huì)因?yàn)槟p嚴(yán)重而導(dǎo)致失效，其中，常見(jiàn)的失效形式有：刀圈磨損或斷裂、崩刃、弦磨、刀圈松動(dòng)、軸承磨損失效等。除刀圈的磨損為正常損壞以外，其余失效形式均屬于非正常損壞。目前，常用的刀具的磨損失效檢測(cè)技術(shù)主要有以下五種：增加刀具磨損感應(yīng)裝置；使用異味添加劑；分析掘進(jìn)參數(shù)；分析渣土形狀以及開(kāi)艙檢查。

1.1 增加刀具磨損感應(yīng)裝置

在刀具或刀盤內(nèi)安裝液壓或電子傳感器系統(tǒng)，一旦刀具磨損到一定程度就會(huì)自動(dòng)提示報(bào)警。圖1為帶有磨損檢測(cè)器的掛刀原理圖。該系統(tǒng)由探測(cè)部分、發(fā)訊部分、接收部分三部分組成，采用線路連接，可同時(shí)在到盤上安裝多個(gè)這種帶有檢測(cè)器的刀具，使檢測(cè)結(jié)果更加及時(shí)準(zhǔn)確。

圖1 帶有磨損檢測(cè)器的刮刀原理圖

而應(yīng)用于滾刀上的磨損檢測(cè)裝置，比較常見(jiàn)的則是采用液壓油缸從刀盤伸出至滾刀刀尖，通過(guò)比較伸出的行程與最開(kāi)始行程的差值判斷滾刀的磨損量。此外，還有一些采用液壓短路、光纖維短路或者超聲波等方式來(lái)判斷滾刀磨損的檢測(cè)裝置。

1.2 使用異味添加劑

使用異味添加劑這種方法廣泛應(yīng)用于TBM（硬巖掘進(jìn)機(jī)）中，主要原理是在滾刀的軸承潤(rùn)滑油中，添加一種具有刺鼻異味的添加劑，當(dāng)掘進(jìn)過(guò)程中滾刀因磨損出現(xiàn)漏油的情況，施工作業(yè)人員會(huì)在第一時(shí)間聞到添加劑泄露散發(fā)出的刺鼻氣味，從而快速準(zhǔn)確地獲得刀具磨損失效的信息，在第一時(shí)間停機(jī)并對(duì)刀具進(jìn)行更換。

這種檢測(cè)方法同樣也存在一定的弊端，比如，在不進(jìn)入土倉(cāng)時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確判斷需要更換的刀具具體位置；在漏油前無(wú)法判斷刀具的磨損情況；適用范圍不廣，并不適用于土壓平衡盾構(gòu)施工或泥水盾構(gòu)施工。

1.3 分析掘進(jìn)參數(shù)

隨著刀具的磨損，在推力不變的情況下，掘進(jìn)速度一般會(huì)越來(lái)越低，扭矩越來(lái)越高，根據(jù)這些數(shù)據(jù)同樣可以估測(cè)刀具的磨損狀況。但是，由于掘進(jìn)的速度和扭矩受到很多因素的影響，如轉(zhuǎn)速的變化、推力的變化、地層的變化以及土壓的變化等，所以單憑掘金的參數(shù)往往還是難以直接得到準(zhǔn)確的結(jié)論。

1.4 分析渣土形狀

分析渣土形狀顧名思義就是根據(jù)排出渣土的形狀、大小、成分等來(lái)判斷刀具的磨損狀況。一般情況下，新刀切削下來(lái)的巖石塊度較大，大多為棱角分明的片塊狀；在刀具磨損后，巖石的塊度就會(huì)變小，同時(shí)還會(huì)夾雜較多的粉末一并排出。另外，還可以通過(guò)觀察排出的渣土中有無(wú)金屬塊狀物，這些金屬極有可能就是崩裂的刀圈或其他刀具。

1.5 開(kāi)艙檢查

開(kāi)艙檢查是最常用也是最可靠的方法，在停機(jī)后由工人進(jìn)艙刀具逐個(gè)進(jìn)行排查，從而了解刀具的磨損情況。需要注意的是在不穩(wěn)定的地層中，需要在開(kāi)艙前進(jìn)行加壓或?qū)ν馏w加固處理，因此，是這五種方案中危險(xiǎn)系數(shù)最大的。

