李曉晗

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽(yáng)110003）

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TBM刀具異常損耗原因分析及應(yīng)對(duì)措施

李曉晗

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽(yáng)110003）

摘要：TBM刀具異常損耗率一般占到刀具消耗量10%左右，文章針對(duì)不同刀具異常損耗型式，分析了損耗的原因，并分別提出了具體的應(yīng)對(duì)措施，以達(dá)到避免人為因素造成刀具破損，有效降低施工成本的目的。

關(guān)鍵詞：TBM刀具；損耗；原因分析；應(yīng)對(duì)措施

TBM刀具消耗量直接影響隧道開(kāi)挖成本，尤其大直徑TBM，刀具消耗數(shù)量更是巨大、影響更為突出。導(dǎo)致TBM刀具損耗的原因很多，其中刀盤(pán)設(shè)計(jì)制造技術(shù)、刀圈鍛件材質(zhì)與熱處理工藝、刀具配件質(zhì)量、刀具裝配及安裝質(zhì)量、地質(zhì)條件、TBM設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)控制等均可能造成刀具的異常損耗。本文通過(guò)對(duì)不同刀具破損型式的原因及影響刀具壽命的關(guān)鍵因素分析，制訂相應(yīng)的解決方案和預(yù)防措施，從而達(dá)到降低刀具消耗量、提高設(shè)備掘進(jìn)效率的目的。

1 不同刀具損耗型式原因分析

TBM刀具主要指盤(pán)型滾刀，由刀圈、刀體、刀軸、軸承、密封、端蓋、擋圈以及其它一些附件組成。刀具磨損的主要部位是刀圈，TBM刀具消耗也主要指刀圈的消耗。

刀圈均勻磨損至允許的極限值屬于刀具正常失效，不同直徑的刀具使用在不同的刀盤(pán)部位，其允許的極限磨損量也是不同的。表1為目前硬巖TBM常用刀圈一般允許的極限磨損量值：

表1 刀圈允許磨損極限值

刀圈磨損量使用專用卡尺進(jìn)行測(cè)量，圖1為常用的測(cè)量卡尺和測(cè)量刀圈磨損量的情況。圖2為正常磨損到極限值的滾刀。

圖1 刀圈測(cè)量卡尺和測(cè)量磨損量的情況

圖2 正常均勻磨損的刀圈

相對(duì)于正常磨損，比較常見(jiàn)的刀圈異常損耗型式主要包括以下幾種情況。

1.1 偏磨

偏磨也稱弦磨，是指刀圈一側(cè)磨損成直邊或被磨損成多邊形，是最常見(jiàn)的刀具異常損耗型式。

偏磨刀具一般只有拆解后對(duì)其進(jìn)行全面檢測(cè)，方可準(zhǔn)確判斷其故障原因。經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，刀圈偏磨主要是由于以下原因造成：

（1）刀圈質(zhì)量問(wèn)題。

（2）滾刀軸承失效。

（3）密封損壞導(dǎo)致巖渣進(jìn)入密封腔，污染潤(rùn)滑油或?qū)е螺S承損壞。

（4）刀具裝配過(guò)程中施加的扭矩偏大，導(dǎo)致刀圈不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

（5）潤(rùn)滑油質(zhì)量問(wèn)題或潤(rùn)滑油泄漏、污染，導(dǎo)致刀具潤(rùn)滑失效。

（6）掌子面剝落的石塊擠入滾刀與刀座間空隙，導(dǎo)致滾刀卡死。

另外，刀座定位不當(dāng)、掘進(jìn)過(guò)程中護(hù)盾未能撐緊巖壁造成刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定、設(shè)備初始掘進(jìn)時(shí)推力控制不當(dāng)?shù)龋部赡軐?dǎo)致刀圈偏磨。

圖3、4、5、6、7為刀具偏磨的實(shí)例圖。

圖3 刀圈一側(cè)偏磨

圖4 刀圈偏磨成多邊形

圖5 刀圈嚴(yán)重偏磨導(dǎo)致整刀報(bào)廢

圖6 中心刀刀圈偏磨

圖7 一次性大面積偏磨的刀圈

刀具檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有偏磨或偏磨跡象的刀具，必須馬上更換，否則可能引起鄰近滾刀大面積偏磨的情況發(fā)生。偏磨刀具應(yīng)在拆解后，根據(jù)偏磨的不同情況、部位，從刀具備件質(zhì)量、刀具裝配和安裝質(zhì)量、設(shè)備操作等方面查找可能導(dǎo)致刀圈偏磨的原因，以采取針對(duì)性的預(yù)防和應(yīng)對(duì)措施。

1.2 崩刃

刀圈崩刃的情況也經(jīng)常發(fā)生，主要原因有：

（1）刀圈質(zhì)量問(wèn)題：在掘進(jìn)段巖石硬度較高的情況下，如果刀圈硬度高但韌性不足，就比較容易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。

（2）設(shè)備操作原因：在掘進(jìn)行程的初始階段，推進(jìn)壓力過(guò)大、滾刀與圍巖接觸時(shí)推進(jìn)速度過(guò)快，導(dǎo)致滾刀與巖石突然碰撞，容易造成個(gè)別滾刀出現(xiàn)崩刃情況。

