高海杰，王 耀，吳越斌

GAO Hai-jie, WANG Yao, WU Yue-bin

（北方重工集團(tuán)有限公司 盾構(gòu)機(jī)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 11041）

1 工程概況

引洮供水一期工程總干渠7＃隧洞工程區(qū)位于甘肅省渭源縣境內(nèi)，7＃隧洞出口距離蘭州市區(qū)約184km。7＃隧洞全長(zhǎng)17286m，橫斷面形式為圓型，凈斷面尺寸(直徑)D=4.96m，設(shè)計(jì)縱坡均為1/1650，設(shè)計(jì)流量32m3/s，加大流量36m3/s。

7＃隧洞圍巖主要由上第三系（N2L3）泥質(zhì)粉砂巖、粉（砂）質(zhì)泥巖、砂礫巖、（含礫）砂巖、疏松砂巖等組成，巖性軟弱，互層狀分布，相變劇烈。巖層產(chǎn)狀平緩，受構(gòu)造影響輕微，斷裂裂隙不發(fā)育，僅發(fā)育舒緩短軸褶皺，總體上富水性較差。隧道碴土性狀：磚紅色泥巖，干燥無(wú)水，碴土多數(shù)呈碎片狀，最大塊徑約為15cm。工程地質(zhì)條件判斷：V，巖性較堅(jiān)硬。地下水情況:無(wú)。

2 單護(hù)盾TBM盤(pán)形滾刀的刀具磨損分析

單護(hù)盾TBM的刀盤(pán)及刀具的整體布置圖如圖1所示。

圖1 刀盤(pán)刀具整體布置圖

盤(pán)形滾刀是為開(kāi)挖巖石的硬度大于12個(gè)硬度單位的工況而設(shè)計(jì)的。承受循環(huán)正應(yīng)力，滾刀切削部分的材料應(yīng)具有HRC(洛氏硬度)50～60之間的高硬度。引洮單護(hù)盾TBM使用的刀圈是意大利palmieri的品牌。標(biāo)注鋼刀圈的硬度400kg/cm2。

2.1 滾刀受力及破巖機(jī)理

滾刀在滾壓巖石的過(guò)程中，刀刃與巖石之間主要都存在兩個(gè)方向相互作用力。

1）法向推壓力FN，指向開(kāi)挖面，由刀盤(pán)的推力提供。

2）切向滾動(dòng)滾壓力FR，指向滾刀切向，由刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩提供。

切向滾動(dòng)滾壓力主要取決于推力、貫入度及滾刀直徑。盤(pán)刀直徑一定，貫入度越大，所需滾動(dòng)滾壓力越大；貫入度確定時(shí)，滾動(dòng)滾壓力隨盤(pán)刀直徑的增大而減小。

TBM工作時(shí)，滾刀在推力作用下緊壓在巖面上，隨著刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)，盤(pán)形滾刀一方面繞刀盤(pán)中心軸公轉(zhuǎn)，同時(shí)繞自身軸線自轉(zhuǎn)。盤(pán)形滾刀在刀盤(pán)的推力和轉(zhuǎn)矩共同作用下，在掌子面上切出一系列同心圓溝槽。刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)并壓入巖石的過(guò)程中，滾刀對(duì)巖石將產(chǎn)生擠壓、剪切、拉裂等綜合作用，使之成為巖石碎片，達(dá)到開(kāi)挖的目的。

2.2 引洮單護(hù)盾TBM掘進(jìn)情況

表1中TBM各個(gè)參數(shù)的匹配，為尋求掘進(jìn)的最佳速度以及對(duì)滾刀刀圈磨損量的計(jì)算提供依據(jù)。

表1 TBM掘進(jìn)參數(shù)

TBM施工中17英寸滾刀換刀要求：M1～M35磨損量達(dá)到25mm；M36～M38磨損量達(dá)到20mm；M41、M42磨損量達(dá)到20.5mm。

下面以施工里程K63+216～K62+003中的一段進(jìn)行分析，中心滾刀軌跡M01～M08，刀具磨損量1～4.5mm；正滾刀軌跡M09～M38，刀具磨損量3～7.5mm；邊滾刀軌跡M40～M41,刀具磨損8～10.5mm。

