淺談全斷面硬巖盾構(gòu)掘進(jìn)刀具的選擇與更換

鄭曉飛　王栓　郝保安　羅興元

[摘要]在硬巖地層條件下，掘進(jìn)存在的問題是刀具磨損嚴(yán)重，掘進(jìn)速度慢，且在控制不當(dāng)?shù)那闆r下易造成刀具非正常損壞，可能對刀盤造成磨損或損壞。依據(jù)廣州市軌道交通七號線一期工程南村站一中間風(fēng)機房（不含）區(qū)間，盾構(gòu)掘進(jìn)穿越硬巖的實例。通過選擇合理的刀具及配置，分析施工中刀具的磨損原因并采取應(yīng)對措施，有計劃地更換刀具，建立完善的刀具更換流程并加強管理等，確保盾構(gòu)茌硬巖中安全順利推進(jìn)。

[關(guān)鍵詞]硬巖；盾構(gòu)掘進(jìn)；刀具選擇；刀具更換

一.工程概況

廣州市軌道交通七號線一期工程南村站～中間風(fēng)機房（不含）盾構(gòu)區(qū)間，線路縱斷面為下坡，最大坡度為26‰，線路埋深12.04m～36.73m，隧道頂覆土7.86m～32.55m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，隧道主要穿行于<6>全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、<7>強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、<8>中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、<6Z>全風(fēng)化混合花崗巖、<7Z>強風(fēng)化混合花崗巖、<8Z>中風(fēng)化混合花崗巖和<9Z>微風(fēng)化混合花崗巖等。

區(qū)間左線長1678.269m，穿越<8Z>中風(fēng)化混合花崗巖、微風(fēng)化混合花崗巖及其混合巖地層為962.57m，占左線線路的57.35%。區(qū)間右線長1703.560m，穿越<8Z>中風(fēng)化混合花崗巖、

（2）刮刀出現(xiàn)磨損、脫落、崩裂等，特別是刀盤外周的刀具磨損嚴(yán)重，以至于滾刀破巖后巖石無法正常刮落。輔助刀具對滾刀保護(hù)基本失去作用，導(dǎo)致滾刀受損嚴(yán)重。

（3）刀具螺帽發(fā)生松動現(xiàn)象，甚至螺桿出現(xiàn)脫落，此時繼續(xù)掘進(jìn)時，松動的刀具隨著刀盤轉(zhuǎn)動，刀軸也會跟著抖動造成刀具無法正常受力破巖，從而影響刀具壽命。

（4）盾構(gòu)姿態(tài)不均衡，茌調(diào)節(jié)姿態(tài)時各分區(qū)油缸壓差過大，使整個刀盤面受力不均，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)動刀盤時刀具在不同位置受到的阻力扭矩不同，刀具旋轉(zhuǎn)不均勻，引起刀圈偏磨。

（5）海瑞克盾構(gòu)機邊緣滾刀（31#-39#）布置較為薄弱，每個邊緣輪廓軌跡上只有一把刀具，一旦發(fā)生刀具損壞，易引起周邊刀具連鎖性破壞。

4.2應(yīng)對措施

（1）盾構(gòu)茌全斷面硬巖中掘進(jìn)時，采用敞開式掘進(jìn)模式，加快螺旋機轉(zhuǎn)速，減少土倉內(nèi)的積土。通過向掌子面注入泡沫，降低刀具溫度，潤滑刀具，以此減少對刀具的影響。

（2）將刀具螺母全部更換為自鎖螺母，墊片更換為陰陽子母墊片，防止在掘進(jìn)中松動。

（3）在保證盾構(gòu)姿態(tài)的情況下盡量控制各分區(qū)的油缸壓力差在50bar以內(nèi)，在全斷面硬巖地層每一環(huán)盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整量應(yīng)控制在5mm以內(nèi)。

（4）關(guān)注掘進(jìn)參數(shù)的變化，參數(shù)異常時，選擇合適地點，盡快開倉檢查刀具和掌子面情況。掘進(jìn)參數(shù)的選擇以保護(hù)刀具為原則，按高轉(zhuǎn)速、低扭矩選取參數(shù)，掘進(jìn)參數(shù)控制范圍：推力800-1200T，刀盤轉(zhuǎn)速1.7～2.2r/min，刀盤扭矩1600-2800KN·m，掘進(jìn)速度≤25mm/min。

（5）勤檢查刀具，及時對松動的螺栓進(jìn)行復(fù)緊，偏磨和磨損超限的刀具及時更換，避免造成周圍刀具的磨損損壞。

（6）堅持在土倉隔板處巡視觸聽土倉中的異常聲響，及時發(fā)現(xiàn)并盡早清除土倉中的異物，也是保護(hù)刀具非正常損壞的重要措施。

五.刀具管理

建立嚴(yán)格的刀具檢查管理制度，制定定期和不定期刀具檢查制度，是盾構(gòu)機在硬巖掘進(jìn)的必要保障，刀具管理要有專業(yè)的人員來管理和維護(hù)。-

