摘要：以天水曲溪城鄉(xiāng)供水工程采用雙護(hù)盾TBM進(jìn)行飲水隧洞掘進(jìn)施工為例，緊密結(jié)合該工程施工實(shí)際，根據(jù)TBM掘進(jìn)參數(shù)，分析了刀具磨損的原因，提出了刀具磨損的治理措施，闡述了刀具更換的原因和方法、刀具的檢查和保養(yǎng)要點(diǎn)，為TBM的正確使用和控制其刀盤刀具磨損提供了有益參考。

關(guān)鍵詞：雙護(hù)盾TBM；刀具磨損；刀具更換；改進(jìn)措施

0 引言

TBM是一種用于地下隧道施工的機(jī)械設(shè)備，按作業(yè)方式分為開敞式掘進(jìn)機(jī)和護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)。伴隨著地下空間的不斷開發(fā)，隧道工程發(fā)展迅速，TBM的利用率也越來(lái)越高。在TBM施工過(guò)程中，難免會(huì)遇到復(fù)雜地質(zhì)和施工難度大等問題，這些問題對(duì)TBM刀具的影響很大。刀具是TBM施工過(guò)程中投入的主要成本之一，減少刀具損耗、延長(zhǎng)刀具使用周期，對(duì)隧道工程節(jié)約施工成本、提高施工質(zhì)量和效率，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

天水曲溪城鄉(xiāng)供水工程飲水隧洞的主洞全長(zhǎng)為21.455km，該隧洞設(shè)計(jì)為無(wú)壓洞，其中隧洞出口的人工鉆爆段長(zhǎng)度為262.77m，隧洞進(jìn)口的人工鉆爆段長(zhǎng)度為30m，TBM掘進(jìn)控制段長(zhǎng)度為21162m。該工程主要地質(zhì)有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，包含花崗巖、大理巖、中泥盆統(tǒng)云母角閃片巖、角閃綠泥片巖等。該隧洞采用2臺(tái)開挖直徑均為4.03m的雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)TBM相向掘進(jìn)，其代號(hào)分別為TBM1和TBM2。

2 TBM掘進(jìn)參數(shù)分析與刀具配置

2.1 TBM掘進(jìn)參數(shù)分析

根據(jù)該工程施工地段地下圍巖種類不同，需對(duì)TBM掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。TBM1的不同地質(zhì)掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示，TBM2的不同地質(zhì)掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

TBM2施工段V類圍巖中，斷層破碎帶處理段占比75.5%，此段統(tǒng)計(jì)出的V類圍巖掘進(jìn)參數(shù)受斷層破碎帶脫困處理影響，其刀盤轉(zhuǎn)矩、總推力數(shù)值相對(duì)較大，暫不具備參考意義。

2.2 &nbs5b158df274daa5b6eaa577ddd88d5b6ap;雙護(hù)盾TBM刀具配置

雙護(hù)盾TBM刀盤上共有刀具26把，刀具尺寸均為17"。其中雙聯(lián)體中心滾刀為4組8把，其刀圈最大磨損量為25mm；面板單刃軸式滾刀為9把，其刀圈最大磨損量為25mm；邊緣軸式滾刀9把，其刀圈最大磨損量為15mm。另有2把擴(kuò)挖刀。雙護(hù)盾TBM刀盤上配置的刀具如圖1所示。

3 刀具異常磨損原因及治理措施

3.1 刀具異常磨損原因

3.1.1 設(shè)計(jì)制造方面的因素

一是由于存在設(shè)計(jì)缺陷，造成施工時(shí)刀具磨損嚴(yán)重；二是刀圈材質(zhì)與熱處理工藝存在缺陷，造成其硬度和耐磨性能不足；三是刀具裝配質(zhì)量有問題，造成刀具不耐用。