滾刀軌跡M01～M42是一組同心圓（圖2），刀盤(pán)轉(zhuǎn)一圈各個(gè)滾刀的行程S=2πR(R是滾刀中心線到刀盤(pán)軸線的垂直距離)。

圖2 滾刀軌跡布置圖

根據(jù)以上數(shù)據(jù)總結(jié)：①中心滾刀行程最小，磨損率最??；邊刀行程最大，磨損率最大，刀具磨損量基本符合由中心到邊緣增大的趨勢(shì)；②相鄰兩把刀的高差應(yīng)控制在15mm左右，最大不超過(guò)25mm，目的是減少相鄰刀具之間所受推力的不平衡，而這種不平衡力有時(shí)可能是刀具承受正常受力的幾倍，使盤(pán)形滾刀的損壞幾率增加；③刀圈的磨損極限為15～25mm。中心滾刀換刀時(shí)以4把為一組(其中有一把滾刀的刀圈磨損超過(guò)25mm時(shí)就可以換刀)；邊刀發(fā)現(xiàn)磨損刀轂，刀圈磨損小于20mm時(shí)也可以考慮換刀，邊刀的更換頻率較大，刀圈要選擇硬度更強(qiáng)的材料；④更換刀具后要控制掘進(jìn)速度，3個(gè)掘進(jìn)循環(huán)后必須檢查刀具螺栓，來(lái)保護(hù)邊滾刀不受磨損。

2.3 盤(pán)形滾刀刀圈失效分析

刀圈是影響滾刀工作壽命的關(guān)鍵易損件之一，它直接接觸破碎巖石，刀圈破巖時(shí)，承受的力由徑向力、軸向力、切向力組成，在刀圈受載滾動(dòng)侵入巖石時(shí)，首先通過(guò)刀圈刃角，利用刀圈推力擠壓破碎巖石，產(chǎn)生巖石破碎體；其次刀刃嵌入巖石形成凹槽，擠壓離在凹槽兩側(cè)形成拉力剪力破壞巖石。

引洮單護(hù)盾TBM使用的刀圈是平韌刀圈，它的材料是高鈦鋼，具有硬度高、不磨損、不變形。單護(hù)盾TBM現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)施工情況的分析，刀圈磨損失效主要情況有：正常磨損、弦磨、偏磨、刀圈斷裂、刀圈脫落和由于擋圈損壞造成刀圈損壞。引洮單護(hù)盾TBM現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)施工刀圈磨損主要原因是正常磨損，但也會(huì)遇到刀圈弦磨的情況。

2.4 整刀刀具失效分析結(jié)論

刀具的正常失效原因是由于沖擊載荷引起的，主要包括：軸承損壞、刃磨、崩刃、刀體磨損、端蓋損壞、緊鎖塊損壞和螺栓預(yù)緊失效而產(chǎn)生的失效。

刀具的非正常失效有：潤(rùn)滑油漏出、浮動(dòng)密封損壞、泥砂進(jìn)入軸承造成的軸承失效、刀圈材質(zhì)及金相組織不好造成的斷裂以及熱處理沒(méi)有達(dá)到技術(shù)要求造成的壓潰和卷邊等。

3 盤(pán)形滾刀刀具磨損解決辦法

在刀具裝配過(guò)程中，嚴(yán)格按照裝配工藝實(shí)施，軸承的預(yù)緊力矩要符合規(guī)定數(shù)據(jù)，潤(rùn)滑和密封都要可靠，在現(xiàn)場(chǎng)安裝刀座時(shí)，必須擰緊螺栓至規(guī)定扭矩。應(yīng)對(duì)刀圈的機(jī)械性能進(jìn)行嚴(yán)格檢查；如金相組織檢查，無(wú)損探傷，硬度測(cè)試等。

在換刀過(guò)程中，檢查刀座是否產(chǎn)生裂紋，螺栓是否松動(dòng)，刀刃是否出現(xiàn)刃崩，磨損是否超過(guò)規(guī)定。焊接擋圈時(shí)，上面放置一塊銅制的引弧板來(lái)引弧，還以防止電火花打在刀圈上。根據(jù)工作面的地質(zhì)情況和巖石的物理性質(zhì)及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)壓力和掘進(jìn)速度。 O