馮歡歡， 王樹(shù)英， 楊露偉， 楊延棟， 王文超， 夏 明

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410075； 3. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001； 4. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

刀具作為巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)破巖的核心工具，其性能優(yōu)劣及選型是否合理直接關(guān)系到TBM施工效率，也影響工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)成本[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，復(fù)雜地質(zhì)條件下因檢查及更換刀具造成的TBM停機(jī)時(shí)間、刀具消耗費(fèi)用，分別約占TBM施工總時(shí)間及成本的15%、30%[3]，分析刀具失效形式及原因，從刀具選型、掘進(jìn)參數(shù)控制等方面研究?jī)?yōu)化措施顯得尤為重要。

段志偉等[4]基于新疆EN隧洞工程，開(kāi)展了不同圍巖條件下國(guó)產(chǎn)刀具性能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出滾刀在泥灰?guī)r地層的磨損速率是閃長(zhǎng)巖和花崗巖的1/8；武志鵬等[5]以越南某水電項(xiàng)目TBM施工為例，分析了刀具失效形式及損壞原因，提出刀具磨損受刀具質(zhì)量、圍巖條件、施工環(huán)境等因素影響較大；閆長(zhǎng)斌等[6]通過(guò)擬合分析刀具消耗數(shù)據(jù)，建立了基于不同圍巖和不同滾刀直徑條件下刀具消耗的預(yù)測(cè)方法，并在蘭州水源地輸水隧洞工程通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；Farrokh等[7]基于多項(xiàng)TBM隧道工程案例，結(jié)合室內(nèi)滾刀磨蝕性試驗(yàn)，研究分析了不同磨蝕性指數(shù)與刀具磨損量之間的定量關(guān)系；Yang等[8]通過(guò)理論公式模型推導(dǎo)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回歸分析，建立了刀具消耗評(píng)價(jià)方法和預(yù)測(cè)模型，得出刀具磨損速率與巖體完整性系數(shù)和巖石磨蝕性指標(biāo)的乘積呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系；夏明[9]通過(guò)引漢濟(jì)渭隧洞現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，建立了TBM刀具選用方法和刀盤(pán)刀具修復(fù)方法；張凌等[10]通過(guò)分析TBM刀具失效原因，提出了刀具安裝結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法；李金霖[11]以引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞工程為例，分析了高磨蝕性硬巖地段TBM刀具消耗情況；李小玲[12]針對(duì)盾構(gòu)工程分析了刀具的失效形式，提出刀具管理和維修措施。上述對(duì)TBM刀具磨損評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)、刀具選用及修復(fù)等進(jìn)行了研究，對(duì)于刀具選型優(yōu)化、消耗評(píng)估等具有一定的指導(dǎo)意義，但缺少對(duì)刀具不同失效形式及其影響因素的系統(tǒng)研究，難以為刀具優(yōu)化及管理措施的制定提供切實(shí)依據(jù)，仍有待結(jié)合更多的工程實(shí)踐數(shù)據(jù)，進(jìn)行更深入的總結(jié)與分析。

本文依托引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞、中天山隧道等工程，通過(guò)統(tǒng)計(jì)刀具在不同地質(zhì)條件下的消耗情況，分析刀具消耗的影響因素，進(jìn)而分析刀具使用及管理方面存在的不足，并提出優(yōu)化建議，以期更好地解決刀具選型及管理問(wèn)題，從而提高TBM施工效率、節(jié)約施工成本。

1 刀具常見(jiàn)失效形式

1.1 正常磨損

刀具進(jìn)行破巖時(shí)，破巖效率與刀圈刃口寬度有關(guān)，隨著刀圈磨損量的增加，刃口寬度增加，粉碎區(qū)也逐漸增加，達(dá)到一定范圍時(shí)會(huì)影響掘進(jìn)速度，此類情形下的磨損稱之為正常磨損。

1.2 弦磨

弦磨是指滾刀刀圈被磨成1條或幾條弦的現(xiàn)象，它是最常見(jiàn)的刀具異常磨損形式。造成刀圈弦磨的原因主要有： 1)刀圈自身質(zhì)量問(wèn)題； 2)刀具軸承損壞不能轉(zhuǎn)動(dòng)； 3)刀具裝配時(shí)刀具啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)置不合適； 4)密封損壞導(dǎo)致刀具漏油，同時(shí)巖渣進(jìn)入密封腔，導(dǎo)致軸承損壞； 5)滾刀與刀座之間空隙擠進(jìn)入石塊，導(dǎo)致刀具卡死； 6)設(shè)備掘進(jìn)時(shí)參數(shù)控制不當(dāng)，造成軸承過(guò)載； 7)刀具軸承因過(guò)熱而出現(xiàn)抱死。