3.1.2 施工方面的因素

一是由于刀具磨損不均，造成刀具之間出現(xiàn)高度差，導(dǎo)致相鄰刀具承載力增加、磨損加快。二是地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，掘進(jìn)中硬巖與軟土不斷變換，造成刀具因不斷受到撞擊力而損壞。三是在地層土質(zhì)發(fā)生變化后，操作手未能及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，造成刀具磨損速度加快。四是地層中巖石堅(jiān)硬、耐磨、抗壓強(qiáng)度高，造成刀具切削效率降低、磨損加快。五是鏟刀磨損過(guò)大或缺失、鏟齒座損壞，造成出渣不利、刀盤底部積渣，導(dǎo)致邊緣滾刀及其刀體、刀盤體邊緣耐磨塊和耐磨條加快磨損。

3.2 治理措施

3.2.1 設(shè)計(jì)制造方面措施

對(duì)于設(shè)計(jì)制造方面的缺陷，聯(lián)系有關(guān)廠家并在在廠家指導(dǎo)下，選擇地質(zhì)圍巖情況較好的地段對(duì)刀盤進(jìn)行檢查。在刀盤相應(yīng)位置加焊耐磨塊、耐磨板、導(dǎo)流塊等配件，用于分擔(dān)圍巖對(duì)刀具的沖擊力、增加刀盤刀具的耐磨性。加裝導(dǎo)流塊可以更好的防止刀體上下端蓋的磨損。

刀體采用強(qiáng)度高的鋼材制作，刀刃采用高硬度、不易崩裂的硬質(zhì)合金材料制作。對(duì)刀具熱處理工序嚴(yán)格控制，生產(chǎn)出高硬度、高耐磨的刀具。

3.2.2 施工方面措施

在TBM掘進(jìn)施工之前，對(duì)刀盤磨損情況進(jìn)行檢查，對(duì)刀具磨損量進(jìn)行量測(cè)，發(fā)現(xiàn)刀圈磨損過(guò)大、偏磨的刀具及時(shí)更換。刀具組裝到刀座時(shí)，要裝配牢固不能松動(dòng)，滾刀的刀圈能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

在TBM掘進(jìn)過(guò)程中，每掘進(jìn)3環(huán)就要對(duì)刀盤、刀具磨損情況進(jìn)行檢查、測(cè)量，防止因檢查不及時(shí)造成刀具損壞。操作手應(yīng)時(shí)刻關(guān)注膠帶運(yùn)輸機(jī)出渣情況，隨時(shí)判斷巖石類別，調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，確保TBM高效運(yùn)行。

不同圍巖的特性不同，就要有不同的應(yīng)對(duì)方法。巖石的軟硬程度、耐磨性高低，都會(huì)影響刀具的磨損率。圍巖不同，刀盤的推力、扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)要及時(shí)調(diào)整到與巖石參數(shù)相匹配的狀態(tài)，以便有效降低刀盤刀具磨損。在TBM出渣異常時(shí)，要及時(shí)檢查鏟刀及鏟齒座。對(duì)損壞的鏟刀及鏟齒座及時(shí)更換或修復(fù)。

4 刀具檢查和保養(yǎng)

4.1 地質(zhì)情況較好時(shí)

地質(zhì)情況較好時(shí)，要對(duì)刀盤進(jìn)行主動(dòng)檢查。進(jìn)入刀盤前端以后，對(duì)刀具進(jìn)行量測(cè)，發(fā)現(xiàn)磨損過(guò)大的刀具予以更換。TBM掘進(jìn)過(guò)程中，刀具是不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的，如果刀具不轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具就會(huì)產(chǎn)生偏磨，從而加速刀具磨損。這就需要檢查人員在檢查時(shí)，對(duì)每一把刀具都檢查到位，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)不靈敏或者轉(zhuǎn)不動(dòng)的刀具，及時(shí)檢查其潤(rùn)滑是否正常，若不正常須及時(shí)更換。

4.2 地質(zhì)情況不好時(shí)

