劉暢

TMB隧道掘進(jìn)機(jī)盾構(gòu)刀圈改進(jìn)性研究

劉暢

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都探礦機(jī)械廠，四川 成都 610000）

隨著軌道交通的發(fā)展，隧道施工的效率日益重要。TBM隧道掘進(jìn)機(jī)作為山體巖石隧道施工的重要工具，其所用刀具的好壞直接影響工程進(jìn)度。國內(nèi)TBM隧道掘進(jìn)機(jī)所用盾構(gòu)刀圈在進(jìn)行硬巖、次硬巖隧道施工時易失效、破損，作業(yè)效果略顯不佳。針對此種情況，主要對盾構(gòu)刀圈的使用環(huán)境、刀體材料、硬質(zhì)合金、耐磨層材料進(jìn)行全面分析研究，以提高TBM盾構(gòu)刀圈在硬巖、次硬巖隧道施工中的使用效果。

TBM；隧道掘進(jìn)機(jī)；盾構(gòu)刀圈；鑲齒刀圈

中國近年來地鐵隧道、山體隧道施工呈井噴式增漲，盾構(gòu)機(jī)國產(chǎn)化后被大量運(yùn)用于地鐵隧道、山體隧道等項(xiàng)目中。在城市土質(zhì)地鐵施工中常采用傳統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，而面對堅(jiān)硬的巖體隧道，則需要用到破壞力更強(qiáng)的TBM隧道掘進(jìn)機(jī)。為確保隧道施工順利進(jìn)行，作為TBM掘進(jìn)機(jī)刀具的盾構(gòu)刀圈至關(guān)重要，其性能好壞直接影響著隧道施工的效率和經(jīng)濟(jì)性。由于隧道施工周期長，工程進(jìn)度緩慢且刀具更換耗時耗力，隧道承建方期望隧道施工能一次成型，減少更換刀具時間，縮短施工工期。然而地質(zhì)情況復(fù)雜多變，尤其是遇到硬巖或軟硬不均的巖層時，盾構(gòu)刀圈易失效或破損造成工程難以高效進(jìn)行。現(xiàn)國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的盾構(gòu)刀圈面對軟、中硬巖層效果不錯，但面對硬巖、次硬巖其效果尚不能完全滿足隧道施工單位要求，現(xiàn)針對盾構(gòu)刀圈主要構(gòu)件進(jìn)行全面研究，并提出探討性改進(jìn)意見。

1 硬巖、次硬巖盾構(gòu)刀圈使用環(huán)境及研究方向

TBM盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主要采取對巖層進(jìn)行反復(fù)施壓、磨削的方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掘進(jìn)，由于巖層具有高強(qiáng)度、高耐磨性等特點(diǎn)，所以在施工過程中刀圈需具備更高的強(qiáng)度、韌性和耐磨性等綜合性能。近年來盾構(gòu)刀圈研發(fā)出多種類型，但大部分類型刀圈被市場逐步淘汰，現(xiàn)有高硬度盾構(gòu)刀圈、梯度硬度盾構(gòu)刀圈、鑲齒盾構(gòu)刀圈被廣泛運(yùn)用于巖石隧道施工中。

高硬度盾構(gòu)刀圈：采用優(yōu)質(zhì)模具鋼制造成型，進(jìn)行相關(guān)熱處理后刀圈整體具有高硬度、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，但刀圈芯部缺乏韌性不耐沖擊，工作時易發(fā)生斷裂，目前適用于中軟硬度巖層。

梯度硬度盾構(gòu)刀圈：在高硬度盾構(gòu)刀圈基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，利用專用設(shè)備對刀圈內(nèi)部進(jìn)行二次淬火回火處理，降低淬火應(yīng)力，提高韌性，改善金相組織。梯度硬度盾構(gòu)刀圈基體硬度呈現(xiàn)階梯式變化，此種狀態(tài)的刀圈既保證了高硬度刀圈的性能，又減少了刀圈斷裂的風(fēng)險。梯度硬度盾構(gòu)刀圈綜合性能雖有所提高，但仍難滿足硬巖、次硬巖隧道施工需要，適用于中軟硬度巖層、部分次硬巖層。