2 刀具的更換技術(shù)

2.1 準(zhǔn)備工作

當(dāng)通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在磨損失效的刀具時(shí)，就必須及時(shí)安排人員進(jìn)入土倉(cāng)進(jìn)行換刀作業(yè)。刀具的更換是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，必須在確保人身安全的前提下進(jìn)行，因此，在更換刀具之前必須做好充分的準(zhǔn)備工作。

（1）在進(jìn)行換刀作業(yè)之前，首先必須對(duì)施工情況有一個(gè)整體規(guī)劃，對(duì)施工區(qū)地質(zhì)情況需要調(diào)查清楚，重點(diǎn)留意施工的重難點(diǎn)，并提前策劃好應(yīng)對(duì)各重難點(diǎn)的技術(shù)方案。開(kāi)倉(cāng)之前應(yīng)與盾構(gòu)機(jī)主司機(jī)及土木工程師共同討論，落實(shí)刀具損壞情況，確定出最佳的開(kāi)倉(cāng)換刀方案，同時(shí)備好所需的材料和工具，提前做好人員培訓(xùn)工作。

（2）材料與設(shè)備的準(zhǔn)備工作是決定換刀效率快慢的重要因素，物資和材料準(zhǔn)備得充分，往往使換刀工作能夠達(dá)到事半功倍的效果。此外，換刀作業(yè)需要用到的工具同樣決定了換刀作業(yè)的效率，提前準(zhǔn)備好包括風(fēng)動(dòng)扳手、手拉葫蘆等先進(jìn)的作業(yè)工具，同時(shí)檢查盾構(gòu)機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，做好水電以及高壓空氣的供應(yīng)工作，確保作業(yè)人員在一個(gè)良好的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行換刀作業(yè)。

（3）盾構(gòu)機(jī)的換刀是一項(xiàng)十分危險(xiǎn)的作業(yè)工序，因此，除換刀作業(yè)人員外，還必須單獨(dú)組織成立一個(gè)應(yīng)急救援小隊(duì)。救援小隊(duì)成員必須經(jīng)過(guò)專業(yè)的培訓(xùn)且具有換刀作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，以防止意外情況發(fā)生。

（4）開(kāi)倉(cāng)前需要嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)定的審查流程，先由工程部門討論并總結(jié)出開(kāi)倉(cāng)相關(guān)技術(shù)方案，經(jīng)過(guò)土木總工程師和機(jī)電總工程師審查確認(rèn)，報(bào)項(xiàng)目經(jīng)理并簽發(fā)，最后經(jīng)過(guò)業(yè)主和監(jiān)理同意后，方可開(kāi)倉(cāng)換刀。

2.2 刀具的更換流程

以盤形滾刀為例，刀具的更換作業(yè)必須按部就班的進(jìn)行。首先是換刀的順序，一般情況下，應(yīng)從中心滾刀開(kāi)始，隨后依次向外，對(duì)每個(gè)滾刀逐一檢查并更換。當(dāng)檢查到磨損失效的刀具時(shí)，需先用懸掛在土倉(cāng)頂部吊耳上的手動(dòng)倒鏈將失效滾刀運(yùn)出，再將裝配位置清洗干凈，之后依次將新刀具運(yùn)送進(jìn)入土倉(cāng)并逐個(gè)進(jìn)行安裝。安裝完畢后必須用扭矩扳手緊固所有螺栓達(dá)到規(guī)定扭矩并做好標(biāo)記。

在換刀作業(yè)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）磨損后的刀具并不一定沒(méi)有使用價(jià)值，按照規(guī)定，單刃正面滾刀的最大磨損極限為25mm，而單刃側(cè)面滾刀的最大磨損極限為15mm，因此，為了節(jié)約成本，更換下來(lái)的側(cè)面滾刀有時(shí)還可繼續(xù)用作正面滾刀。

