TBM施工中刀盘损坏现象的机理分析及维修

程彦强

摘要：全断面硬岩隧道掘进机（TBM）在掘进过程中，会受到自重、地质条件、人为因素等影响，导致掘进姿态发生变化，偏离目标轴线，需要通过纠偏调向使其回到目标轨迹上，以保证施工质量。TBM滚刀作为专业的破岩工具，其技术性能的优劣对工程进度和工程成本有重要影响。鉴于此，本文主分析TBM施工中刀盘损坏现象的机理分析及维修。

关键词：TBM施工；刀盘损坏；维修

中图分类号：U445   文献标识码：A

1、引言

全断面硬岩隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）是集机、电、液、光等系统于一体的大型隧道施工装备，可用于掘进、支护、出渣等施工工序并进行连续作业，与传统钻爆法相比，具有掘进速度快、安全环保、综合效益高等优点，在中国铁道、水电、交通、矿山、市政等隧洞工程中应用迅猛增长。TBM可分为敞开式TBM和护盾式TBM。

为保证隧道施工质量，TBM需严格按照设定的目标轴线掘进。然而，在实际施工过程中，TBM不可避免的会受到自重、地质条件、人为因素等影响，导致掘进姿态发生变化，偏离目标轴线，产生位置偏差和角度偏差，需要通过纠偏调向使其回到目标轨迹上。现有的敞开式TBM施工多依赖于人工操控，通过调节撑靴缸筒左右移动实现TBM左右调向，通过调节扭矩油缸同时伸缩实现TBM上下调向，操作精度受人员影响较大，易造成刀盘、刀具、主驱动损坏和隧道壁不光滑等一系列问题，施工质量难以保证。因此，研究TBM自动纠偏控制十分必要。

2、工程概况

某引水项目，围岩以泥盆系凝灰质砂岩、凝灰岩、夹炭质粉砂岩为主，局部洞段存在石英闪长岩、花岗岩。石英闪长岩和花岗岩部位岩石强度高、耐磨性强，TBM长时间处于高推力，低贯入度状态，设备本身振动较大，容易造成钢结构疲劳开裂。刀盘刀座结构本身和相关焊缝在应力集中点向四周开裂；滚刀容易松动，发现不及时楔块就会对刀座承载面造成锤击，造成刀座压溃变形。

3、TBM施工中刀盘损坏现象的机理分析

3.1、刀盘损坏初期特征

在2020年1月初，TBM掘进11.7km左右，发现刀盘在相同岩层、同推力下刀具磨损异常，同时刀具固定螺栓松动、掉落现象比以前明显增加，2月初发现刀盘刀座部分焊缝，钢结构磨损严重，2月中旬发现面刀塞板部分丢失，刀盘格栅断裂，同时刀盘刀座部分焊缝开裂，局部钢结构磨损更加严重。由于外部因素，厂家服务人员不能及时到现场进行维修，只能降低刀盘推力，导致现场掘进效率低，平均日进尺仅8.6m，严重影响施工进度。

3.2、刀盘检查情况

在3月中下旬厂家服务人员到达现场全面检查刀盘，发现刀座压溃（约4mm），中心刀座焊缝，面刀承载面磨损严重（约6mm），铲刀焊缝开裂、溜渣挡板破损，同时格栅、面板磨损，需迅速修复。

3.3、刀盘损坏分析

刀座压溃的主要原因是岩石耐磨性强，设备在高推力低贯入度时振动大，部分焊缝交界处焊接设计不合理，没有考虑应力释放，造成刀座和刀盘各焊缝不同程度开裂。

4、维修措施

4.1、刀具的检查与管理

根据岩石强度或岩石可钻性确定刀具检查频率。如果岩石的单轴抗压强度在60~90MPa之间，可钻性4~7级，应每4个开挖循环检查一次刀盘；如果岩石强度在90~120MPa之间，可钻性7~10级，应每开挖3个循环对刀盘进行检查。如果岩石强度大于120MPa，可钻性大于10，则应在每开挖2个或1个循环对刀盘进行开舱检查。检查应包括非正常磨损（偏磨、崩刃、卷刃、轴承损坏或漏油等)、滚刀磨损量（用专用卡尺测量）和滚刀螺旋紧固性，若滚刀磨损量超过允许磨损量或发生非正常磨损，则必须更换滚刀。

