中国水利水电第十四工程局有限公司 云南省昆明市 650041
摘要：坚硬岩环境下，通过对刀具选型及刀具布置、同条件下不同掘进参数刀具磨损情况、现场刀具检测、刀具更换、刀具修理等过程进行分析研究，降低掘进过程中TBM刀具磨损量，对提高掘进施工效率、节约工期、降低施工风险、减少施工成本投入等具有重大的社会效益和经济效益。
关键词：全断面岩石隧洞掘进机（TBM）；滚刀；刀具磨损；刀具修理
ABSTRACT：In the hard rock environment，the process of tool selection and tool layout，tool wear with different driving parameters under the same conditions，on-site tool detection，tool replacement，tool repair，etc. are analyzed and studied，it is of great social and economic benefit to reduce the wear of TBM cutting tools in the process of tunneling to improve the efficiency of tunneling，save the construction time，reduce the construction risk and reduce the construction cost.
引言
伴随着21世纪开发地下空间时代的来临，地下隧洞工程近年来迅猛发展，大多数工程埋深大、距离长、地质条件复杂性、施工技术难度大，在长距离隧洞TBM施工过程中，刀具成本是主要施工成本投入之一，如何降低施工成本投入，对TBM法施工隧洞具有较大的意义。对刀具使用、刀具测试、刀具检测、刀具更换（或调换）、刀具修理、数据的记录与统计分析、刀具的运转与储放、刀具信息化管理进行研究。刀具合理使用与管理，可以减少刀具的磨损量，从而降低换刀次数，提高施工掘进效率。，可靠的保证了刀具利用率，提高刀具使用寿命，有效的降低了施工成本投入，对长距离花岗岩TBM隧洞施工具有较大的意义。
一、工程概况
本课题依托珠江三角洲水资源配置工程土建施工C1标TBM设备展开分析，TBM法施工段隧洞穿行于东莞市的大岭山森林公园内，由西向东布置，隧洞沿线地形地貌类型为低山丘陵地貌，山体地面高程50m～270m，坡度以20º～30º为主，地势整体为西北部低，东北部高。地质围岩主要为花岗岩、片麻岩、石英岩，微风化或新鲜岩块饱和单轴抗压强度最大值花岗岩为286MPa，片麻岩类为233MPa，石英岩类为156MPa。弱风化花岗岩饱和单轴抗压强度范围为43.6MPa～130MPa，弱风化片麻岩类饱和单轴抗压强度范围为64.2MPa～146MPa，弱风化石英岩类饱和单轴抗压强度范围为39.6MPa～112MPa；岩块磨蚀性试验测得磨蚀指标CAI分布于3～4（0.1mm），均为高等级耐磨性岩。
本工程TBM设备刀盘钢结构主要由六个主刀梁，六个副刀梁、外圈梁和刀盘法兰等组成，共计55把滚刀，4把中心双刃滚刀，51把单刃滚刀。TBM设备在硬岩地质条件下掘进施工过程中，岩层抗压强度高，围岩整体性较好，不易破碎，由于围岩硬度高，刀具磨损量大。
二、刀具磨损影响因素分析[1]
（1）刀具高度差是影响刀具磨损重要因素，刀具磨损过大，会使相邻刀具受载增加数倍，从而导致加快其他刀具磨损。
（2）地质围岩特性与刀具磨损有关，岩石耐磨性越高，刀具磨损越严重。
（3）掘进过程中掘进参数控制对刀具磨损具有较大影响，因滚刀工作压力过大导致刀具失效，致使加快刀具磨损。
三、刀具选型及布置[2]
3.1刀具选型
刀具的选用需满足施工隧洞地质环境，刀具的破岩能力及耐磨性对降低施工刀具成本投入具有重要意义，因此设计刀具时需充分考虑该隧洞的具体地质条件。本工程刀具刀圈由高质量工具钢或模具钢制作而成，可以在不拆解刀体的情况下更换。刀具的浮动密封阻挡灰尘进入并密封住润滑油，可适应刀具破岩产生的高温。刀具轴承选择进口圆锥滚子轴承，刀轴采用合金钢材料，设计有重载法兰盘以抵抗轴向载荷。滚刀额定承载力为 315KN，刀圈采用冷作磨具钢，调质硬度 58HRC 以上，从而大幅度增加其耐磨性，同时采用小刃宽设计，增强接地比压，提高破岩能力。
3.2刀具布置
