1、岩石隧道掘进机刀具损坏形式研究摘要：刀具是岩石隧道掘进机施工主要消耗件，对隧道施工的顺利进行和施工成本有很大影响。文章通过对刀具失效形式研究得出 TBM 刀具损耗的主要形式是正常磨损，并对刀具非正常损坏形式及损坏原因进行了研究，为今后预测 TBM 施工刀具消耗情况提供参考。 下载 关键词：岩石隧道；掘进机；TBM 刀具；损坏形式；非正常损坏 中图分类号：TG501 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）17-0009-02 随着我国西部大开发和城市地铁等基础设施的大规模建设，未来有大量的长大隧道需要开挖。全断面岩石隧道掘进机（TBM）是集机械、液压、电子、激光技术为一体的大型
2、工厂化隧道施工作业系统。与传统的钻爆法相比，TBM 施工具有施工速度快、施工周期短、作业环境好、对生态环境友好、综合效益高等特点，因此在隧道施工中得到广泛的应用。 1 岩石隧道掘进简介 隧道掘进机主要分为适用于岩石地层开挖的全断面岩石掘进机（TBM）和适用于土质地层开挖的盾构机。其中硬岩掘进机又分为支撑式 TBM 和护盾式 TBM。装有若干滚刀的刀盘在 TBM 推进系统和刀盘驱动系统的作用下，切入掌子面岩石，不同部位的滚刀在掌子面上留下不同半径的同心圆切槽轨迹，岩渣靠自重掉入洞底，由铲斗铲起的岩渣靠自重经由溜渣槽落入主机皮带机出渣，连续成洞。其中刀盘所需要的推进力由撑靴撑紧隧洞产生的反力承受，
3、刀盘扭矩由刀盘驱动系统提供。 2 TBM 刀具破岩机理 TBM 破岩机理为：盘型滚刀受到推进液压缸推力作用压入掌子面岩石，同时受到刀盘驱动扭矩作用沿同心圆做轨迹滚动；当推力超过岩石的抗压强度时，盘型滚刀刀刃下的岩石直接破碎，刀尖贯入岩石，形成压碎区和放射状裂纹；进一步加压，相邻滚刀间岩石内裂纹延伸并相互贯通成碎片，然后再经由溜渣槽、皮带机运出。其破岩过程主要分为以下三个阶段： （1）挤压阶段。滚刀在推进力的作用下，贯入岩石表面，岩面产生局部变形和很高的接触应力。在此应力作用下，刀刃与岩石接触部分的岩体产生粉碎区，即应力核心区。 （2）起裂阶段。沿粉碎区周边的应力大于岩体的抗拉强度或剪切强度时，
4、就会产生张拉裂缝。该裂缝是盘型滚刀能否破岩的先决条件。在刀刃正下方有主裂缝，由于其方向与破岩方向一致，因此不会显著提高破岩效率，但能加大下一个循环中压入阶段的应力范围。 （3）破碎阶段。当相邻滚刀的间距使得起裂阶段产生的裂缝相互连通时，岩体表面部分就被裂缝分割，并形成碎片而脱离开挖面。 3 全断面岩石隧道掘进机刀具介绍 全断面岩石掘进机主要利用刀盘上布置的盘形滚刀对岩石进行开挖。刀盘上布置的盘形滚刀主要有中心刀、面刀、边刀三种形式。所用的刀圈一般为等截面刀圈，直径通常为 17（432mm）和 19（483mm）两种。由于中心刀安装在刀盘中心，安装空间有限，一般是装有两个刀圈的双刃滚刀。边刀安装
5、到刀盘过度圆弧处，与刀盘平面轴线成一定角度，面刀安装在中心刀和边刀之间。刀具一般由刀圈、刀轴、刀体、轴承、端盖、浮动密封、卡环、隔环等组成，刀圈通过过盈配合安装在刀体上。刀具有单刃滚刀及双刃滚刀两种结构形式。 4 TBM 刀具失效形式及失效原因分析 刀具的损坏形式主要分为正常磨损和非正常损坏。正常磨损是指刀具磨损到规定的极限尺寸而被换下。非正常损坏是指刀具在磨损到极限尺寸之前因为刀圈偏磨、轴承损坏、刀圈移位等其他原因被换下。 4.1 刀具的正常磨损 在 TBM 掘进过程中，刀具的正常磨损是刀具损坏的主要形式。王振春在“TB880E 型掘进机刀具失效分析”一文中通过对秦岭隧道北口 TBM 施工5