在桩号105+028~104+800段，长度为228m。该里程段内岩石为石英岩，岩体完整性及稳定性好，单轴抗压强度在100~140MPa之间，可钻性9~12级，TBM掘进过程中滚刀磨损非常严重，共更换了45把滚刀，平均每掘进5m需更换一把滚刀，平均每天更换5~8把滚刀，严重降低了TBM掘进效率。分析表明：安装新的滚刀后，部分滚刀轴承损坏或卡住，仅仅开挖了1.5环，滚刀就发生了偏磨。

刀具使用前，应对刀具进行测试。首先，检查滚刀是否漏油和刀圈是否有裂纹，然后，使用专业仪器测试滚刀的启动扭矩大小，若滚刀启动扭矩过大，TBM掘进过程中易导致刀具发生偏磨；若滚刀启动扭矩较小，则会加速滚刀磨损，主要由于启动扭矩较小时滚刀在岩石表面易发生相对滑动而不是滚动。工作人员应根据当前围岩条件，适当调整滚刀的启动扭矩，减小滚刀的消耗数量。例如，在2018年1月26号，工作人员更换5把滚刀，滚刀破坏类型全部为偏磨，后研究发现主要原因为滚刀的启动扭矩较大，TBM开挖过程中，滚刀旋转困难，滚刀一侧与岩石长时间摩擦。

4.2、刀盘修复

为了恢复刀盘性能，对压溃5mm以上的刀座进行修复，开裂的刀盘结构进行打磨处理后重新焊接，补齐缺失的刀座赛板和保护块。（1）刀座部分。1#3#、2#4#中心刀座更换，刀座取出后，发现刀箱四处直角位置发现3处裂纹，长约10mm，深5mm，修复后打磨平整；修复压溃的44处刀座承载面。（2）刀盘体部分。内外刀座板焊缝开裂修复，刀座外侧支撑板焊缝开裂修复，背板裂纹修复，支撑板与背板接触处开裂修复。（3）铲斗部分。铲斗大圆环、后锥板开裂修复；铲刀座焊缝开裂：掉落格栅换新补齐。（4）耐磨组件部分。刀座位置刀座保护块均磨损严重，上层复合耐磨板均已局部缺失，下层handox板磨掉肉严重，均堆焊后堆耐磨处理，上层耐磨板缺失位置均耐磨网格处理。

4.3、刀盘喷水系统维护

刀盘旋转掘进过程中，前部喷水口与渣石泥土接触，容易被堵塞，丧失降尘作用、无法给滚刀降温和润滑。滚刀在旋转过程中，在推进力（即正压力）的作用下与岩石发生摩擦，转速越高发热值越大。如果无刀盘喷水或刀盘喷水量减少，滚刀会迅速升温，加速滚刀卷刃。同时高温会造成油封失效漏油，继而圆锥滚子轴承被破坏，造成滚刀偏磨，甚至伤及刀体，外侧滚刀将比内侧滚刀的破坏更严重。因此滚刀刀盘前部的8个喷水口必须保证畅通，喷水压力及流量满足设计要求。通过日常对喷水系统的维保，保持正常的喷水，可以在一定程度上延长刀盘的寿命。

4.4、TBM掘进姿态控制

TBM在直线掘进过程中操作司机不能频繁的调向（在VMT上显示掘进线路为蛇形），频繁调向会造成推力大的一侧滚刀入岩后受到侧向偏载力，造成该侧滚刀刃口角磨损量不一致，严重的甚至造成偏磨。

4.5、新装滚刀的保护

掘进过程中，滚刀磨损到限需要更换，更换的新刀应考虑相邻刀圈间的高差满足设计要求。新换的滚刀刃口高度比相邻滚刀刃口高，如果高差比较大，司机在初始推进时应降低推力、推进速度及转速，待新刀与原轨迹磨合到位，与相邻滚刀受到均载后，再加大推力和转速。

4.6、出渣口刮刀维护

当出渣口刮刀发生磨损或者到限未进行更换，会造成细渣出渣不利，大量细渣在刀盘前方或两侧随刀盘翻动。石英含量高的细渣相当于磨料对滚刀进行磨蚀冲撞，减少滚刀的寿命。因此出渣口刮刀需定期检查，发现磨损到限或损坏时立即更换。

5、结束语

刀盘的寿命是TBM快速掘进的重要保证，其中，刀盘的设计、加工制造又是影响刀盘寿命的重要因素，否则后期会严重影响掘进效率，给施工方造成不可估量的损失。同时，现场施工方也需注意对刀盘的检测、保养，发现异常现象要及时处理。由此可见，本文的研究也就显得十分的有意义。

参考文献：

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