（2）為平均每一個(gè)刀具的貫入量及受力情況，相鄰的兩個(gè)刀具最大磨損量差值不得超過(guò)15mm，如出現(xiàn)相鄰刀具最大磨損差值大于15mm的情況，應(yīng)立即對(duì)其中磨損較嚴(yán)重的刀具進(jìn)行拆卸并更換。

（3）為確保刀具刀軸螺栓的緊固，建議在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一至兩環(huán)后，對(duì)刀具螺栓進(jìn)行二次緊固。

2.3 常壓情況下的換刀作業(yè)

當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)的地層為穩(wěn)定性較強(qiáng)的硬巖或自穩(wěn)能力強(qiáng)的地層時(shí)，可視具體情況采用不帶壓進(jìn)倉(cāng)，在常壓環(huán)境下進(jìn)行換刀作業(yè)。

常壓狀態(tài)下的換刀作業(yè)操作流程從前往后大致分為以下幾步：刀盤刀具的清理工作、刀具磨損情況的檢查評(píng)估工作、換刀計(jì)劃的制定工作、損壞失效刀具的拆除工作、新刀具的安裝工作、刀具更換的記錄工作、設(shè)備運(yùn)行前的整體檢查工作。為了設(shè)備的正常運(yùn)行，上述幾個(gè)步驟缺一不可。

2.4 帶壓情況下的換刀作業(yè)

泥水盾構(gòu)施工和土壓平衡盾構(gòu)施工時(shí)，由于開(kāi)挖地層不穩(wěn)定，在不加壓的情況下易發(fā)生塌陷，因此，在刀具磨損失效時(shí)，則需要施工人員在帶壓環(huán)境下進(jìn)倉(cāng)對(duì)刀具進(jìn)行檢查和更換。人員艙的加壓與減壓必須嚴(yán)格按照國(guó)家《空氣潛水減壓技術(shù)要求》GB1251-2008所規(guī)定的原則執(zhí)行，不能擅自更改調(diào)整。

以土壓平衡盾構(gòu)施工的帶壓換刀為例，帶壓換刀前首先要保證具備以下幾個(gè)條件：

（1）帶壓換刀地段土倉(cāng)應(yīng)具有良好的氣密性，保證不會(huì)發(fā)生較大的氣體泄漏，如氣密性不好需進(jìn)行加固處理。

（2）刀盤的前方不能出現(xiàn)股狀水，如出現(xiàn)股狀流水必須提前進(jìn)行加固。

（3）土壓最大不得超過(guò)0.36Mpa。

確認(rèn)帶壓換刀條件允許后，即可開(kāi)始進(jìn)行帶壓換刀作業(yè)，帶壓換刀主要原理是通過(guò)在土倉(cāng)內(nèi)建立合理的氣壓用來(lái)平衡周圍水土的壓力，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定掌子面、防止地下水外滲的作用，為刀具更換提供良好的作業(yè)環(huán)境。

土壓平衡盾構(gòu)帶壓換刀作業(yè)工藝流程大致分為以下幾步：停機(jī)→土倉(cāng)注膨潤(rùn)土→超前注漿加固→出土至人倉(cāng)口以下→檢測(cè)氣密性→確定壓力→帶壓檢查→帶壓換刀作業(yè)→脫困掘進(jìn)→正常掘進(jìn)。

其中，檢測(cè)氣密性不只是針對(duì)土倉(cāng)，還要對(duì)人員艙進(jìn)行氣密性實(shí)驗(yàn)。如果人員艙出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，則需要立即對(duì)人員艙門進(jìn)行密封處理；如果土倉(cāng)氣密性不好，則需要返回之前的步驟，再注入膨潤(rùn)土和注漿加固，直到保證土倉(cāng)在兩小時(shí)內(nèi)壓力不會(huì)發(fā)生波動(dòng)為止。

帶壓檢查要求專業(yè)工程技術(shù)人員帶壓進(jìn)入土倉(cāng)，對(duì)當(dāng)前地質(zhì)情況以及刀具的狀況進(jìn)行檢查并確認(rèn)，根據(jù)檢查結(jié)果制定換刀方案，同時(shí)，安排各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。其中，對(duì)地質(zhì)情況的檢查內(nèi)容主要是：地層加固效果、土倉(cāng)透水情況、地層取樣、掌子面地質(zhì)情況等；刀具的檢查內(nèi)容主要是：檢測(cè)刀具磨損量、檢測(cè)刀盤面板磨損量以及其他關(guān)鍵部位磨損情況。