地質(zhì)情況不好，例如遇到塌方或者破碎帶時(shí)，就要進(jìn)行被動(dòng)檢查。此時(shí)每掘進(jìn)一、兩環(huán)就要進(jìn)入刀盤前端，對(duì)刀盤和刀具進(jìn)行檢查。若巖渣糊在刀盤上，不僅影響掘進(jìn)速度和出渣效率，還會(huì)增加刀盤轉(zhuǎn)矩和加劇刀具磨損。此時(shí)就需要維護(hù)保養(yǎng)人員手動(dòng)，對(duì)鏟倉(cāng)內(nèi)的積渣進(jìn)行清理，清理完成后繼續(xù)掘進(jìn)，以保證刀盤刀具高效運(yùn)行。

5 刀具更換

5.1 刀具更換原因

刀具磨損到極限位置、刀具轉(zhuǎn)動(dòng)軸損壞、滾刀的刀圈磨損到極限值或開裂，均需及時(shí)更換。中心刀與面刀安裝在刀盤的正前方，邊滾刀和擴(kuò)挖刀安裝在刀盤邊緣。當(dāng)邊滾刀和擴(kuò)挖刀磨損到極限尺寸以后，應(yīng)更換新刀，以防止因?yàn)閿U(kuò)挖不夠造成卡機(jī)等故障。

當(dāng)面刀磨損到極限尺寸以后，可將因正常磨損換下的邊滾刀換到面刀位置。這樣做的目的是將刀盤上的刀具保持在同一個(gè)高度，以便消除因刀具之間的高度差造成刀具加快磨損。

5.2 刀具更換方法

5.2.1 準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行刀具更換之前，需要進(jìn)行一系列的準(zhǔn)備工作，以確保刀具更換的安全、順利進(jìn)行。準(zhǔn)備工作包括：一是檢查刀具和所需的工具是否齊備；二是將TBM暫停運(yùn)行；三是對(duì)刀盤前面的土體進(jìn)行注漿加固處理，在開挖作業(yè)空間進(jìn)行必要的支護(hù)，以防止土方坍塌；四是清潔刀具周圍區(qū)域。

5.2.2 更換步驟

將磨損或損壞的刀具拆卸下來(lái)，按照說(shuō)明書或技術(shù)人員的要求正確安裝新刀具。在將舊刀具拆卸下來(lái)之后，注意觀察刀座是否損壞。如果刀座損壞不能使用，應(yīng)先將刀座修復(fù)之后再安裝新刀具。在安裝新刀具時(shí)，需要確保其與刀座緊密地固定，以避免在使用過(guò)程中出現(xiàn)松動(dòng)、脫落等問題。

在完成刀具更換后，要對(duì)新刀具進(jìn)行檢查：一是確認(rèn)新更換刀具的尺寸、型號(hào)和數(shù)量是否正確；二是對(duì)新刀具進(jìn)行調(diào)試，確保新刀具在TBM運(yùn)行時(shí)能夠正常使用：三是需要對(duì)新刀具進(jìn)行使用前的養(yǎng)護(hù)，確保新刀具的使用效果和使用壽命。

6 刀具維修

6.1 中心刀刀座磨損

刀座不僅具有固定刀具的作用，還具有降低刀具磨損的作用。如果刀座磨損過(guò)大，刀具固定不牢固，會(huì)增加刀具的磨損。檢查人員在檢查刀具的同時(shí)，必須檢查刀座，發(fā)現(xiàn)刀座故障應(yīng)及時(shí)修復(fù)。修復(fù)方法如下：將刀具拆卸下來(lái)，清理刀座周圍巖渣，將磨損面打磨平整，使用耐磨焊條對(duì)磨損部位進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊完成后將刀具裝入刀座并固定牢靠。刀座補(bǔ)焊實(shí)例如圖2所示。

