1、成都砂卵石地层刀具改进技术研究摘要 成都地铁建设已经进入了大干时期，随着 1 号线、2 号线及 4 号线等线路的逐步开工，各参建施工单位在施工初期都遇到了程度不一的困难。具体表现为:刀具/刀盘磨损严重、刀具更换频繁;地层不稳定、刀具更换困难;局部粉细砂层刀盘结泥饼问题等。盾构法施工在成都市场上占主流地位，根据成都地铁施工的各种经验，逐步探索并提出了刀具改进方案并付诸于实践，取得了良好的经济效益和社会效益。 关键词 刀具改进滚刀技术研究 中图分类号：TG71 文献标识码：A 前言 成都地铁 4 号线一期 5 标盾构段合计 5816m（含盾构空推段） ，标段盾构施工难度大穿越房屋多，区间之内换刀点
2、设置相对较为困难。主要穿越地层有： 松散卵石、稍密卵石、中密卵石、粉细砂、松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密实卵石。根据成都施工经验来看，刀具的磨损性能很大幅度影响了盾构施工的进度。 一、在砂卵石地层成都、北京地区盾构施工中采用盘形滚刀， 其破岩机理与盘形滚刀在硬岩地层中的传统破岩机理有着显著的不同， 刀具的磨蚀情况也有较大的区别。 该地质对传统的刀具磨损十分严重， 刀具消耗量大， 并存在大量的滚刀偏磨（特别是边缘滚刀） 、 刀圈断裂等非正常磨损。 由此带来频繁的换刀、 地层加固、换刀安全等一系列问题，导致施工成本巨大。 因此，盘形滚刀的选择与使用必须针对本地质的特点做出相应的调整。 滚到的破岩
3、机理 如图 1 所示， 岩石在滚刀刀刃的压力作用下， 形成压应力区域。 压力超过岩石所能承受的应力极限时， 岩石产生爆裂， 其裂隙向四周扩散。 当两个刀刃的距离（ 刀间距） 达到适合的尺寸时， 其间的岩石呈片状剥离； 若刀间距过小， 则形成岩石过度破碎， 造成不必要的磨耗和能量损耗； 若刀间距过大， 则无法达到有效破岩的效果。 图一滚刀破岩机理 二、滚刀在本砂卵地层的破岩与磨损情况 在该地质中施工， 滚刀的破岩机理与硬岩破岩有很大的不同。 由于开挖面整 体抗压强度不高， 此时已非传统的破岩机理， 滚刀只是将卵石和漂石击碎或挤碎。因此滚刀的磨损情况也有别于在硬岩地层中磨损。 相比硬岩而言， 滚刀
4、受到更多的刮削磨损和冲击磨损。 在整体松散的砂卵地层中掘进， 刀圈深深地贯入到岩层中， 不但外圆（齿顶） 接触岩层受到磨损， 刃口侧面也受到极大的磨损； 刀圈受到磨损的同时， 石英含量很高的砂和卵石也会直接作用于滚刀刀体表面，从而对刀体也产生严重磨损。 滚刀在此地质中使用， 除了正常的磨损外， 还存在大量的非正常磨损（特别是边缘滚刀） ，其主要形式是滚刀的偏磨、刀圈断裂、刀体过度磨损等。 导致滚刀偏磨的原因主要有： 2.1 启动扭矩过大 滚刀在该地质中使用， 由于开挖面松散， 不能提供足够大的反力克服滚刀本身的启动扭矩以及土仓内渣土的摩擦阻力力矩和刀箱内渣土的阻力力矩， 造成滚刀不转， 导致偏
5、磨（图 2） 。 图二 启动扭矩过大造成的偏磨 明显特征： 刀圈其余部位几乎没有磨损， 刀体、 端盖无明显受到撞击和变形状况，刀圈无断裂，刀具没有漏油和进泥现象 2.2 刀体变形 在整体松散的砂卵地层， 不但刀圈的磨损， 而且刀体的表面也磨损严重， 特别是因富含石英的砂粒和坚硬的鹅卵石， 对刀圈和刀体都产生巨大的磨蚀。 而传统的滚刀刀体材质为 42CrMo， 硬度约为HRC2832，不具备很高的抗磨蚀性，很快被磨薄而降低了强度。 当刀盘转速为 2 转/Min 时， 对于直径为 6.28M 的刀盘， 边缘滚刀的线速度约为 0.65 米/秒， 而对于直径为 12M 的刀盘，边缘滚刀的线速度高达1.