施工人員在帶壓換刀作業(yè)必須嚴(yán)格按照技術(shù)部門制定的方案進(jìn)行，配合盾構(gòu)機(jī)操作人員以及緊急救援人員，逐一對(duì)磨損失效的刀具進(jìn)行拆卸和更換。更換刀具建議按照先易后難的原則進(jìn)行，優(yōu)先處理便于更換的刀具。拆卸螺栓使用氣動(dòng)扳手，緊固螺栓使用手動(dòng)扭矩扳手，充分保證刀具安裝的質(zhì)量。需要注意的是為了安全起見(jiàn)，帶壓作業(yè)嚴(yán)禁使用電動(dòng)工具，因此，在拆除刀具時(shí)如出現(xiàn)斷螺栓情況，通常會(huì)采用兩種處理方法：當(dāng)出現(xiàn)螺栓斷裂且斷面在螺孔外的情況時(shí)，直接使用扳手拆除即可；當(dāng)出現(xiàn)螺栓斷裂且斷面在螺孔內(nèi)的情況時(shí)，需要先用風(fēng)動(dòng)手鉆打孔，再用取絲器取出斷裂的螺栓。另外，若刀具發(fā)生了偏磨現(xiàn)象，則掌子面就會(huì)出現(xiàn)突出于掌子面的巖石，若換上新刀具后沒(méi)有處理就開(kāi)始掘進(jìn)，會(huì)導(dǎo)致新?lián)Q刀具在一開(kāi)始掘進(jìn)就以很大的貫入量切削巖石，使刀具極易出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，對(duì)刀具的損害非常大，嚴(yán)重影響施工效率，因此，為避免上述情況發(fā)生，當(dāng)發(fā)現(xiàn)舊刀具存在偏磨現(xiàn)象時(shí)，在刀具更換完成后必須將突出的巖石進(jìn)行切削處理。

長(zhǎng)期處于帶壓環(huán)境下會(huì)使人感到疲勞，因此，作業(yè)人員在帶壓環(huán)境下最多不得超過(guò)三個(gè)小時(shí)，如作業(yè)超過(guò)三小時(shí)，作業(yè)人員需要立即出倉(cāng)休息，并安排新一組人員進(jìn)倉(cāng)作業(yè)。所有刀具的檢查更換工作都進(jìn)行完畢后，作業(yè)人員需將所有帶入土倉(cāng)的作業(yè)工具全部拿出，后由技術(shù)人員對(duì)更換完成的刀具的質(zhì)量做最后的檢查，確認(rèn)所有人員及作業(yè)工具都離開(kāi)土倉(cāng)后，關(guān)閉倉(cāng)門繼續(xù)掘進(jìn)工作。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，21世紀(jì)是隧道及地下空間大發(fā)展的時(shí)代，中國(guó)作為世界上最大的隧道及地下工程施工市場(chǎng)，前景十分廣闊。盾構(gòu)機(jī)的刀具的檢測(cè)技術(shù)和更換技術(shù)在近幾年發(fā)展迅速，針對(duì)各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，對(duì)應(yīng)研發(fā)出了各種不同的刀具檢測(cè)和刀具更換技術(shù)，掘進(jìn)效率逐步提高，施工安全性也得到了極大保障。目前，刀具的檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器遠(yuǎn)程檢測(cè)，未來(lái)將主要以提高檢測(cè)的精度為目的進(jìn)一步發(fā)展刀具的檢測(cè)技術(shù)。至于刀具的更換技術(shù)，目前還必須由作業(yè)人員親自進(jìn)入土倉(cāng)進(jìn)行更換，如未來(lái)能夠突破換刀自動(dòng)化的瓶頸，實(shí)現(xiàn)換刀機(jī)械或換刀機(jī)器人代替人工進(jìn)行換刀作業(yè)，不僅能節(jié)省人力物力資源，還能極大提高工作效率，保障施工作業(yè)安全。