6.2 滾刀刀圈斷裂

6.2.1 刀圈斷裂原因分析

滾刀刀圈斷裂就是刀圈崩口或者開裂，若繼續(xù)掘進(jìn)，會(huì)造成刀圈脫落或?qū)е赂鼑?yán)重后果。刀圈開裂的原因有很多，既有刀圈材質(zhì)、鍛造工藝、熱處理工藝等制造方面有問題，也有TBM掘進(jìn)過(guò)程中刀盤轉(zhuǎn)速、圍巖情況等施工方面的問題。滾刀刀圈斷裂實(shí)例如圖3所示。

滾刀刀圈所用材質(zhì)的強(qiáng)度、硬度達(dá)不到施工要求，鍛造和熱處理工藝不符合要求，容易造成刀圈斷裂。TBM掘進(jìn)時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速過(guò)快、刀具溫度過(guò)高且降溫不及時(shí)，會(huì)形成刀具耐磨度以及強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致刀圈開裂。當(dāng)TBM在圍巖比較均勻的地層施工時(shí)，刀圈所受到的載荷較為平緩，不易產(chǎn)生刀圈開裂。當(dāng)TBM遭遇圍巖分布不均或圍巖過(guò)硬地層時(shí)，會(huì)造成刀圈局部載荷瞬間增大，從而導(dǎo)致刀圈斷裂。

6.2.2 ?;預(yù)防措施

預(yù)防刀圈發(fā)生斷裂措施如下：一是制造時(shí)選擇符合材質(zhì)要求的材料；二是嚴(yán)格按照鍛造工藝和熱處理工藝進(jìn)行鍛造和熱處理，以達(dá)到刀圈的硬度和韌性要求；三是在掘進(jìn)過(guò)程中要及時(shí)、認(rèn)真檢查滾刀，掘進(jìn)時(shí)要注意控制刀盤轉(zhuǎn)速，時(shí)刻注意掘進(jìn)過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)變化情況，如果某項(xiàng)重要參數(shù)波動(dòng)太大，就要對(duì)滾刀進(jìn)行停機(jī)檢查；四是當(dāng)圍巖發(fā)生變化或遭遇硬巖時(shí)，要控制掘進(jìn)速度，防止因?yàn)榈侗P轉(zhuǎn)速過(guò)快或者推力過(guò)大造成刀圈斷裂。

7 刀具日常管理

不管是舊刀具還是新刀具，均需統(tǒng)一管理、統(tǒng)一登記，及時(shí)更新?lián)Q刀記錄。將換下來(lái)的磨損刀具及時(shí)運(yùn)至刀具車間，與廠家人員一起分析磨損原因、制定改進(jìn)措施。對(duì)可修復(fù)的舊刀具進(jìn)行清潔、拆解、修理，對(duì)破損嚴(yán)重、修理成本高的舊刀具可將其分解，將可用的零部件用作其他刀具的修理。刀具修理完成后，及時(shí)登記、存放，以備使用。

8 結(jié)束語(yǔ)

刀盤是TBM的掘進(jìn)利器，鑲嵌在刀盤上的每把刀具就像是TBM的牙齒，不斷對(duì)前方的巖石進(jìn)行切削。鏟齒用于將切削下來(lái)的巖渣鏟進(jìn)刀盤內(nèi)部，經(jīng)過(guò)落料斗送至膠帶運(yùn)輸機(jī)輸送出去。減少刀具的磨損，有利于保障TBM高效穩(wěn)定運(yùn)行。將刀具的每一個(gè)磨損原因分析到位，及時(shí)做出應(yīng)對(duì)方案，確保將刀具磨損率將至最低，不僅可提高TBM施工效率，還有利于降低刀具成本。

本文以天水曲溪城鄉(xiāng)供水工程采用雙護(hù)盾TBM進(jìn)行飲水隧洞掘進(jìn)施工為例，緊密結(jié)合該工程施工實(shí)際，根據(jù)TBM掘進(jìn)參數(shù)分析了刀具磨損的原因，提出了刀具磨損的治理措施，闡述了刀具更換的原因和方法、刀具的檢查和保養(yǎng)要點(diǎn)，為TBM的正確使用和控制其刀盤刀具磨損提供了有益參考。

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