6、244m 后刀具失效形式统计得出，正常磨损占刀具总失效形式的 80%。在刀具的正常磨损中，刀盘各刀位磨损情况也不相同，距离刀盘中心越远，各刀位刀圈磨损量也越来越大。秦岭隧道出口掘进 5621m 各刀位消耗报废的刀圈数，包括正常磨损和非正常损坏的刀圈。刀盘各刀位刀盘的消耗量规律与刀圈磨损量规律基本一致，即距离刀盘中心越远，各刀位刀圈消耗量也越来越大。在今后的 TBM 刀具消耗分析中，可以根据以上研究结果，合理储备各类刀具，估计各刀位刀具的使用寿命，对增强刀具的使用寿命具有很大价值。 4.2 刀具的非正常损坏 刀具的非正常损坏主要指由刀圈偏磨、刀圈断裂、刀圈卷刃、刀圈移位、轴承损坏、刀体损坏、密封
7、损坏等引起刀具不能正常使用而被提前换下。 （1）刀圈偏磨。这是刀具非正常损坏的主要形式，是指在掘进过程中刀圈表面被磨成一条或几条弦。刀圈偏磨主要是因为轴承损坏或浮动密封损坏，导致岩屑或铁屑进入刀体，使得轴承不能正常转动，进而刀圈也不能正常转动，引起刀圈的偏磨。 （2）刀圈断裂。一般是由于在掘进过程中出现大块岩石掉落，砸到刀圈；或者由于刀盘其他零件（如铲齿等）脱落而卡在刀刃与岩壁或两个刀刃之间；或者由于隧道掌子面围岩变化较大都会导致刀圈因为局部过载而使得刀圈所受应力集中，产生断裂。在施工过程中应注意观察前往围岩情况，合理调节掘进参数，以减少出现大块岩渣掉落的情况。 （3）刀圈卷刃。是指在隧道围岩
8、比较坚硬，岩石抗压强度比较大时，为了顺利掘进，TBM 推进力也增大，导致刀具受力过大，引起刀圈卷刃；或者因为刀圈材质软，韧性不够大而造成刀圈卷刃。针对此种损坏形式，一方面需要增强刀圈的韧性，硬度等特性使其适应更加坚硬的岩石；另一方面在 TBM 掘进过程中遇到坚硬岩石时，应合理调节掘进参数，降低贯入度和刀盘转速并且降低刀盘推进力，这样就可以最大限度地降低刀圈卷刃的发生。 （4）刀圈崩刃。刀圈崩刃一般发生在岩石较硬的情况下，这是因为此时刀圈与岩石的接触力较大，刀圈表面因为受力过大而出现崩刃现象。另外当刀圈材质较硬、较脆时其表面也容易出现崩刃现象。针对此种情况，一方面合理选用刀圈硬度、韧性等特性，一
9、方面合理调节 TBM 掘进参数，在每一环掘进的初始阶段，应使刀圈与岩石接触时的推进速度不至过快，推进力不至过大，以最大程度地降低刀圈崩刃情况的发生。 （5）轴承损坏。轴承局部受力过大容易引起损坏；超过轴承的使用寿命而引起的疲劳损坏；刀具浮动密封损坏使得铁屑或岩渣进入刀具内部，引起圆锥滚子与轴承杯内部接触面过度磨损而引起的损坏。轴承损坏会引起刀圈偏磨，容易引起刀盘各刀具失效的连锁反应，必须予以重视。 （6）浮动密封损坏。浮动密封失效的形式主要有三种：一是由轴承等零件损坏后产生的金属粉末进入润滑油，进而进入密封环之间，造成浮动密封环之间过渡磨损而失效；二是橡胶圈硬化而失去弹性，达不到密封面所要求的
10、压力；三是装配刀具时，由于防尘不到位，使得密封之间进入金属颗粒。针对以上情况，在装配刀具时要注意防尘，防止金属颗粒进入刀具内部，另外要对刀具进行定期检查，每次拆装刀具时尽量保证更换新的浮动密封，以保证刀具的可靠性。 5 结语 本文介绍了岩石隧道掘进机刀盘及刀具结构，总结了已有的 TBM 破岩原理研究成果，并对 TBM 刀具的损坏形式及失效原因进行了研究。得出正常磨损是刀具损耗的主要形式，刀具的非正常损坏也占刀具损耗的一定比例。研究得出刀具非正常损坏的形式有刀圈偏磨、刀圈断裂、刀圈移位、刀圈松动、轴承损坏、密封损坏、卡环损坏等，并对其失效原因进行了分析。在掘进过程中应当针对不同的地质情况合理调节掘进参数，注意对刀盘及刀具的定期检查，提高刀具的地质适应性等措施，可以有效降低刀具的非正常损坏，增加刀具的寿命。 参考文献 杜彦良，杜立杰.全断面岩石掘进机系统原理与集 成设计M.武汉：华中科技大学出版社，2011. 王镇春.TB880E 型掘进机刀具失效分析J.建筑 机械，2000，（7）. 万治昌，沙明元，周雁领.盘型滚刀的使用与研究 J.现代隧道技术，2002，39（6）.