1.3 刀圈斷裂

在掘進(jìn)過(guò)程中，刀圈斷裂的情況也時(shí)有發(fā)生。主要原因是： 1)因地質(zhì)條件突然變化或刀刃與圍巖間卡入異物，導(dǎo)致刀圈局部過(guò)載； 2)刀圈與刀體配合過(guò)盈量過(guò)大； 3)刀圈質(zhì)量問(wèn)題； 4)刀盤(pán)啟轉(zhuǎn)時(shí)，推力過(guò)大或推進(jìn)速度過(guò)快，刀具與巖石突然碰撞； 5)進(jìn)行TBM掘進(jìn)方向調(diào)整時(shí)，調(diào)整幅度過(guò)大。

1.4 刀具漏油

造成刀具漏油的原因很多，主要有： 1)刀具軸承或密封失效； 2)刀具修理時(shí)裝配不當(dāng)或混入雜物； 3)刀盤(pán)噴水系統(tǒng)工作性能不足，導(dǎo)致軸承及潤(rùn)滑油溫度過(guò)高； 4)由于地質(zhì)突變或人為操作不當(dāng)?shù)仍颍斐傻毒哌^(guò)載，導(dǎo)致軸承滾子剝落，剝落的金屬碎片及顆粒造成密封失效； 5)刀具密封自身質(zhì)量問(wèn)題。

2 刀具異常損壞影響因素

2.1 掘進(jìn)參數(shù)對(duì)刀具異常損壞的影響分析

2.1.1 總推力

在軟弱圍巖或巖石強(qiáng)度較小的圍巖掘進(jìn)，刀盤(pán)施加較小的總推力即可將巖石由掌子面破碎下來(lái)，刀具受荷載力較小，刀圈磨損較慢，滾刀軸承在低負(fù)荷狀態(tài)下使用壽命較長(zhǎng)；同時(shí)，刀具正常運(yùn)轉(zhuǎn)溫度較低，密封元件不易出現(xiàn)異常損壞。在巖石強(qiáng)度較高的圍巖掘進(jìn)，刀盤(pán)需施加較大的總推力，才能將巖石由掌子面破下來(lái)，刀具所受荷載較大，刀圈磨損較快，尤其是邊刀區(qū)域磨損更加嚴(yán)重；滾刀軸承在高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，使用壽命大幅度降低；刀具運(yùn)轉(zhuǎn)溫度較高，潤(rùn)滑油脂因高溫易失效，密封元件因老化斷裂失效。TBM在掘進(jìn)施工時(shí)，隨著巖石強(qiáng)度的增大，刀盤(pán)將掌子面巖石破碎下來(lái)所需的總推力越大，刀具消耗越嚴(yán)重。

2.1.2 刀具貫入度

TBM在地質(zhì)條件相差不大且轉(zhuǎn)速相同的情況下掘進(jìn)時(shí)，為取得較大的刀具貫入度，必須增大刀盤(pán)推力。隨著推力增大使刀具貫入度增加，即刀具受力增大，導(dǎo)致刀圈出現(xiàn)不同程度的塑性變形、卷刃、崩刃，加大了刀圈的磨損量；軸承載荷偏大甚至超載，出現(xiàn)大斑點(diǎn)狀點(diǎn)蝕、剝落掉塊等異常損壞。

2.1.3 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速

TBM掘進(jìn)過(guò)程中，為了提高掘進(jìn)速度，通常采用提高刀具貫入度或刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，刀具貫入度隨刀盤(pán)推力呈曲線性變化，當(dāng)?shù)侗P(pán)推力達(dá)到額度推力時(shí)，只有提高刀盤(pán)轉(zhuǎn)速才能進(jìn)一步提高掘進(jìn)速度。刀盤(pán)轉(zhuǎn)速增大后，刀具單位時(shí)間內(nèi)自轉(zhuǎn)的線距離相應(yīng)增加，首先，刀具轉(zhuǎn)速增快，刀圈易出現(xiàn)過(guò)載崩刃，增加刀具異常消耗量；其次，刀具溫度明顯提升，易出現(xiàn)密封失效、潤(rùn)滑油脂失效等現(xiàn)象。

