陳立和

盾構(gòu)機(jī)配件中,刀具由于掘進(jìn)磨損和承受掘進(jìn)壓力的作用,屬于盾構(gòu)機(jī)施工中的易損易耗件,使用進(jìn)口的刀具進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)施工:1)國外進(jìn)口刀具價(jià)格昂貴;2)往往進(jìn)口刀具都有一定的周期,掘進(jìn)地層土質(zhì)又發(fā)生不斷變化難以預(yù)料,提前配置有盲目性,臨時(shí)購買則會(huì)影響整個(gè)工期。同時(shí)在工程砂卵石層進(jìn)行盾構(gòu)施工,其中最重要的是要保持掘進(jìn)面的穩(wěn)定和延長(zhǎng)刀具的使用壽命。本研究項(xiàng)目收集各方面資料,并根據(jù)本人已經(jīng)參與的工程研究在砂卵石層施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)刀盤的設(shè)計(jì)要點(diǎn),保持掘進(jìn)面穩(wěn)定的方法,以及根據(jù)施工刀具的使用性能和磨損規(guī)律,結(jié)合刀具的受力情況和金相分析,總結(jié)刀具的失效原因,然后研制出適應(yīng)不同工況的刀具。

1 盾構(gòu)機(jī)施工過程中刀具磨損的原因分析

我們知道,盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)在破巖過程中,刀具承受了很大的徑向力與側(cè)向力,使得刀圈刃尖因劇烈摩擦和沖擊急劇磨損而降低使用壽命,為此必須經(jīng)常進(jìn)行檢查更換,經(jīng)統(tǒng)計(jì)紅花套、黃石盾構(gòu)機(jī)隧道檢查刀具與換刀時(shí)間,分別占隧道工程掘進(jìn)時(shí)間的19.5%,22%,費(fèi)用成本占有18%～23%,不但增加人財(cái)物的消耗量和刀具更換的工作量,降低了有效工作時(shí)間,增加了施工風(fēng)險(xiǎn),還直接導(dǎo)致單位掘進(jìn)成本的提高。

1.1 盾構(gòu)機(jī)刀具的種類與用途

我們將以AVN2440DS盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行探討,AVN2440DS盾構(gòu)機(jī)刀盤上裝有一組刀具,其中由7個(gè)單滾刀、6個(gè)雙滾刀、5個(gè)中心滾刀,4組刮刀24把組成。刮刀:刮刀適用于軟土及一些混有或交替夾有軟巖的地質(zhì),其切削方式是通過對(duì)土體鏟切實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)面開挖,刮刀切削土層與軟巖層更容易。盤形滾刀:盤形滾刀通過刀盤轉(zhuǎn)動(dòng),滾刀在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力的作用下,通過刀具對(duì)掘進(jìn)面巖體轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓,對(duì)巖石表面擠切一個(gè)槽,同時(shí)在剪切力的作用下造成巖石開裂破碎。

1.2 刀具磨損的影響因素

在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力作用下刀具對(duì)開挖面土體產(chǎn)生一定壓力。隨著刀盤的旋轉(zhuǎn),刀具與土砂磨料摩擦,從而產(chǎn)生磨損。刀具的磨損與地質(zhì)條件、刀具材質(zhì)及其在刀盤上的安裝位置有關(guān),并且隨著刀具掘削里程的增加而增大。布置在刀盤周邊的刀具由于線速度大,切削路線長(zhǎng),因而磨損快、易折斷、壽命短。刀具損壞的主要形式有刀具的磨耗和脫落。刀具的磨耗受材質(zhì)、硬度、作用的推力以及地質(zhì)條件和刀具切入深度、速度、時(shí)間的影響;刀具脫落主要與安裝方法有關(guān),施工時(shí)也受刀柄的磨耗和礫石、障礙物的影響。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)中會(huì)遇到各種不同地層,從淤泥、黏土、砂層、砂卵石層到軟巖及硬巖等。開挖過程中刀具受力復(fù)雜,工作環(huán)境惡劣。刀具的磨損與施工地層密切相關(guān)。淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粘質(zhì)粉土等地層對(duì)刀具的磨損很小,而砂土、砂卵石礫石地層對(duì)刀具的磨損十分嚴(yán)重,甚至使刀具折斷。這種情況在已經(jīng)施工的工程中得到了印證。

