韓新斌

（陜西石頭河水庫(kù)灌溉管理局 陜西 楊凌 712100）

陜西省引紅濟(jì)石調(diào)水工程Ⅳ標(biāo)位于陜西省太白縣境內(nèi)，本工程使用美國(guó)Robbins DS1217-303-1雙護(hù)盾硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工，開(kāi)挖直徑經(jīng)過(guò)設(shè)備改造后由原設(shè)計(jì)的Φ3655mm增加到Φ3755mm，刀盤配置25把刀具，其中中心刀4組，正滾刀12把，邊滾刀5把。硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤上的盤形滾刀是TBM設(shè)備中最為關(guān)鍵和重要的備件之一，其配件的消耗在以往工程實(shí)例中占整個(gè)TBM配件消耗的1/5～1/4[1]，其中刀具非正常失效占1/5～1/2，所以TBM刀具管理是整個(gè)施工組織中的重要環(huán)節(jié)，其管理效果影響整個(gè)TBM施工的經(jīng)濟(jì)效益。在硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）工程項(xiàng)目施工過(guò)程中，若能對(duì)TBM的盤形滾刀的檢查、更換、維修進(jìn)行全過(guò)程控制，合理控制刀具消耗，制定措施減少刀具的不正常失效，能為項(xiàng)目管理減少成本支出。

1 刀具消耗情況對(duì)比分析

1.1 刀具消耗統(tǒng)計(jì)

自2014年6月25日完成TBM設(shè)備性能提升改進(jìn)工作恢復(fù)掘進(jìn)施工至2014年12月31日，TBM施工1853m，共計(jì)消耗刀具198把，其中中心刀消耗37組，正滾刀消耗53把，邊滾刀消耗108把，不同刀具安裝位置刀具消耗詳見(jiàn)圖1所示。

1.2 刀具消耗分項(xiàng)分析

該工程項(xiàng)目刀具消耗主要涉及到正常磨損更換刀具、刀具漏油更換、刀具弦磨更換、刀圈斷裂更換、刀具磨損未到極限而調(diào)整安裝位置而更換，不同原因消耗量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1及圖2所示。

刀具正常消耗占整個(gè)刀具消耗55%，不正常失效消耗占45%。

2 刀具失效分析及處理措施

2.1 刀具失效原因分析

硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）盤形滾刀的失效形式有正常磨損及非正常失效，非正常失效包括刀圈弦磨、刀圈崩刃及斷裂、刀具漏油、擋圈斷裂或脫落、螺栓松動(dòng)或斷裂等。

2.1.1 正常磨損

圖1 不同刀座位置刀具消耗統(tǒng)計(jì)

表1 不同原因刀具消耗統(tǒng)計(jì)

圖2 不同原因消耗統(tǒng)計(jì)分析

盤形滾刀在掘進(jìn)過(guò)程中受到來(lái)自巖石正面的壓力和設(shè)計(jì)范圍的側(cè)壓力的作用不斷磨損，直至達(dá)到磨損極限。熱壓變形作為刀具磨損的一種形式，在巖層較硬、完整性較好的情況下經(jīng)常出現(xiàn)。這是因?yàn)椋毒咄ㄟ^(guò)較高的擠壓載荷、非集中應(yīng)力和摩擦磨損等因素釋放能量，引起發(fā)熱而使刀具溫度過(guò)高。在這種條件下，刀圈的硬度降低，韌性提高而產(chǎn)生熱壓變形。熱壓變形能夠造成刀圈磨損加速，或者出現(xiàn)刀圈卷邊，使刀具的壽命縮短。西班牙瓜達(dá)拉瑪隧道北口的施工中，巖石完整性好，而且?guī)r石抗壓強(qiáng)度大，刀具出現(xiàn)熱壓變形，刀具平均掘進(jìn)壽命只有2.84m；西合鐵路磨溝嶺隧道的巖石抗壓強(qiáng)度小，較破碎，刀具的平均掘進(jìn)壽命可達(dá)9.7m左右；而引紅濟(jì)石引水工程巖石破碎，主要巖石為角閃片巖，石英片巖，刀具平均掘進(jìn)壽命為9.4m。