以引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞工程為例： 1)TBM油缸推力控制在28～32 MPa，當(dāng)?shù)毒哓炄攵葹? mm/r時(shí)，刀具異常損壞率為8.83%；當(dāng)?shù)毒哓炄攵葹? mm/r時(shí)，刀具異常損壞率為12.22%。2)TBM貫入度控制在3～4 mm/r，當(dāng)TBM油缸推力為26～28 MPa時(shí)，刀具異常損壞率為11.54%，當(dāng)TBM油缸推力為28～32 MPa時(shí)，刀具異常損壞率為12.22%。由此可以看出，刀具異常損壞率與刀具貫入度、TBM推力均成正比關(guān)系，但由于造成刀具異常損壞的因素較多，很難精確分析某一因素的影響程度。在TBM施工過(guò)程中，需要綜合考慮不同掘進(jìn)參數(shù)、地質(zhì)條件及刀具選型等對(duì)刀具異常損壞的影響，同時(shí)還應(yīng)兼顧對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響等方面。

2.2 地質(zhì)條件對(duì)刀具磨損的影響分析

基于引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞某TBM區(qū)間實(shí)際刀具更換統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比不同條件下的刀具消耗量，來(lái)分析不同圍巖單軸抗壓強(qiáng)度及圍巖石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)刀具磨損程度的影響關(guān)系。

2.2.1 圍巖單軸抗壓強(qiáng)度

當(dāng)石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，以石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%的區(qū)段為例，圍巖強(qiáng)度-刀具消耗關(guān)系曲線如圖1所示。從圖中可以看出： 圍巖強(qiáng)度越高，刀具消耗量越大，即對(duì)刀具的磨損影響程度越大。

圖1 圍巖強(qiáng)度-刀具消耗關(guān)系曲線圖

2.2.2 圍巖石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)

當(dāng)圍巖強(qiáng)度一定時(shí)，以圍巖強(qiáng)度為150 MPa的區(qū)段為例，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)-刀具消耗曲線如圖2所示。從圖中可以看出： 刀具消耗量與石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正相關(guān)關(guān)系，且變化率逐漸增大。

圖2 石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)-刀具消耗曲線圖

結(jié)合工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及以上分析結(jié)果，繪制圍巖強(qiáng)度、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)與刀具消耗之間的關(guān)系曲線如圖3所示。

由圖3可知，從整體上可以判斷圍巖強(qiáng)度、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)與刀具消耗均近似線性關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)出不同工況下的刀具消耗情況如表1所示，為今后類似TBM工程施工過(guò)程中的刀具更換與管理提供參考。但刀具的消耗除此外還受多種因素影響，在某些特殊情況下(如遇掌子面塌方、巖爆等)，也會(huì)對(duì)刀具的消耗產(chǎn)生明顯影響。如K28～K29的第1個(gè)波峰： 該段為石英巖與花崗巖交接過(guò)渡段，掌子面巖石破碎，節(jié)理發(fā)育，刀具異常損壞較多，導(dǎo)致其與圍巖強(qiáng)度、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)走向偏離。K34之后波峰： K33+860之后，隧洞埋深超過(guò)1 300 m，巖爆發(fā)生頻率較高，且以中等以上為主,偶爾發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆，導(dǎo)致刀具消耗規(guī)律異常。

表1 不同圍巖強(qiáng)度不同石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)下刀具消耗情況

3 工程案例分析

3.1 中天山隧道

中天山隧道位于托克遜、和碩間中天山東段的嶺脊地區(qū)，是南疆鐵路增建吐魯番至庫(kù)爾勒段的控制性工程。隧道全長(zhǎng)22 467 m，穿越地層主要為變質(zhì)砂巖、花崗巖、片巖夾大理巖等。進(jìn)口段采用直徑8.8 m敞開(kāi)式TBM施工，其中Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖約占全隧長(zhǎng)度的78.8%(見(jiàn)表2)。