刀盘设计是全断面岩石掘进机（TBM）设计的关键技术之一，刀具布置作为刀盘设计的重要环节，刀盘在TBM掘进作业时的平衡性直接影响其开挖效率、使用寿命及费用等，故刀盘设计时应充分结合施工隧洞地质环境，确保刀盘及刀具布置满足该隧洞掘进破岩能力，从而降低施工难度，提升掘进施工效率。
本标段刀具布置为非线性形式，刀具布置均匀，在同等岩石强度下，震动相对较小，有利于降低刀具消耗。在布置时以刀尖为基准面进行相关刀具的布置，为了应对高强度地质，缩小刀间距，刀间距75mm，增强边刀破岩能力，可有效降低刀盘震动、提高刀具使用寿命。刀盘设计为多进渣口，提高刮渣能力，最大限度降低了周边盘体及刀具的二次磨损。
四、掘进参数
通过对现场掘进参数及刀具磨损情况分析，同等强度围岩环境下TBM刀盘扭矩、刀盘转速、贯入度、推力等因素对刀具磨损情况影响较高。通过以往施工经验及对现场掘进数据进行分析，在围岩较为完整段掘进施工过程中宜采用高转速、低扭矩掘进模式。由于围岩本身的抗压强度较大，不易破碎，若掘进速度太低，会造成刀具刀圈的大量磨损；若掘进速度太高，会造成刀具的超负荷，产生漏油或偏磨现象。因此，掘进过程中应根据现场情况及时调整适宜的掘进参数，最大限度降低对刀具的磨损。
五、刀具管理
5.1管理目的[3]
完善TBM刀具管理办法，合理性地实行刀具的检测、修理、更换（或调换）并建立现场施工使用刀具管理台账明细，及时掌握刀具的使用情况并对数据进行分析，从而对刀具进行合理调配和选择更加适宜的修理工艺。能最大限度地减少在刀具方面的投入，对降低刀具的投入成本有重要意义。
5.2刀具检测
刀具检测包括：刀具是否损坏及刀具的磨损情况（本标段刀具磨损值控制：中心刀磨损值控制于20mm，边刀磨损值控制于15mm，面刀磨损值控制于30mm）；铲牙的完好情况；刀盘耐磨层的磨损情况；刀具安装部件如楔块、安装块、螺栓保护帽是否松脱或损坏。TBM设备在坚硬岩地质条件下掘进施工过程中，由于岩层抗压强度高，围岩整体性较好，不易破碎，围岩硬度高，造成刀具磨损量大。因此，TBM每掘进2-3次循环，需对刀具偏磨情况、磨损量和刀圈损坏程度进行检查，对失效的刀具及时进行更换，避免磨刀盘情况的出现。
5.2刀具更换
刀具更换主要集中在设备维保期间，掘进工程中根据掘进情况进行开仓检查，并根据刀具检测结果，及时对已达到更换标准的刀具进行更换，避免由于刀具失效，增加刀具磨损，导致磨刀盘情况出现。出现下列情况，需进行换刀作业：
（1）刀圈出现挡圈脱落现象需更换；
（2）刀圈出现裂纹、断裂需更换；
（3）刀圈出现崩刃现象需更换；
（4）刀具出现偏磨现象需更换；
（5）刀具出轴承密封失效现象需更换。
敞开式TBM换刀作业流程：
换刀前准备→开仓清洗刀盘→检查确认更换刀具数→清理刀座→拆除旧刀→吊出旧刀→安装新刀→检查紧固刀具→清理仓内工器具→关仓恢复掘进。
5.4刀具修理
设立刀具修理车间，对更换下来的刀具进行检查（对刀具偏磨情况、密封情况、刀圈磨损情况、油脂等进行检测），对具有修理价值的刀具进行维修处理，可减少新刀购置，提高刀具使用寿命，降低施工成本投入。
修刀流程：
（1）拆解：冲洗刀具→检修→偏磨、漏气→拆盖解体→检查轴承（轴承未损坏更换密封圈）→更换轴承→更换密封圈→装配→更换刀圈→焊接挡圈→保压、注油→测试扭矩→完成刀具修理；
（2）不拆解：
①冲洗刀具→检修→检测刀圈磨损情况→更换刀圈→测试扭矩→完成刀具修理；
②冲洗刀具→检修→检测油脂→更换油脂→测试扭矩→完成刀具修理。
六、总结
刀具是TBM掘进关键部位，合理的刀具设计、刀具布置、掘进参数设定，可有效降低刀具磨损，提高滚刀使用寿命，可保证施工的连续性、快速性、安全级可靠性，对于提高TBM长距离施工效率，节省刀具成本，实现较高的经济收益具有重要意义。
参考文献：
[1]张珂，王贺，吴玉厚，赵凯军.全断面硬岩TBM滚刀磨损关键技术分析[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2009（025）002：351-354.
[2]曹旭阳，张伟，王欣，高顺德，柴荣峰.TBM典型刀盘刀具布置方法及软件实现[J].工程机械.2010（041）001：21-25.
[3]李英峰.隧洞掘进机（TBM）刀具管理与分析[J].山西水利科技.2016（03）：63-66.
[4]周红，班树春，韩颖 .TBM最佳掘进工作参数研究与应用[J]2009（04）：85-88.