鑲齒盾構(gòu)刀圈：是碳化鎢硬質(zhì)合金齒鑲?cè)虢饘俚扼w中的一種組合式刀圈。碳化鎢硬質(zhì)合金具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性等特點(diǎn)，常被用于硬巖、次硬巖隧道施工中。但在高頻強(qiáng)載荷作業(yè)中，合金齒易發(fā)生崩裂、刀體斷裂、刀體急速磨損等情況，造成鑲齒盾構(gòu)刀圈過早失效。現(xiàn)針對碳化鎢硬質(zhì)合金、刀體材料、刀體耐磨保護(hù)等方面進(jìn)行研究，以提高鑲齒刀圈在硬巖、次硬巖施工中的綜合性能。

2 刀體材料的研究

TBM盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主要面對普式硬度為15～20極堅(jiān)固的石英巖、花崗巖等，刀圈在旋轉(zhuǎn)掘進(jìn)破碎巖層時，將承受巨大的沖擊載荷，所以刀體需要具有足夠的強(qiáng)度、韌性和耐磨性。根據(jù)材料性能采用合金滲碳鋼、合金滲氮鋼、熱作模具鋼進(jìn)行研究。合金滲碳鋼表面滲碳性好、芯部韌性高，常用來制造齒輪，如20CrMnTi。合金滲氮鋼具有強(qiáng)韌性等綜合性能，常用來制造電機(jī)軸，如35CrMoV。熱作模具鋼具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性、高熱強(qiáng)性和高韌性的特點(diǎn)，常用來制作熱作模，如4Cr5MoSiV?，F(xiàn)對20CrMnTi、35CrMoV、4Cr5MoSiV進(jìn)行材質(zhì)分析和機(jī)械性能分析。

鋼材20CrMnTi：=1 070 MPa，=850 MPa，= 55 J。

鋼材35CrMoV：=1 080 MPa，=930 MPa，71 J。

鋼材4Cr5MoSiV：=1 340 MPa，=1 130 MPa，= 44 J。

通過分析發(fā)現(xiàn)，三種材質(zhì)均具有良好的韌性，在強(qiáng)度方面20CrMnTi＜35CrMoV＜4Cr5MoSiV，在沖擊韌性方面4Cr5MoSiV＜20CrMnTi＜35CrMoV，但20CrMnTi表面滲碳層受交變載荷沖擊后極易發(fā)生剝離脫落，暫取35CrMoV、4Cr5MoSiV再進(jìn)行分析。

鋼材4Cr5MoSiV：C=0.43，Mn=0.5，Cr=5.5，V=0.6，Mo=1.6。

鋼材35CrMoV：C=0.38，Mn=0.5，Cr=1.2，V=0.25，Mo=0.3。

因刀體側(cè)面需堆焊耐磨層，根據(jù)國際焊接學(xué)會發(fā)布的碳當(dāng)量公式Ceq=C+Mn/6+（Cr+V+Mo）/5+（Cu+Ni）/15，經(jīng)計(jì)算碳當(dāng)量4Cr5MoSiV＞35CrMoV，當(dāng)含碳量和合金含量增加時焊接難度會逐漸增加，在滿足的力學(xué)性能下，選擇可焊性相對較好的滲氮合金鋼，更能使刀圈具有良好的綜合性能。

3 硬質(zhì)合金齒成分的研究

硬質(zhì)合金齒是由鈷、鐵、鎢、鎳等組成的具有高強(qiáng)度、高耐磨性的材料，是破碎堅(jiān)硬巖層的關(guān)鍵。碳化鎢是合金齒的主要成分，鈷粉主要起黏接作用，它能將合金中的其他金屬結(jié)合在一起?，F(xiàn)常用合金齒鈷含量為10%～16%，鈷含量越高，合金韌性越高，晶粒越粗合金耐沖擊韌性越強(qiáng)。鑲齒盾構(gòu)刀圈在硬巖、次硬巖工作時，由于巖層難以破碎，合金齒將產(chǎn)生極大的載荷，并且TBM隧道掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)時刀盤、刀圈與巖層間將發(fā)生相對抖動，造成合金齒受到不同的瞬時沖擊，極易發(fā)生崩裂現(xiàn)象。因此在選取合金齒時，應(yīng)考慮高鈷粗晶粒硬質(zhì)合金齒。