表2 TBM段圍巖情況表

3.1.1 刀具消耗情況

3.1.1.1 整體消耗情況分析

TBM刀盤(pán)共配置有6把單刃中心刀、62把正滾刀、3把邊滾刀及2把雙刃擴(kuò)孔刀，均采用43.18 cm(17英寸)盤(pán)型滾刀；另設(shè)置8個(gè)邊緣鏟斗、4個(gè)正面鏟斗(見(jiàn)圖4)。TBM施工過(guò)程中，共計(jì)更換正滾刀4 407把、邊滾刀445把、中心刀154把、擴(kuò)孔刀32把。刀具更換原因統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表3。

經(jīng)研究對(duì)比，中天山隧道TBM掘進(jìn)參數(shù)控制基本合理，造成刀具異常消耗量較大的原因主要有2個(gè)方面： 1)TBM累計(jì)穿越4條花崗巖節(jié)理密集帶(合計(jì)長(zhǎng)度超過(guò)600 m)、1條石英巖脈發(fā)育的砂巖夾片巖節(jié)理密集破碎帶，圍巖軟硬不均、節(jié)理十分發(fā)育，主應(yīng)力方向與隧道軸線方向基本一致，大塊巖石塌落現(xiàn)象頻發(fā)，導(dǎo)致刀具被砸而出現(xiàn)崩刃；同時(shí)，由于大石塊卡滯，導(dǎo)致刀具無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生弦磨，并造成刀具螺栓失效、刀具漏油及其他形式的損壞。2)TBM穿越長(zhǎng)度2 755 m的華力西期花崗巖復(fù)雜洞段，該段地質(zhì)情況異常復(fù)雜，掌子面及兩側(cè)洞壁巖爆、坍塌現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，在掌子面形成臺(tái)階及孤石，使得刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與孤石頻繁沖擊，導(dǎo)致刀具異常損壞，刀具消耗成幾何級(jí)數(shù)增加。

圖4 刀具配置示意圖

表3 刀具更換原因統(tǒng)計(jì)情況

3.1.1.2 正、邊滾刀消耗情況

正、邊滾刀正常更換2 367把，占比48.8%；弦磨、漏油、刀圈斷裂等異常更換2 485把，占比51.2%。異常換刀對(duì)TBM掘進(jìn)進(jìn)度影響較大。

3.1.1.3 中心刀消耗情況

中心刀正常更換119把，占比77.4%;異常換刀35把，占比22.6%。

3.1.2 刀具失效形式分析

3.1.2.1 刀具磨損

刀具磨損占刀具失效近3/4，其中，正常磨損刀具占比48.8%。對(duì)這類換刀要統(tǒng)籌安排，批量進(jìn)行更換，盡可能減少對(duì)掘進(jìn)的影響。弦磨刀具約占失效刀具的25.1%，但及時(shí)發(fā)現(xiàn)刀具弦磨非常困難，弦磨刀一般只能拆解后進(jìn)行全面檢測(cè)，才能準(zhǔn)確判斷其故障原因。

3.1.2.2 刀具漏油

刀具漏油的情況也比較常見(jiàn)，占刀具失效的10%。

3.1.2.3 擋圈斷裂或脫落

擋圈脫落的情況在施工過(guò)程中時(shí)有發(fā)生，占總比的1.9%。造成該情況的主要原因是： 擋圈安裝不當(dāng)或焊接不牢、擋圈被石塊砸斷或脫落等。

3.1.2.4 刀具螺栓松、掉、斷及飛刀等情況

刀具螺栓松、掉、斷及飛刀的現(xiàn)象也較明顯，占刀具失效的8.1%。造成刀具螺栓問(wèn)題的原因主要有：刀具螺栓性能下降、刀具安裝不當(dāng)、螺栓本身質(zhì)量問(wèn)題、刀具螺栓預(yù)緊轉(zhuǎn)矩未達(dá)到規(guī)定等。

3.2 引漢濟(jì)渭隧洞

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞洞線長(zhǎng)81.779 km，以其中位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)及嶺南中低山區(qū)的某標(biāo)段為例，該標(biāo)段全長(zhǎng)18.717 km，高程1 050～2 420 m，隧洞最大埋深約2 000 m，所穿越石英巖、花崗巖及閃長(zhǎng)巖約占圍巖總量的75%以上，其中石英巖中的石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)97%、花崗巖最高達(dá)30%、閃長(zhǎng)巖最高達(dá)18%；標(biāo)段最高巖石強(qiáng)度達(dá)320 MPa，采用直徑8.02 m敞開(kāi)式TBM施工。主要采用43.18 cm(17英寸)中心滾刀、50.8 cm(20英寸)正滾刀及邊刀進(jìn)行破巖。刀具布置情況如圖5所示。