（3）在掘進(jìn)過(guò)程中由于巖石情況發(fā)生變化或掌子面巖石硬度不均，也會(huì)導(dǎo)致刀圈局部過(guò)載而使刀圈應(yīng)力集中，發(fā)生崩刃或斷裂情況。

在刀刃崩落不太嚴(yán)重、不影響切削巖石時(shí)，可以繼續(xù)使用，如刀刃崩落嚴(yán)重，則需要馬上進(jìn)行更換，如圖8、9所示。

圖8 崩刃成為鋸齒狀的刀圈

圖9 嚴(yán)重崩刃的刀圈

1.3 卷刃

刀圈卷刃主要是由于巖石抗壓強(qiáng)度高、設(shè)備掘進(jìn)推力大所造成的。另外，刀圈硬度不足或在破巖過(guò)程中刀圈溫升過(guò)高導(dǎo)致硬度降低，造成卷刃的情況也時(shí)有發(fā)生。

如刀圈卷刃情況不是非常嚴(yán)重，可以適當(dāng)降低設(shè)備推進(jìn)壓力和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，繼續(xù)掘進(jìn)，如圖10所示。

圖10 卷刃的刀圈

1.4 斷裂

導(dǎo)致刀圈斷裂的主要原因有：

（1）刀圈硬度過(guò)高、韌性不足。

（2）刀圈安裝時(shí)扭矩施加過(guò)高。

（3）刀圈與刀體裝配過(guò)盈量過(guò)大。

（4）TBM初始掘進(jìn)速度太快，刀具與圍巖劇烈碰撞。

（5）在掘進(jìn)過(guò)程中由于巖石情況發(fā)生變化，導(dǎo)致刀圈局部過(guò)載、應(yīng)力集中。

刀圈斷裂后，必須更換下該滾刀，以免出現(xiàn)刀圈偏磨甚至是刀圈由刀體上脫落的情況，輕者造成整把滾刀報(bào)廢，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)鄰近多把滾刀出現(xiàn)異常損耗的嚴(yán)重后果。圖11、12、13為刀圈斷裂實(shí)例圖。

圖11 刀圈斷裂的滾刀

圖12 斷裂后切割下的刀圈

圖13 刀圈斷裂導(dǎo)致滾刀軸承內(nèi)圈斷裂

1.5 刀體漏油

刀體漏油的情況也比較常見(jiàn)，一般是由于刀具軸承或者密封損壞、刀具裝配質(zhì)量等原因所致。如僅是輕微漏油，可以不進(jìn)行更換，但須加強(qiáng)對(duì)該滾刀檢查；如滾刀已嚴(yán)重漏油，則需馬上進(jìn)行更換，否則很容易導(dǎo)致刀圈偏磨。如圖14所示。

1.6 擋圈脫落

（1）擋圈安裝不當(dāng)或焊接不牢。

（2）刀盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)大、設(shè)備推進(jìn)壓力過(guò)高。

（3）擋圈受到掌子面掉落巖塊的劇烈沖擊。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)有擋圈掉落時(shí)，僅需直接將擋圈安裝、補(bǔ)焊后即可。但如果發(fā)現(xiàn)刀圈已經(jīng)發(fā)生了錯(cuò)位情況，則必須進(jìn)行更換，否則因刀圈產(chǎn)生軸向位移、破巖軌跡偏移，極易導(dǎo)致刀圈偏磨。如圖15、16所示。

圖14 漏油的刀具

圖15 擋圈斷裂脫落的滾刀

圖16 因擋圈脫落導(dǎo)致偏磨的滾刀

1.7 刀體過(guò)熱

導(dǎo)致刀體過(guò)熱情況發(fā)生的主要原因有：

①刀具原因：刀具軸承損壞、刀圈扭矩施加過(guò)高或過(guò)低、潤(rùn)滑油失效或泄漏等；

②設(shè)備操作原因：掘進(jìn)推進(jìn)壓力過(guò)大、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)高、刀盤(pán)噴水量不足等。

發(fā)現(xiàn)有滾刀刀體過(guò)熱情況，應(yīng)認(rèn)真分析故障原因，如確認(rèn)屬設(shè)備操作原因，可適當(dāng)改變掘進(jìn)參數(shù)，繼續(xù)掘進(jìn)，并加強(qiáng)對(duì)該刀具的檢查；否則，應(yīng)立即進(jìn)行刀具更換，以免發(fā)生滾刀異常損壞情況。

1.8 導(dǎo)致刀具異常損耗的其它情況

由于刀座定位不當(dāng)、滾刀安裝位置偏差或緊固螺栓施加扭矩不足、緊固螺栓斷裂、刀座變形或開(kāi)裂、鏟斗齒過(guò)度磨損、楔塊未安裝到位或未能拉緊刀軸等，也容易造成刀具異常損壞。

在發(fā)生刀具異常損壞后，應(yīng)針對(duì)不同損耗型式，正確分析其產(chǎn)生的原因，采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧源_保有效降低刀具異常損耗率。

2 刀具檢查注意事項(xiàng)