4 硬質(zhì)合金幾何形狀的研究

常用的合金齒型有球形齒、錐形齒、楔形齒。其中，球形齒整體強(qiáng)度高，但破巖效率低；錐形齒破巖效率高，但高頻作業(yè)易鈍化；楔形齒作業(yè)時具有效率高、綜合性能好等特點(diǎn)。楔形齒兼?zhèn)淞饲螨X、錐齒的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有如下兩種楔形齒的齒形在使用過程中效果明顯，如圖1所示。經(jīng)有限元分析在同種材質(zhì)和等量載荷下，右合金齒受力截面積大，受力均勻，應(yīng)變、位移等綜合數(shù)據(jù)均優(yōu)于左合金齒。右合金齒在面對飽和單軸抗壓強(qiáng)度大于60 MPa的硬巖層時，將具有更好的耐磨性和耐沖擊性。

圖1 兩種楔形齒的齒形在使用過程中的效果

5 提高盾構(gòu)刀體側(cè)面耐磨性研究

盾構(gòu)刀圈在作業(yè)時，刀體側(cè)面受巖體反復(fù)磨削易發(fā)生損耗，造成合金齒過早脫落，導(dǎo)致刀圈提前報(bào)廢。為保護(hù)刀體，常用的方式有：①手工堆焊耐磨焊料。通過火焰或電流將耐磨焊料堆焊于刀體上，但堆焊過程中刀體與焊料之間易產(chǎn)生焊接裂紋，因此被用于低端盾構(gòu)刀圈生產(chǎn)。②等離子碳化鎢堆焊。利用等離子弧將碳化鎢粉末和刀圈基體表面金屬融化，在刀體側(cè)面形成一層結(jié)合度高、耐磨性好的硬化層，能滿足硬巖的使用要求。但因生產(chǎn)設(shè)備造價高昂、生產(chǎn)成本偏高，未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。③超音速噴涂。通過燃燒發(fā)生氣相反應(yīng)，使噴涂材料迅速噴涂于刀體表面形成耐磨層。此種方式生產(chǎn)效率高，但刀體與噴涂層之間的粘結(jié)強(qiáng)度低，不能承受較大的交變載荷和沖擊載荷，可用于土質(zhì)層中。④碳化鎢顆粒堆焊。碳化鎢硬質(zhì)合金具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性等綜合性能，能在各種惡劣的施工環(huán)境下作業(yè)，確保刀體側(cè)面金屬不易磨損。但在氧-乙炔火焰堆焊時，高溫容易造成細(xì)小碳化鎢燒損和碳化鎢表面脫碳，造成局部缺陷影響表面耐磨性。在堆焊碳化鎢顆粒時，應(yīng)摒棄傳統(tǒng)方式，采用碳化鎢顆粒和金屬合金混合的成型塊，再進(jìn)行粘連金屬與刀體之間的焊接，這樣既能保證合金顆粒均勻分布，又防止碳化鎢的燒損。在制備成型塊時，還需注意碳化鎢顆粒整體占比和大小，顆粒占比越大，顆粒體積越小，耐磨性越高，但顆粒占比超過一定范圍值時其穩(wěn)固性變差，因此顆粒占比需保持適當(dāng)?shù)姆秶?/p>

6 結(jié)束語

隨著全國隧道建設(shè)的日益加快，高效施工日趨重要，TBM隧道掘進(jìn)機(jī)的高效性使其在今后的施工中必將發(fā)揮更多的重要作用。鑲齒盾構(gòu)刀圈作為TBM隧道掘進(jìn)機(jī)的巖層破碎部分，通過采用綜合性能好的滲氮合金鋼作為刀體材料，鑲?cè)敫哜挻志Я５男ㄐ斡操|(zhì)合金齒，并對刀體側(cè)面進(jìn)行等離子堆焊或碳化鎢成型塊堆焊方式制造成的盾構(gòu)刀圈，必將在硬巖施工方面擁有更高的使用壽命和施工效率，更好地服務(wù)于隧道施工建設(shè)。

［1］潘繼民.金屬材料化學(xué)成分與力學(xué)性能手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［2］胡志忠.鋼及熱處理曲線手冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1986.

［3］宋歡，張松，張樹生，等.鑄造碳化鎢硬質(zhì)合金粉末預(yù)成形塊火焰噴焊工藝及耐磨性的研究［J］.粉末冶金技術(shù)，1995（4）：6.

2095－6835（2021）06－0067－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.023

劉暢（1989—），男，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)鉆具及設(shè)備。

〔編輯：王霞〕