圖5 刀具布置示意圖

3.2.1 刀具消耗情況分析

3.2.1.1 單刃滾刀消耗

TBM某施工段共計(jì)更換單刃滾刀5 961把，其中，正常磨損更換5 094把，占比85.46%；非正常損壞更換867把(見(jiàn)圖6)，占比14.54%。單刃滾刀失效原因統(tǒng)計(jì)如圖7所示。

(a)

(b)

圖7 單刃滾刀失效原因統(tǒng)計(jì)

3.2.1.2 中心刀消耗

TBM第1掘進(jìn)段共計(jì)更換雙刃中心刀161把，正常更換60把，非正常損壞更換101把(見(jiàn)圖8)。

圖8 中心刀失效原因統(tǒng)計(jì)

3.2.1.3 鏟齒消耗

TBM第1掘進(jìn)段共計(jì)更換鏟齒2 687塊，達(dá)到0.32塊/延米。鏟齒更換以正常磨損為主，占比91%；異常更換主要為受高強(qiáng)度巖體沖擊導(dǎo)致鏟齒螺栓斷裂、鏟齒掉落，占比9%。鏟齒消耗主要集中在刀盤(pán)過(guò)渡區(qū)域位置，由于該區(qū)域刀具磨損較快，造成該區(qū)域鏟齒更換量占比80%以上。

3.2.2 刀具失效形式分析

引漢濟(jì)渭第1掘進(jìn)段異常磨損滾刀共計(jì)938把，其中，刀圈崩刃占比44%，偏磨占比32%，其他原因占比24%。具體分析如下。

1)引漢濟(jì)渭工程中巖爆頻發(fā)，巖爆引起巖石發(fā)生塌落，對(duì)滾刀產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，進(jìn)而導(dǎo)致刀圈崩刃、斷裂，這是造成刀圈崩刃損壞的主要因素。

選頰車、下關(guān)、四目、印堂、風(fēng)池、翳風(fēng)、地倉(cāng),艾絨中加入麝香、雄黃、乳香、當(dāng)歸、冰片、沒(méi)藥、紅花、水蛭等藥物,增強(qiáng)艾條功用。每穴以雀啄法灸5min,皮膚潮紅為適宜,耳后部熱氣向面部傳導(dǎo)且面部有發(fā)熱感覺(jué)時(shí)療效更佳。1次/d,1療程10d,每個(gè)療程后休息1d,根據(jù)治療效果決定是不進(jìn)入下一療程。施灸時(shí)注意力要集中,患者取舒適、自然體位,穴位精確,艾條與穴位距離有稍遠(yuǎn)一些,避免燙傷皮膚,且不影響治療效果。施灸結(jié)束30min內(nèi),患者要避免外出或吹風(fēng)受涼。

2)引起滾刀偏磨的原因較多，例如： ①過(guò)載沖擊使刀具軸承、刀體、刀圈損壞而未及時(shí)更換；②石塊擠入刀座與滾刀之間的空隙，導(dǎo)致刀具卡死；③密封損壞造成刀具漏油，同時(shí)巖渣進(jìn)入密封腔，致使軸承損壞；④刀具裝配過(guò)程中啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩調(diào)整不當(dāng)，使得刀具不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

3)除了以上崩刃、偏磨2個(gè)主要異常失效形式外，其他諸如螺栓松動(dòng)或斷裂、端蓋移位、端蓋絲扣壞等也達(dá)到了24%的比例。其中，刀具固定螺栓的“松、掉、斷”是極硬巖地層TBM刀具使用與管理所面臨的技術(shù)難題之一。