1.2.1 刀圈斷裂

刀圈選用材質(zhì)與地質(zhì)巖性不適用,當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度較高時(shí),對(duì)刀圈的自身硬度要求也較高,刀圈抗沖擊性能也隨之下降,將造成刀圈斷裂,稱為沖擊疲勞斷裂。同時(shí)配合間隙過盈量超過規(guī)定值時(shí),在掘進(jìn)中因刀具內(nèi)外溫度相差較大,將會(huì)造成刀圈斷裂,稱為內(nèi)應(yīng)力斷裂。在掘進(jìn)過程中刀具冷卻效果不好,特別是在淤泥、黏土地質(zhì)或巖石斷裂帶夾層造成刀具被包裹,將會(huì)造成刀圈斷裂,稱為內(nèi)應(yīng)力斷裂。

1.2.2 軸承損壞與刀圈偏磨

刀具密封效果差,包括有密封配合間隙、橡膠彈力與硬度、機(jī)械密封平面度、機(jī)械密封面硬度與耐磨性能等,泥砂進(jìn)入刀具內(nèi)部造成軸承損壞后,刀圈產(chǎn)生偏磨;潤滑脂熱膨脹系數(shù)超過規(guī)定,在刀具受熱時(shí)密封油脂外溢,冷卻降溫時(shí)泥水進(jìn)入刀具軸承內(nèi),或是裝配時(shí)內(nèi)部空氣沒有排盡,造成軸承損壞后刀圈偏磨;刀具轉(zhuǎn)動(dòng)部件裝配間隙不合理,刀圈轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩超過規(guī)定值時(shí),軸承加速磨損而損壞;轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩低于規(guī)定值時(shí),造成密封與密封面之間自由間隙過大,密封失效,泥水進(jìn)入,造成軸承損壞后刀圈偏磨。

1.2.3 滾刀殼體變形磨損

刀具殼體表面硬度低于基巖抗壓強(qiáng)度,破碎后的巖石、砂礫石對(duì)刀具殼體長(zhǎng)時(shí)間沖擊,造成殼體變形損壞;刮刀基材或表面硬度低于基巖抗壓強(qiáng)度,破碎后的巖石、砂礫石對(duì)刀具殼體長(zhǎng)時(shí)間沖擊,造成殼體變形損壞;采用壓入式裝配時(shí),裝配過盈量未達(dá)到規(guī)定要求,在受到交變沖擊時(shí)松動(dòng)后脫落;采用焊接時(shí),刀齒與基體焊接出現(xiàn)虛焊、夾渣,造成焊接不牢固,在受到交變沖擊時(shí)松動(dòng)后脫落。

1.2.4 刮刀合金齒脫落

合金齒硬度與抗沖擊性能,與掘進(jìn)地質(zhì)巖性不相適應(yīng),合金齒硬度偏高而抗沖擊性差,在受到?jīng)_擊時(shí)易造成合金齒斷裂;在安裝時(shí)螺栓扭矩未達(dá)到額定扭矩,造成螺栓松動(dòng)最后斷裂,刀具脫落;滾刀總成脫落后或較大較硬的巖石塊對(duì)刮刀撞擊,造成螺栓斷裂后刀具脫落。

2 延長(zhǎng)盾構(gòu)機(jī)刀具使用壽命的措施

2.1 嚴(yán)格刀具制造流程

刀具生產(chǎn)加工必須制定一套科學(xué)合理的制造工藝,刀具制造工藝是控制刀具質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.1.1 滾刀的制造

