段戊龍

中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西 太原 030032

盾構法施工是當前隧道鉆進施工的主要應用方式之一，在我國得到了較為廣泛的推廣和應用，當前該項施工技術可應用在各種復雜地層的鉆進施工中，且表現(xiàn)出較高的施工效率和施工安全性[1]。但是盾構機在硬土地層中鉆進時，常出現(xiàn)盾構刀具受損嚴重的現(xiàn)象，使盾構鉆進施工的成本大幅度增加。在此情況下，對盾構刀具損壞機理進行深入分析，總結盾構刀具的磨損規(guī)律，采取科學的防治措施，不僅有助于提升施工效率，還能夠顯著降低盾構施工成本，針對這方面的研究具有較為積極的意義。

1 盾構機刀具的主要配置

盾構機在進行施工時，主要配置的刀具類型包括滾刀、焊接式先行刀、切刀、邊緣刮刀、超挖滾刀、保護刀、外周耐磨塊等，各種刀具在盾構過程中所具有的作用存在著較大的差異。（1）滾刀在盾構機中主要承擔開挖面硬巖土層的挖掘施工，也是盾構機中最先與開挖面接觸的刀具，其在安裝時通常比盾構機的刀盤高度高出175mm；（2）焊接式先行刀在盾構機中起保護切刀的作用，其安裝高度相較于切刀高出20mm，相較于滾刀高出15mm；（3）切刀和邊緣刮刀主要發(fā)揮切削和裝載的功能，開挖面土層經(jīng)滾刀破碎后，產生的渣土經(jīng)切刀和邊緣刮刀處理，然后進入渣槽中；（4）保護刀主要焊接在刀盤注入口的上端部位，該刀具可有效保護刀盤注入口，降低其受損程度；（4）外周耐磨塊也被稱為外周保護刀，其能夠對刀盤外圓周進行有效保護，通過在刀盤外圓周均勻布置外周耐磨塊，形成環(huán)狀保護刀盤外圓周[2]。

2 盾構機滾刀的工作原理

從盾構機刀具配置的實際情況來看，盾構機在硬土地層中施工時，受損較為嚴重的刀具主要為滾刀，受損類型可分為單邊磨損、多邊磨損、崩刃等。盾構機滾刀的受損情況與滾刀的工作原理密切相關，其工作原理如下：盾構機滾刀在推力作用下直接壓上需要開挖的硬質土層，刀盤在旋轉工作的過程中，滾刀自身會繞軸線呈自轉狀態(tài)，同時還會繞刀盤的中心軸呈現(xiàn)公轉的狀態(tài)[3]。如果在此運行過程中，盾構機對開挖面施加的推力較大，超出開挖面的強度數(shù)值時，則滾刀能夠順利破碎開挖面，將刀刃插入開挖面中，并在開挖面上形成1塊壓碎區(qū)域；然后在此基礎上，盾構機進一步加大推力，相鄰滾刀作用下的開挖面會形成1個貫通面，使得開挖面中的硬質土層崩落，至此盾構機滾刀便順利完成1次切削加工。

3 硬土地層施工中盾構機滾刀受損類型及原因

硬土地層的泥石結構相對較為穩(wěn)固，盾構機滾刀在進行開挖作業(yè)時，為保證順利完成開挖，必須施加更大的推力，在較大的推力作用下，滾刀的受損程度無疑將增大，進而可能出現(xiàn)單邊磨損嚴重、多邊磨損嚴重、崩刃等情況。下面對以上受損類型的具體引發(fā)原因展開分析。

3.1 滾刀均勻磨損

在正常盾構施工作業(yè)過程中，滾刀在與開挖面長時間接觸的過程中，刀具會受到磨損，正常情況下滾刀不同位置的受損程度應保持均勻，即滾刀的刀圈周邊位置受到的磨損程度基本相同，這種現(xiàn)象屬于盾構機滾刀施工作業(yè)的正常現(xiàn)象，在長時間盾構施工作業(yè)之下，盾構機滾刀都會表現(xiàn)出這種受損狀態(tài)[4]。

3.2 滾刀單邊磨損

從盾構機滾刀旋轉切削作業(yè)的情況來看，刀盤的轉動帶動滾刀自傳，如果滾刀在實際工作時，盾構機的盾構貫入度不足，導致刀盤提供的軸向轉動力矩不足，則會使?jié)L刀的自轉受到影響，可能出現(xiàn)滾刀單邊破損的情況。此外，如果出現(xiàn)機械故障，也可能引起滾刀自轉停止，進而出現(xiàn)滾刀刀圈單邊磨損嚴重的情況，這種狀況對滾刀造成的損害較大，屬于盾構施工作業(yè)中的重點防范問題[5]。