4 應(yīng)對(duì)措施分析

4.1 刀具選型

在滾刀易磨損地層，刀具的消耗以磨損為主，根據(jù)不同的地質(zhì)情況，應(yīng)選用相對(duì)應(yīng)的刀盤(pán)刀具配置，調(diào)整合適的刀間距避免巖面過(guò)度破碎形成刀具的二次磨損； 同時(shí)，增加施工時(shí)刀盤(pán)檢查頻次，做到提早發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，避免因個(gè)別刀具出現(xiàn)磨損過(guò)快、崩刃等現(xiàn)象影響整盤(pán)刀具的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在排除設(shè)備等外部原因?qū)е聺L刀磨損過(guò)快時(shí)，滾刀自身的配置尤為關(guān)鍵：

1)選擇合理的轉(zhuǎn)矩配置，在地質(zhì)情況發(fā)生變化時(shí)要相應(yīng)調(diào)整刀具的轉(zhuǎn)矩，提高刀具壽命，防止因摩擦力不夠?qū)е碌毒咂?、弦磨?/p>

2)選用高品質(zhì)浮動(dòng)密封、軸承，確保在刀具運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)因浮動(dòng)密封、軸承失效而導(dǎo)致滾刀異常磨損。

3)選擇適用當(dāng)前地質(zhì)情況的刀圈，如在掌子面圍巖坍塌掉塊較多的情況下采用加厚刀刃、刀圈采用中高頻梯度硬度處理提高韌性等措施；在巖層強(qiáng)度較高時(shí)則不宜采用刃口過(guò)寬的刀圈，否則會(huì)降低破巖效率加速刀圈的磨損。

在滾刀易磨損地層，刀圈新的工藝處理也能帶來(lái)很好的效果。如在刀圈上鑲嵌超硬合金，在巖層強(qiáng)度不高(≤40 MPa)的情況下能延長(zhǎng)刀圈使用壽命，利用合金的高耐磨性實(shí)現(xiàn)刀具的耐磨性提升。

4.2 刀具檢查方法

4.2.1 刀具檢查頻次要求

1)刀具例行檢查標(biāo)準(zhǔn)： 根據(jù)TBM掘進(jìn)速度(v)來(lái)制定刀具例行檢查頻率，v<2.6 m/h時(shí)，每掘進(jìn)3個(gè)循環(huán)檢查1次； 2.6 m/h3 m/h時(shí)，每掘進(jìn)5個(gè)循環(huán)檢查1次。

2)當(dāng)出現(xiàn)主機(jī)振動(dòng)大、刀盤(pán)內(nèi)有異響、刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩或掘進(jìn)推力異常增大等情況時(shí)，需立即停機(jī)對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行檢查。

3)刀具檢查人員觀察出渣皮帶時(shí)，如發(fā)現(xiàn)有長(zhǎng)條形渣塊連續(xù)出現(xiàn)超過(guò)5 min，應(yīng)停機(jī)檢查刀具。

4)皮帶上有刀具螺栓、刮板等物體時(shí)，需停機(jī)進(jìn)行刀盤(pán)檢查。

4.2.2 刀具檢查主要內(nèi)容

1)刀盤(pán)清渣及清潔工作。

2)每20～30 m測(cè)量刀具的磨損量。中心刀及正滾刀的磨損極限值為38 mm，邊刀的磨損極限值為18 mm，出現(xiàn)特殊情況時(shí)應(yīng)據(jù)實(shí)考慮每日檢查。

3)檢查刀具是否有弦磨、漏油、刀圈斷裂、刀圈移位、擋圈脫落，刀具螺栓是否松、斷、掉，并使用工具敲擊螺栓，判斷螺栓緊固狀況。

4)檢查刮板及刮板螺栓狀況。

5)檢查刀盤(pán)噴水系統(tǒng)是否完好。

4.3 更換刀具判斷標(biāo)準(zhǔn)

不同類型的換刀對(duì)應(yīng)著不同的標(biāo)準(zhǔn)：

1)正常換刀。刀圈磨損到極限值，正滾刀、中心刀磨損到38 mm，邊滾刀磨損到18 mm。

2)非正常換刀。刀具弦磨、漏油、刀圈斷、刀圈移位5 mm以上。

3)調(diào)整高差的換刀。正滾刀相鄰刀具高差小于15 mm，邊刀高差小于5 mm。

4)成組更換刀具。中心刀成組更換時(shí)，必須更換1#正滾刀；更換邊刀同時(shí)更換55#～62#正滾刀。

4.4 更換刀具相關(guān)要求

1)刀具更換時(shí)，必須將刀具各個(gè)接觸面用角磨機(jī)打磨干凈，保證接觸面光滑無(wú)異物；托架與刀具的接觸面必須要用清水沖洗干凈，并用干凈棉布擦干后方可組裝，最后用扭力扳手?jǐn)Q緊到要求的力矩。

