盾构机刀盘刀具磨耗改进方法研究

盾构机刀盘刀具磨耗改进方法研究

赵夫强

赵夫强

广东华隧建设股份有限公司广东广州510000

摘要：本文结合工程实例，通过对盾构机刀盘刀具实际磨损情况的了解，对其磨损原因进行深入分析，提出了优化盾构刀盘耐用性的改进方法，以供相关人员参考借鉴。

关键词：盾构机；刀盘；磨损；改进

0前言

刀盘作为盾构机的关键部件之一，主要起到开挖土体、稳定工作面及搅拌土砂的功能。由于刀盘属于直接工作消耗型设备，其使用性能直接关系到盾构的开挖效率、使用寿命及工程费用。如果在盾构机工作进行中，刀盘刀具磨损严重，不但会让工程造价加大，更可能危机工作人员的的安全，因此，对其采取合理的改进方法，提高盾构机刀盘刀具使用寿命，具有一定的现实意义。

1工程概况

某地铁区间隧道呈东向西走向，左线隧道全长1017m，区间隧道埋深9m～14m，地下水位埋深9.7m～12.3m，主要为潜水，含水层为中砂层、粗砂层及粉质粘土层。含水率约17%，渗透系数选用25m/d～35m/d。

区间地层自上而下依次为：素填土、黄土状土、中/细砂、粗砂、粉质粘土、粗砂等。科—太区间隧道主要通过②-5层中砂及②-6层粗砂层，砂层为密实状态，标贯在45击～90击。砂层的矿物成分以石英为主（44%），斜长石为38%。

区间隧道掘进采用国产的土压平衡盾构机施工。该区间于2014年6月始发，2014年10月初科—太左线盾构掘进至480环左右（以膨润土泥及泡沫进行碴土改良），盾构掘进刀盘扭矩有增大趋势、掘进速度降低，至10月底掘进至504环，扭矩达到5000多，掘进速度在10mm/min，也多次请专家来现场诊断及指导掘进，决定采用泥水保压置换的模式掘进，11月20日掘进至524环，掘进速度只有4mm/min，盘扭矩经常超过额定值而脱扣。

11月23日进行了带压进仓检查，土仓内基本无结泥饼情况，刀具磨损严重，刀盘刀具需要进行修复后才能满足剩余掘进任务（剩余154环）。

2刀盘类型及磨损情况

2.1刀盘类型及刀具选型

刀盘类型及刀具布置要适应所施工标段的地质情况，这就要求设备采购人员在盾构定购前要充分了解施工的地铁的地质情况，必要时还要会同设备厂家的设计人员，对刀盘布置进行适合性研究及选型。鉴于隧道工程地质实际情况，该工程盾构机采用了如图1所示的辐条式刀盘。

4提高刀盘耐用性的措施

4.1施工控制、参数选择

4.1.1合理选择刀盘转速

盾构机在掘进过程中，选择合适的掘进参数对安全快速掘进有重要的实际作用。在掘进过程中，有经验的掘进司机会根据掌子面实际的地质情况选择正确的推力及转速。根据大量的统计的资料总结，采用下列公式计算盾构机刀盘外圈刀具磨损量：

δ=1/10×K×π×D×N×L/V。

其中，δ为磨损量，mm；K为磨耗系数，mm/km；D为盾构刀盘外径，m；N为刀盘的转动速度，r/min；L为掘进距离，m；V为掘进速度，cm/min。

从刀具磨损量公式分析：刀具磨损量δ与刀盘转速N成正比，与刀盘掘进速度V成反比。刀盘转速越高刀盘磨损量越大，掘进速度越低磨损量越大。因此应根据地质要求选择各参数，针对砂层，据实际经验测算刀盘转速建议取1.2rpm～1.3rpm对盾构机的正常掘进及刀盘保护较为合适。

4.1.2对开挖土体进行改良

在一定转速和压力条件下刀盘进行地下开挖，刀具要承受很高的工作压力和温度，恶劣的工作条件会降低刀具的使用寿命。选择合适的土体改良剂（如泡沫、膨润土等），并根据地质情况，进行科学的动态施工管理，改善土体的流塑性，使之切削成流动型，不仅可以减少对刀盘面板和刀具的磨损，而且还可以防止切下来的泥砂和碎石对刀盘以及螺旋输送机的堵塞，同时改良剂的添加对刀具起到一定的润滑和冷却作用，延长了刀具使用寿命。

在地层环境，实现开挖土体的良好改良，最重要的是保持刀盘喷口具有较好单向阀功能，即改良剂可随时通过喷口渗入土体。故盾构始发前应仔细检查改良剂注入通道是否完全通畅，使用过程中防止杂质混入改良剂造成喷口堵塞等，另外刀盘掘进时注意地层变化，以便及时调整改良剂的种类及配比。

4.1.3交替使用刀盘正反转避免刀具偏磨

盾构机在掘进时应适时交替使用刀盘正、反转，并尽可能使正、反方向切削刀的切削长度相同。盾构机刀盘经常在一个方向长时间转动不仅会产生偏磨现象，而且会导致参与切削的刀具磨损到一定程度后，用于相反方向的刀具与开挖面的摩擦加剧，而导致剧烈磨损。因此通过刀盘顺时针和逆时针方向的切换，使对称布置的主切削刀具均匀使用，可避免边缘刀具磨损量相差过大，从而达到延长主切削刀具使用寿命的目的。

4.2刀盘刀具设计优化

针对砂层和类似地层，为保证土压平衡盾构机刀盘的耐用性或耐磨性，在设计时应注意以下几个方面：

（1）加强刀盘大圆环的耐磨性：原设计为在刀盘大圆环外表面堆焊耐磨网格，所能堆焊的厚度最大为5mm，优化之后可在刀盘大圆环外表面焊接2圈～3圈HAＲDOX500耐磨钢板条，或者整圈δ20mm～δ30mm的耐磨复合钢板，因耐磨钢板的耐磨厚度可为40mm～60mm，耐磨复合钢板的耐磨厚度可为10mm～15mm，耐磨性高于直接堆焊耐磨网格；

（2）优化先行刀和切刀设计：在砂层主要应考虑刀具的耐磨性，刀具合金材料应选择硬度或耐磨性稍强的材料，如日本E5类材料，其次刀具合金的体积即允许磨损量、刀具数量应与所掘进地层相匹配，以减少换刀次数。上述工程刀盘先行刀和切刀合金加宽、高度加高5mm；周边先行刀增加4把，并采取分层布置，使刀盘具有较强的保径能力。

5结语

综上所述，在不同的地质条件下盾构机刀盘刀具存在着不同程度的磨耗，通过从设计、选型、使用、维护等多方面进行改进，可以延长刀具的使用寿命。使用性能良好的盾构机刀盘，可以降低盾构机施工的成本，保证工程进展顺利，实践表明，该改进方法行之有效，可以为后期盾构施工作业提供应用参考。

参考文献：

[1]宋克志、潘爱国.盾构切削刀具的工作原理分析[J].建筑机械.2007（03）

[2]管会生、高波.盾构刀盘扭矩估算的理论模型[J].西南交通大学学报.2008（02）