表2 盤形滾刀失效原因統(tǒng)計(jì)表

2.1.2 非正常失效

非正常失效不能說(shuō)是某個(gè)原因和某種條件造成的，而是刀具在整個(gè)使用過(guò)程中多種因素綜合作用的結(jié)果。主要現(xiàn)象如下：

（1）工序作業(yè)不規(guī)范埋下的隱患，如在刀具修理、刀具運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生的裝配面損壞、刀具安裝時(shí)裝配面或螺栓孔清理不干凈、螺栓緊固力矩不符合標(biāo)準(zhǔn)等現(xiàn)象，都會(huì)造成盤形滾刀的非正常失效。

（2）隨著修理與換刀次數(shù)的增加，刀具螺栓松動(dòng)、脫落、斷裂等現(xiàn)象也逐漸嚴(yán)重。主要是刀具配件的重復(fù)使用，裝配面受壓變形而改變了安裝精度，進(jìn)而產(chǎn)生異常應(yīng)力。

（3）未按規(guī)定進(jìn)行刀盤刀具檢查，在掘進(jìn)時(shí)刀具或配件因某些原因已損壞，而未能及時(shí)停機(jī)處理，造成相鄰刀具連鎖損壞，甚至影響了整個(gè)刀盤的刀具，或在更換刀具時(shí)，不遵守刀具更換技術(shù)規(guī)范。

（4）刀具在破巖過(guò)程中要產(chǎn)生大量的熱能，需噴水冷卻來(lái)降低刀具溫度。刀盤噴水系統(tǒng)工作不良或噴嘴堵塞致使刀具軸承及潤(rùn)滑油溫度過(guò)高，造成刀具損壞。

2.1.3 工程案例

從收集到的一些采用硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工工程的資料，結(jié)合上述盤形滾刀失效原因進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表2所示。

2.2 消耗異常分析及處理措施

2.2.1 消耗異常分析

刀具消耗異常主要表現(xiàn)為中心刀消耗異常，尤其是1#～3#中心刀，原因?yàn)橹行牡兜断溟_(kāi)裂，導(dǎo)致刀具安裝后刀刃和掌子面不垂直，刀具偏磨嚴(yán)重，同時(shí)掘進(jìn)過(guò)程中刀刃受圍巖側(cè)向力而刀具偏移，刀具使用壽命大大降低。其次為中心刀安裝固定方式不合理。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)處理措施

首先采用碳弧氣刨將開(kāi)裂的刀箱刨開(kāi)，焊接結(jié)合面打磨平整，然后定位刀箱，最后對(duì)稱沿同一方向焊接。刀箱定位至關(guān)重要，刀箱定位若出現(xiàn)偏差將嚴(yán)重影響后續(xù)施工過(guò)程中刀具消耗量；焊接過(guò)程中嚴(yán)格進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)焊接缺陷及時(shí)處理，保證焊接質(zhì)量；焊接后整體升溫及降溫，釋放焊接過(guò)程形成的殘余應(yīng)力。

（2）固定中心刀安裝位置

DS1217-303-1型雙護(hù)盾TBM刀盤中心刀刀具采用6個(gè)支點(diǎn)固定，在硬質(zhì)巖掘進(jìn)施工過(guò)程中易出現(xiàn)刀刃受側(cè)向力作用而導(dǎo)致刀具偏移，刀具偏移后相鄰刀間距變化和原設(shè)計(jì)偏差較大，導(dǎo)致不同位置的刀具受力不均，刀具非正常損壞。對(duì)此采用在刀箱與刀具支架間采用墊板限位，相鄰刀具刀軸間設(shè)計(jì)可調(diào)絲桿調(diào)節(jié)安裝位置，并在刀具初步安裝合格后采用1～2mm厚的薄鋼板塞入墊實(shí)，再次保證中心刀固定牢固防止移位變形。

（3）合理調(diào)整刀具安裝位置

17英寸盤形滾刀磨損極限值為30mm，本刀盤24#、25#刀具刀圈磨損量極限設(shè)計(jì)值為13mm，且22#～25#相鄰磨損間隙不得大于6.5mm[3]，則刀具磨損量檢查邊刀磨損將近設(shè)計(jì)值時(shí)應(yīng)提出刀具更換計(jì)劃，實(shí)時(shí)考慮其他部位刀具磨損量，將高刀位刀具調(diào)整到低刀位刀具使用，但必須遵循該刀位刀具磨損值要求，從而達(dá)到刀具使用壽命最大化，減少刀具成本支出。