6、25 米/秒， 若撞击上漂石或大块的鹅卵石则造成刀体变形，导致滚刀不转，形成偏磨（图 3） 。 图三刀体受撞击变形造成的偏磨 明显特征： 刀圈已有一定程度的均匀磨损， 刀体已受磨损严重并有明显的受撞击痕迹，刀体与端盖之间卡死。 2.3 刀圈断裂 传统的硬岩滚刀刀圈， 多采用材质相当于美国标准的牌号 H13 合金工具钢， 为了达到一定的耐磨性， 常见的热处理硬度为 HRC56 58 。 如果对材料的成分、 锻造工艺、 热处理工艺等质量控制出现偏差， 容易造成刀圈的脆性增加， 在大的卵石和漂石的高速撞击下， 造成刀圈断裂， 特别是刀圈经磨损到一定程度后强度变弱 图四刀圈受撞击后断裂 三、在砂卵地层
7、提高滚刀使用寿命的对策 3.1 刀圈 根据滚刀在砂卵地层中的破岩机理与硬岩中的区别， 刀圈的截面尺寸和性能指标应作出相应的调整： A） 为了提高刀圈的耐磨性和使用寿命， 将刀刃宽由 3/4 吋增加到28MM 或更大（图 5） ，同时提高其抗冲击能力。 B） 由于砂卵地质中石英含量高， 其显微硬度高、 磨蚀性高， 为了提高刀圈对付石英的抗磨性， 材料成分中适当提高钒、铌、钨、钼、镍、铬等合金元素的含量，同时控制好锻造工艺和热处理工艺，以达到细化晶粒、提高其抗冲击 能力。图五 刀圈截面尺寸 C） 由于滚刀在本地质中使用， 受到较大的撞击， 因此不宜为了提高其耐磨性而片面的提高其硬度，必须兼顾其抗冲
8、击能力。 3.2 刀体 由于刀体在本地质中使用， 会受到严重磨蚀和撞击， 故刀体应具备较强的耐磨性和抗冲击能力： A） 刀体应采取耐磨处理， 如表面堆复耐磨材料、 提高刀体的硬度（淬火至 HRC46 以上，或表面渗碳、碳氮共渗等处理） 。 B） 提高刀体的厚度和强度，以便提高刀体的抗冲击变形能力。如图 6、图 7 图六加厚耐磨刀体 图七加厚与普通刀体对比 3.3 启动扭矩 严格控制好滚刀的启动扭矩， 单刃滚刀不宜超过 25N-M； 如果在特别松软的地 质， 对于单刃滚刀， 开挖面无法提供足够的反力来克服启动扭矩和阻力扭矩， 可适当考虑采用双刃滚刀，以便提高转动力矩。 3.4 刀具改装 对于海瑞
9、克盾构机， 通常使用的滚刀规格为 17 吋（刀圈外径431.8mm） ， 极限磨损量为： 正面滚刀约 2530mm， 边缘滚刀约15mm。 为了提高其使用寿命， 可适当增加极限磨损量，但必须对滚刀的安装做适当的改装，具体方案如下： A ）加大刀圈的外径 若单纯的加大刀圈的外径将导致滚刀无法安装入刀箱， 必须对装刀 U 形块尺寸进行改造， 如图 8 所示， 按此方案可将刀圈外径加大至 448mm 。 由此， 极限磨损量为：正面滚刀由原来的 25mm 增加至 33mm ，提高使用寿命约 1/3 ，边缘滚刀由原来的 15mm 增加至 23mm ， 提高使用寿命 53% ， 效果非常显著， 只是略微增