3.3 滾刀多邊磨損

盾構機滾刀出現(xiàn)多邊磨損的情況大多與引起滾刀單邊磨損的原因相關。在實際盾構施工作業(yè)過程中，滾刀刀圈單邊受到較為嚴重的磨損后，在偏磨角產生的外部應力作用下，會使盾構機的滾刀出現(xiàn)瞬時性旋轉，然后出現(xiàn)第二邊磨損、第三邊磨損，乃至多邊磨損。

3.4 滾刀崩刃

為保證滾刀的切削性能，通常需要在刀具的刃口位置鑲嵌少量硬質合金，以此提升刀具的硬度，但隨之產生的缺點也較為明顯，刀具的韌性較差。在滾刀與硬土地層碰撞接觸的過程中，瞬間將產生較大的沖擊力，該作用力可能對刀具的刃口部位造成損傷，嚴重時便會出現(xiàn)崩刃故障。

4 硬土地層施工中盾構機刀具受損防治措施

在盾構挖掘施工中，硬土地層屬于一種較為常見的地質類型，其會在很大程度上加劇盾構機滾刀的受損程度，為有效降低其受損程度，對盾構機刀具采取必要的防治措施十分必要?；诙軜嫏C滾刀的各類型受損情況，主要可采取以下受損防治措施。

4.1 把握盾構機滾刀的換刀時機

在盾構施工中，為保證整體掘進作業(yè)效率，同時形成對刀盤和其他刀具的有效保護，應在盾構施工作業(yè)過程中有效控制滾刀的磨損量，準確把握盾構機滾刀的換刀時機[6]。當前關于滾刀磨損量的預測、推算主要可通過以下兩種方式來實現(xiàn)：

（1）在盾構機滾刀受到較為嚴重的磨損時，如果維持盾構機的總推力不變，此時會發(fā)現(xiàn)盾構機掘進速度明顯降低，且總扭矩數(shù)值明顯升高，根據(jù)這些參數(shù)信息能夠較為準確地估算出滾刀的磨損狀況，進而判斷是否需要行換刀。

（2）研究發(fā)現(xiàn)，盾構機在正常運轉工作狀態(tài)下，盾構機的單一滾刀受到的磨損情況與盾構機的施工工藝、地質條件、刀盤轉速等眾多因素有直接聯(lián)系，可根據(jù)這些基礎性參數(shù)，應用式（1）和式（2）推算盾構機滾刀的磨損量，該計算方法的準確性較高。

式中：δ為磨損量；k為磨損系數(shù)；D為切削軌跡直徑；N為刀盤轉速；L為推進距離；υ為掘進速度；a為刀具每轉掘進長度。

此外，在實際掘進作業(yè)中，應適當提高開倉頻率，做到勤檢、勤看、勤換、勤查，同時注意加強渣土取樣，根據(jù)出渣情況，判斷刀具磨損情況，并對出渣溫度進行檢測，避免渣溫過高引起刀具軸承故障。

4.2 優(yōu)化盾構機滾刀掘進參數(shù)

從盾構機滾刀的運行工作原理來看，其在實際掘進過程中所受荷載大小與貫入度具有較為緊密的聯(lián)系，貫入度越大，其所受到的荷載越大，當荷載超過滾刀承受能力時，便可能對滾刀造成較大的損害。因此，在實際掘進施工中，首先應調查了解滾刀能夠承受的最大荷載，然后在此基礎上控制貫入度數(shù)值，降低作用在滾刀上的總推力，延長其實際使用壽命，同時順利完成掘進施工任務。

4.3 改良開挖面渣土土體性能

在硬土地層施工中，當滾刀作用在開挖面上時，由于土質較硬，容易形成“砂輪效應”，進而對滾刀產生較為嚴重的磨損，降低其使用壽命。在此情況下，可通過添加泡沫劑的方式，改良開挖層渣土的土體性能，使渣土具備更高的流塑性，促進挖掘施工的順利進行。為保證土體獲得較好的改良效果，需注意結合土體情況配置合適濃度的泡沫劑原液，同時在掘進施工作業(yè)中結合推進速度，對泡沫劑的注入量進行適當調整[7]。

5 結束語

由于盾構機刀具在硬土地層施工作業(yè)時容易產生磨損，嚴重時還會增加掘進成本，降低掘進效率，為有效保障整個施工作業(yè)過程的高效性、經(jīng)濟性，加強盾構機刀具受損防治工作至關重要?；诙軜嫏C刀具工作原理以及受損原因，在進行掘進作業(yè)時，主要可通過把握盾構機滾刀的換刀時機、優(yōu)化盾構機滾刀掘進參數(shù)、改良開挖面渣土土體性能等措施來進行防治。