5.1建立定期和不定期刀具檢查制度

（1）定期刀具檢查制度

一是刀具更換完成后，推進(jìn)1-2環(huán)，檢查刀具的情況并對刀具螺栓進(jìn)行復(fù)緊；二是每掘進(jìn)10環(huán)進(jìn)行刀具的常規(guī)磨損檢查，根據(jù)刀具檢查結(jié)果，制定刀具維護(hù)、更換方案。

（2）不定期刀具檢查制度

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)值班土建工程師和盾構(gòu)司機根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)的異常和刀盤發(fā)出的異常聲響等情況，對刀具進(jìn)行檢查，根據(jù)刀具檢查結(jié)果，制定刀具維護(hù)、更換方案。

（3）刀具檢查內(nèi)容

刀具的檢查包括螺絲是否松動、斷絲，刀圈是否破裂、脫落，刀具是否偏磨并用卡尺檢查磨損量等。

5.2刀具更換標(biāo)準(zhǔn)

（1）正面滾刀刀圈磨損量在15～20mm時須換刀，邊緣滾刀刀圈磨損量為5～10mm時須換刀。

（2）邊緣刮刀及齒刀出現(xiàn)崩齒或刀具上的合金堆焊層磨損較嚴(yán)重時須更換。

（3）換刀時如發(fā)現(xiàn)刀具偏磨、刀圈崩裂等，必須進(jìn)行更換。

5.3刀具更換

刀具更換流程：出土停機→打開艙門→通風(fēng)、沖洗刀具→觀察掌子面及滲漏水情況→注雙液漿封環(huán)→工具準(zhǔn)備→刀具磨損測量→拆、裝刀→檢查安裝質(zhì)量→整理工具→關(guān)閉倉門→恢復(fù)掘進(jìn)。

根據(jù)掘進(jìn)過程中渣土的含水量，確定是否在盾尾后5-6環(huán)注雙液漿封環(huán)，開倉后先通風(fēng)、沖洗刀盤刀具。同時觀察掌子面情況和土倉后方來水情況，水量大時在盾尾后方補注雙液漿封環(huán)截水。通知地面人員準(zhǔn)備換刀工具和刀具，檢查、測量刀具磨損情況并詳細(xì)記錄。將磨損情況反饋到項目部，根據(jù)磨損情況制定換刀方案，同時通知換刀人員準(zhǔn)備拆裝刀。對于斷絲或卡死刀箱的情況，準(zhǔn)備絲桿、水下焊機、氧氣乙炔等。刀具更換完成后，全面檢查一遍并對刀具螺栓再次復(fù)緊，然后將工具全部整理出來，關(guān)閉倉門恢復(fù)掘進(jìn)。

盾構(gòu)機換刀目前大多數(shù)采用“背裝式”，該方式更換刀具較快，且易于操作。

（1）對于磨損超限的邊緣刀，可以放在正面刀使用的，調(diào)換到正面刀位置，以合理利用刀具。

（2）選擇專業(yè)的隊伍加快換刀速度，換刀結(jié)束后，由項目機電部安排有經(jīng)驗的機電工程師對刀具進(jìn)行檢查，確保刀具的安裝質(zhì)量合格。

（3）換刀工具安排專人進(jìn)行維修保養(yǎng)，對于換刀時采用的照明燈具提前檢查更換。

（4）刀具安裝前，用風(fēng)鎬進(jìn)行鑿刀槽，保證有足夠的長度和深度；對變形的刀箱進(jìn)行修復(fù)處理，確保刀具安裝到位。

（5）對于刀具斷絲或卡死刀箱的情況，采用焊接螺帽取絲、絲桿拖拉等進(jìn)行處理，必要時對刀具采取報廢處理，利用水下焊、氧氣乙炔進(jìn)行割除，見圖5.2。

（6）將磨損超限的刀具送到專業(yè)的刀具維修廠家進(jìn)行維修，保證刀具的裝配扭矩合理配置和各部件的質(zhì)量；

（7）為每一把刀建立刀具維修、使用及更換臺賬。

結(jié)語：

在硬巖地層中掘進(jìn)，刀具磨損嚴(yán)重，更換頻率高，施工難度大。施工中根據(jù)實際地質(zhì)情況選擇標(biāo)準(zhǔn)鋼刀圈的刀具，分析刀具磨損的原因，并采取減少刀具磨損的應(yīng)對措施。同時加強對刀具的管理，建立定期和不定期的刀具檢查制度，完善刀具更換流程，有計劃地更換刀具等，確保盾構(gòu)在硬巖中安全順利推進(jìn)。