2.2.3 控制刀具受力狀態(tài)防止刀具過(guò)早失效[4]

（1）合理選擇掘進(jìn)參數(shù)

水產(chǎn)品中含有大量的不飽和脂肪酸，容易氧化分解產(chǎn)生腥味。不飽和脂肪酸在酶或自身的催化下，一步步分解成小分子物質(zhì)，如醛、酮、醇類，而這些小分子化合物是腥味物質(zhì)的主要組成成分[15]。本文采用氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)對(duì)紅茶脫腥處理前后的海螺肉揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，其揮發(fā)性成分總離子流圖見(jiàn)圖4，各類化合物相對(duì)含量見(jiàn)表4。

①結(jié)合水平支撐的撐緊狀態(tài)，控制最大極限推力；根據(jù)刀盤驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，控制最大扭矩極限值。

②完整性較好的硬巖掘進(jìn)，以推力狀態(tài)控制掘進(jìn)作業(yè)狀態(tài)。采用較高的刀盤轉(zhuǎn)速和控制推進(jìn)速度來(lái)達(dá)到刀具受力均衡。

③對(duì)于節(jié)理發(fā)育、破碎的圍巖，以控制振動(dòng)和沖擊為主要目標(biāo)。采用控制推進(jìn)速度限制出渣量和降低刀盤轉(zhuǎn)速，即通過(guò)對(duì)扭矩的波動(dòng)幅度的控制，進(jìn)行掘進(jìn)狀態(tài)控制。

④每次刀盤初始接觸掌子面，均應(yīng)以較低的推進(jìn)參數(shù)，并有足夠的過(guò)渡行程和時(shí)間。

（2）掘進(jìn)過(guò)程中的檢查

除正常的作業(yè)檢查外，掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)刀盤的工作主要檢查①刀盤推力、扭矩；②噴水壓力；③異常氣味；④異常振動(dòng)；⑤碴料的破碎狀態(tài)；⑥碴料中異常物體的出現(xiàn)；⑦刀具螺栓松動(dòng)等幾方面的變化。

對(duì)于螺栓松動(dòng)的檢查，根據(jù)巖層條件和實(shí)際設(shè)備狀態(tài)，決定檢查周期的掘進(jìn)循環(huán)數(shù)。一般要求，完整性不好的破碎圍巖，且掘進(jìn)過(guò)程中振動(dòng)較大，2～3個(gè)循環(huán)檢查一次；其它情況，掘進(jìn)較平穩(wěn)、振動(dòng)沖擊較少時(shí)，5～6個(gè)循環(huán)檢查一次。

（3）刀具維修、裝配與安裝

在刀具壽命期中，刀具維修、裝配與安裝是一個(gè)重要過(guò)程，它是決定刀具壽命的重要因素。因此應(yīng)做到以下幾方面：

①嚴(yán)格執(zhí)行刀具的維修和裝配工藝要求；

②制訂完善的部件尺寸檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和工藝；

③嚴(yán)格執(zhí)行部件的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)；

④刀具安裝前的清洗、清理和刀座檢查；

⑤刀具安裝螺栓的扭矩檢查測(cè)定。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)引紅濟(jì)石工程雙護(hù)盾TBM（DS1217-303-1）刀具消耗的統(tǒng)計(jì)，通過(guò)分析，清晰認(rèn)識(shí)在使用過(guò)程中如何控制刀具的失效，以及針對(duì)消耗異常的原因提出有效解決措施，從而達(dá)到刀具壽命最大化，對(duì)后續(xù)類似工程施工有指導(dǎo)意義。陜西水利

[1]陳建，全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM）開(kāi)挖刀具的管理探討[J]，隧道建設(shè)，2007，27（4）：89～90

[2]黃平華，巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM）刀具消耗預(yù)測(cè)研究[J]，隧道建設(shè)，2008.

[3]The Robbins Co pany，Service Manual Model DS1217-303-1[M]，USA：[s.l],2008.

[4]董天鴻，硬巖掘進(jìn)機(jī)刀具失效的受力分析[J]，隧道建設(shè)，2007,27（6）:26～29.