盾構(gòu)機(jī)滾刀完全按照掘進(jìn)地質(zhì)選用碳鋼經(jīng)表面滲碳處理,刀圈采用熱煅一次滾壓成型工藝,使刀具材料內(nèi)部金相組織結(jié)構(gòu)更加均勻致密,減少刀圈的斷裂,同時(shí)在表面形成一定厚度的硬化層,具有高耐磨、抗沖擊性能。選用優(yōu)質(zhì)熱膨脹系數(shù)小的潤滑油脂,同時(shí)在刀具內(nèi)部安裝有潤滑油補(bǔ)償裝置,在一定溫度變化范圍內(nèi)確保刀具的正常潤滑與油脂的補(bǔ)充。經(jīng)使用對(duì)比效果顯著。由于滾刀在掘進(jìn)過程中承受比巖石層抗壓強(qiáng)度高8 MPa～12 MPa,當(dāng)巖石硬度超過60 M Pa時(shí),刀圈硬度HRC 65～70,如果刀圈采用合金材料制造時(shí),其內(nèi)外硬度是一致的,具有較好的耐磨性,但抗沖擊性能明顯下降,不利于TBM的破巖。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及材料機(jī)理分析,當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)到或超過55 MPa時(shí),刀具材料應(yīng)選用高碳鋼,表面采用高溫氣體滲碳達(dá)到相對(duì)硬度,形成外硬內(nèi)軟,具有較好耐磨性、抗沖擊性能,而不適于選用合金鋼作為刀圈制造材料或刀圈采用中碳鋼表面鑲嵌合金齒,以滿足破巖性能的要求。

2.1.2 刮刀的制造

根據(jù)進(jìn)口刮刀在使用中易造成變形,通過物化性能分析,刮刀基材為45中碳鋼或20低碳鋼加工而成,表面硬度HRC 22～28,未作任何表面處理,因此在受到巖石或卵石沖擊時(shí)極易產(chǎn)生變形。在國產(chǎn)刮刀生產(chǎn)時(shí),做了以下制造工藝調(diào)整:材料由原來的低碳鋼改為中碳鋼,基材表面硬度HRC 32～36;在沖擊面與棱角部位補(bǔ)焊0.25～0.32耐磨合金層。

2.2 合理選擇刀具

不同地質(zhì)應(yīng)選用不同材質(zhì)、生產(chǎn)工藝的刀具,如果同一種刀具用于不同地質(zhì),刀具的使用壽命將會(huì)受到嚴(yán)重影響;在軟地層掘進(jìn)中要求刀具具有較好的抗磨性、硬度比巖石抗壓強(qiáng)度高10 MPa～15 MPa;在硬巖掘進(jìn)中,要求刀具有良好的耐磨性、抗沖擊性。

2.3 嚴(yán)格刀具加工與密封

刀具生產(chǎn)加工工藝對(duì)刀具使用壽命的影響,煅造與熱處理工藝的影響最為重要,生產(chǎn)過程中工藝控制將直接造成金屬材質(zhì)的內(nèi)部缺陷,在刀具受到?jīng)_擊、振動(dòng)、壓力的作用下,內(nèi)部缺陷將形成微小裂紋而不斷延伸與擴(kuò)展,最終造成斷裂,控制好刀具生產(chǎn)工藝可以顯著的提高刀具的壽命。同時(shí)刀具密封是影響刀具使用壽命的主要原因之一,由于密封的早期損壞,造成刀具軸承損壞與刀圈偏磨、殼體損壞及整個(gè)刀具總成的報(bào)廢,選擇正確的密封形式是保證滾刀壽命的一個(gè)重要因素。

總之,盾構(gòu)機(jī)施工在我國還處于剛剛起步階段,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,會(huì)有越來越多的穿越工程選擇盾構(gòu)機(jī)形式,不管在何種形式的盾構(gòu)機(jī)施工中,刀具研究技術(shù)一直是盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

[1] 張國京.適用于沙卵石地層的涂鴉平衡盾構(gòu)研究[J].市政技術(shù),2004,22(sup):117-121.

[2] 管會(huì)生,高 波.盾構(gòu)切削刀具壽命的計(jì)算[J].工程機(jī)械,2006(1):33-36.

[3] 吳煜宇,吳湘濱,尹俊濤.關(guān)于TBM施工隧洞圍巖分類方法的研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2006(5):120-123.

[4] 張松杰.淺談盾構(gòu)的選型與關(guān)鍵參數(shù)的選擇[J].山西建筑,2009,35(10):140-142.

[5] 曾鼎華,張永興,陰 可.三角形量測(cè)法在隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2005(5):113-116.