定時(shí)的刀具檢查是TBM掘進(jìn)過(guò)程中的一項(xiàng)重要工作，是減少刀具異常損耗情況發(fā)生的最有效方法。

2.1 刀具檢查頻次要求

推進(jìn)速度小于2.6m/h時(shí)，每掘進(jìn)三個(gè)循環(huán)檢查一次；推進(jìn)速度在2.6～3m/h時(shí)，每四個(gè)循環(huán)檢查一次；推進(jìn)速度在3～3.4m/h時(shí)，每五個(gè)循環(huán)檢查一次；推進(jìn)速度在3.4m/h以上時(shí)，每六個(gè)循環(huán)檢查一次。

如掘進(jìn)過(guò)程中在出渣皮帶上發(fā)現(xiàn)有鏟斗齒、螺栓、楔塊、壓塊等刀具配件，必須馬上停機(jī)進(jìn)行檢查。

TBM操作手時(shí)應(yīng)注意觀察設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)，若出現(xiàn)下述情況，應(yīng)停機(jī)檢查刀具，并通知值班地質(zhì)工程師確定圍巖是否發(fā)生以下變化。

（1）刀盤(pán)扭矩波動(dòng)超過(guò)±500kN.m，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)2min。

（2）扭矩未發(fā)生變化的情況下，推進(jìn)速度降低超過(guò)0.8m/h，且持續(xù)超過(guò)2min。

（3）扭矩或推進(jìn)速度同時(shí)發(fā)生較大幅度變化。（4）出渣皮帶連續(xù)有較大塊徑石渣突現(xiàn)。

2.2 刀具檢查主要內(nèi)容

（1）刀盤(pán)清渣和清潔工作。

（2）檢查刀圈有無(wú)異常損壞；測(cè)量每把滾刀刀圈的磨損量，確定需要更換、調(diào)整的滾刀。另外，需檢查相鄰軌跡滾刀刀圈的半徑高差，一般面刀及中心刀最大允許差為12mm、邊刀為 5mm，如超過(guò)該數(shù)值，應(yīng)予以更換或調(diào)整。

（3）檢查鏟斗齒磨損量及是否有脫落、斷裂情況，并檢查鏟斗齒螺栓是否松動(dòng)。

（4）檢查刀具螺栓緊固狀態(tài)，在刀具更換完成、掘進(jìn)一個(gè)循環(huán)后，需復(fù)查螺栓緊固情況。

（5）檢查確認(rèn)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)接頭座固定螺栓有無(wú)松動(dòng)、噴水管路有無(wú)泄漏或磨損、噴頭工作是否正常。

2.3 刀具檢查注意事項(xiàng)

（1）刀具檢查人員應(yīng)與TBM操作手隨時(shí)保持聯(lián)系，了解設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)、運(yùn)行狀況，應(yīng)特別關(guān)注刀盤(pán)扭矩、推進(jìn)速度、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流的異常變化情況，以便及時(shí)、準(zhǔn)確掌握刀具運(yùn)行狀態(tài)。刀具檢查、維護(hù)保養(yǎng)結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)將情況報(bào)告操作手。

（2）做好每次刀具磨損量測(cè)量及刀具更換情況的記錄。

（3）刀具更換前，必須將刀座接觸面、刀具緊固螺栓、螺母、楔塊、壓塊等表面清理干凈。

（4）TBM上部必須備用一定數(shù)量的新刀和過(guò)渡刀、刀具緊固螺栓、鏟斗齒、鏟斗齒螺栓、楔塊、壓塊等，并應(yīng)集中統(tǒng)一存放。

（5）刀具運(yùn)輸過(guò)程中必須使用具有防護(hù)作用的專用工器具，嚴(yán)防發(fā)生刀圈磕碰現(xiàn)象。如圖17所示。

圖17 滾刀專用運(yùn)輸工器具

2.4 其它注意事項(xiàng)

（1）刀具修理車(chē)間必須做好每把刀具的維修、使用記錄，包括初始裝配情況、使用刀號(hào)、調(diào)整位置、返修時(shí)刀具狀態(tài)及檢測(cè)情況、維修記錄、后續(xù)使用情況等，每把滾刀建立一套跟蹤記錄表。

（2）至少每周召開(kāi)一次刀具分析會(huì)議，針對(duì)異常損耗刀具，調(diào)閱其跟蹤記錄，確定異常損耗原因，并制訂應(yīng)對(duì)措施及整改方案。

3 結(jié)語(yǔ)

刀具是TBM破巖的關(guān)鍵部件，也是主要的消耗部件，其消耗量直接影響隧道施工效率及開(kāi)挖成本。針對(duì)刀具的不同異常損耗型式，準(zhǔn)確其分析產(chǎn)生的原因、研究探索適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，可以有效控制刀具消耗量、減少刀具異常損耗數(shù)量，降低施工成本，同時(shí)也可以達(dá)到提高施工效率的目的。

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中圖分類(lèi)號(hào)：U455.3+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-1305（2016）02-0076-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.032

收稿日期：2016-01-13

作者簡(jiǎn)介：李曉晗（1969年—），男，高級(jí)工程師。