2)刀架與刀座一一對(duì)應(yīng)，拆除的刀架重新安裝時(shí)要裝到原刀座。當(dāng)?shù)都芑虻蹲枰鼡Q時(shí)，必須成套更換。

3)裝刀前需檢查刀座是否牢固，確保其不存在磨損或刀座螺栓斷裂等情況。緊固刀具螺栓應(yīng)先用手帶入4～5個(gè)絲扣后，再用氣動(dòng)扳手帶入，嚴(yán)禁直接用氣動(dòng)扳手安裝螺栓；最后使用力矩扳手將螺栓緊固到位，螺栓緊固順序?yàn)閷?duì)角緊固。

4)換刀人員要將刀座號(hào)、刀具更換的里程、刀盤(pán)工作時(shí)間、新裝刀體號(hào)、舊刀體號(hào)、新刀狀況及裝刀具的人員等信息，記在刀具更換記錄表中，并通報(bào)給主司機(jī)，予以記錄。

5 結(jié)論與建議

全斷面硬巖、斷層破碎帶等不同類型圍巖，所造成的TBM刀具破壞形式不盡相同；圍巖單軸抗壓強(qiáng)度、圍巖石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)等不同地質(zhì)參數(shù)，對(duì)刀具的影響程度不同；而不適宜的TBM掘進(jìn)參數(shù)也會(huì)造成刀具的異常損壞，如總推力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀具貫入度等。針對(duì)刀具不同類型的損耗，需準(zhǔn)確分析原因，以采取針對(duì)性的處理措施，進(jìn)而有效控制刀具消耗量，最終實(shí)現(xiàn)施工成本的降低、施工效率的提高。在做好刀具損壞原因分析及應(yīng)對(duì)處理的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該從刀具配置技術(shù)及刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面加強(qiáng)研究，以減少刀具的異常損壞。具體結(jié)論與建議如下：

1)在不考慮掌子面塌方、巖爆等特殊情況對(duì)刀具異常損壞影響的前提下，圍巖強(qiáng)度、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)與刀具消耗均近似成線性關(guān)系。

2)進(jìn)一步研發(fā)刀間距可調(diào)的刀具配置技術(shù)。目前，關(guān)于TBM刀具配置設(shè)計(jì)，多是基于前期類似工程配置經(jīng)驗(yàn)及施工效果進(jìn)行類比設(shè)計(jì)，一旦刀具配置方式確定，后期施工中就不再改變，這樣便難以適應(yīng)同一隧道不同地質(zhì)條件下的破巖需求。由于不同圍巖條件下的滾刀最優(yōu)破巖刀間距不同，目前只在室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了刀間距的可調(diào)，工程中尚未獲得應(yīng)用，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)刀間距可調(diào)的刀盤(pán)刀具技術(shù)研究，以確保不同地質(zhì)條件下的TBM掘進(jìn)效率。

3)加強(qiáng)新型刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用。目前，刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在超大直徑盾構(gòu)常壓滾刀性能檢測(cè)方面有了較多的應(yīng)用，但由于TBM裝備掘進(jìn)過(guò)程中振動(dòng)強(qiáng)烈、外界干擾大等不利因素影響，導(dǎo)致現(xiàn)有滾刀狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在TBM掘進(jìn)過(guò)程中適應(yīng)性較差、數(shù)據(jù)采集精度較低；另一方面，由于現(xiàn)場(chǎng)檢查T(mén)BM刀具狀態(tài)的條件相對(duì)便利，刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在TBM裝備上推廣應(yīng)用極少。同時(shí)，在裝備無(wú)人化、信息化、智能化等發(fā)展趨勢(shì)的推動(dòng)下，人工對(duì)刀具狀態(tài)進(jìn)行不定時(shí)的檢查將難以滿足，有必要對(duì)刀具狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握并提前預(yù)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，在超聲波探測(cè)法、電氣法等現(xiàn)有刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研發(fā)出能夠?qū)BM工作環(huán)境具有較強(qiáng)適應(yīng)性的新型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尤為迫切。