10、加刀圈的成本。 按此改装会导致一些问题，必须引起注意： 改变了原有刀具的受力情况， 即滚刀的侧向力（轴向力） 会有所增加。 但考虑到滚刀在砂卵地层受力不大，不会因此导致滚刀的异常损坏。 隧道开挖直径增大了 16mm ，导致出渣量和注浆量相应增加，这点在掘进施工中必须加以注意和重视。 B ）滚刀前突安装 对 U 形块尺寸进行改造，如图 9 所示，可根据实际情况确定前突安装量。以前突安装 10mm 为例， 则极限磨损量为： 正面滚刀由原来的 25mm 增加至 35mm ， 提高使用寿命 40% ， 边缘滚刀由原来的 15mm 增加至 25mm ， 提高使用寿命 67% ， 并且刀具的成本没有任何的
11、改变。 按此改装会导致一些问题，必须引起注意： 隧道开挖直径增大了 20mm ，导致出渣量和注浆量相应增加，这点在掘进施工中必须加以注意和重视。 U 形块向前突出 10mm ，前突外露部分会加快磨损，应做相应的耐磨处理（表 面堆焊耐磨层） 或加焊耐磨块 四、 在砂卵地层降低滚刀使用成本的有效方法 4.1 刀具维修 A) 及时对可再利用的滚刀进行维修， 可以提高刀具的利用率， 减少刀具的库存成本； 还可以减少零件的报废（如漏油进泥的滚刀， 不及时维修会造成轴承锈蚀而报废） 。 B） 对于能修复再使用的零件尽量修复，并对其改善性能，更适合使用要求。 如 图 10 为未经耐磨处理的刀体使用一次后严重
12、磨损， 图 11 为经堆复耐磨层修复后， 图 图 10 刀体修复前 图 11 刀体经堆复耐磨层修复后 4.2 刀具管理 完善刀具的管理体系，对每把滚刀编号登记，记录每次使用的掘进里程、 地 质情况、装在刀盘的位置、 磨损情况（磨损量、有无偏磨和漏油、 有无受到 撞击、启动扭矩变化等） 、维修更换的零件、掘进参数、渣土改良情况等， 通过对其磨损情况和各种参数的分析，可以获得很多有用的信息，便于改善 滚刀的使用。 4.3 刀具选配 根据水桶定律，决定木桶盛水量多少的关键因素不是其最长的板块，而是其 最短的板块。 对于整个刀盘上的滚刀，边缘滚刀的行程轨迹最长、线速度最高， 受到的冲击力最大， 磨损最
13、严重， 也就是水桶定律中的最短板块。因此，最长的换刀里程取决于边缘滚刀的使用寿命。 为了提高开仓换刀的里程，减少开仓换刀次数，降低施工风险和施工成本，有必要选用高性能的边缘滚刀（刀圈） ， 正面滚刀可选用相对经济的， 以获得较高的经济性和实用性的效果。 提高边缘滚刀使用寿命的方法： A) 使用耐磨性更好的重型刀圈； B) 增加破岩的刀圈量，即以双刃滚刀替代单刃滚刀； C) 加大刀圈的极限磨损量（加大刀圈或前突安装） 。 五、实例应用 成都地铁 4 号线 5 标采用本案所提到的施工技术，并获得了成功。所有刀具在掘进到 250 环处（约 325 米处）是检查刀具整体刀具磨损均在 4-5mm，当盾构达到预定换刀点 360 环（约 540 米处）整体刀具磨损在10-12mm 之间，以上措施部分已在成都地铁 4 号线 5 标的盾构施工中广泛
