土压平衡盾构机刀具的维护与管理措施

田乐乐

摘 要：德国海瑞克公司生产的土压平衡式盾构机是目前世界上先进的盾构机，广泛应用于世界各国城市地铁的施工建设。由于盾构机是目前最昂贵的施工设备，因此，对盾构机最主要部件—— 刀具进行维护与管理能够大大提高其使用寿命。

关键词：盾构机 刀具维护 刀具管理

中图分类号：TG71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0066-02

本文主要介绍了盾构机的主要部件—— 刀具，刀具在盾构施工中带来很大的作用，因此，本文着重讲述盾构机的刀具性能以及作用，另外综合阐述了盾构机刀具的维护与管理，从而延长刀具的使用寿命以降低施工成本，从而为盾构施工带来经济效益与社会效益。

1 盾构机刀具的特点和刀具布局

1.1 刀盘的特点

本文将目前所在项目部使用的德国海瑞克公司生产的S-425和S-426两台盾构机进行介绍分析。事实上根据地层不同则对刀盘性能的要求也就不同，一般刀盘分为软岩刀盘、硬岩刀盘、复合刀盘。软岩刀盘一般适用于土地层较软的地层，而我国很多地区具有着软土土质层的省份城市，例如：上海、天津、西安等地区，这种刀盘结构一般比较简单，代表的有辐条式与软土刀盘。而硬岩刀盘较适用于质地较硬的硬岩地层，在进行地下作业的时候常常运用到这种刀盘，只配有滚刀即可，例如：隧道、地铁、引水等。复合型刀盘一般适应于很多种地层，包括：硬岩地层、软硬不匀地层、软岩地层等等，这种盾构机刀盘不但配有滚刀而且还配有刮刀，因此，这样的刀盘被称为复合型刀盘。

1.2 刀具分布及数量

在盾构机的中心区就是刀盘的中心，其特点就是空间较小、滚刀转径较小，正因为如此滚刀滑动加滚动承受轴向力较大。中心刀相较于滚刀的区别有如下几点：第一，成组安装位为两个一组、三个一组、六个一组；第二，其密封形式为单密封环，且与轴承配对；第三，轴承角度与预紧力较大；第四，对刀圈韧性指标要求较高。正面区工作的刀具，其具有一定的转弯半径且有着足够的布置空间，被称之为正滚刀，且这种刀的使用寿命较长。另外，刀盘边缘区域由于承担着破岩量大、刀具复杂力、开挖直径等工作，因此常常将刀量分布较多，且刀具之间的间距较小，在边缘还设有7把滚刀，这样不仅可以保护切刀与刮刀，而且保证在断面岩层、硬岩地段都可以掘进。

1.3 刀具使用效果

1.3.1 适应硬岩

项目部使用的S-425和S-426两台盾构机为根据南京地质情况进行定制生产的土压平衡复合式盾构机，刀盘上配置的刀具具备破岩的能力，因此可以适用于地质条件复杂的岩层开挖工程。

1.3.2 适应土层与高粘性地层

S-425和S-426两台盾构机在土层和高粘性地层都也能很好的作业，在这些土层作业的时候要求刀盘上的部分滚刀更换为齿刀、刮刀等刀具。因此，S-425和S-426两台盾构机也能有效地对土体进行开挖、切割，其出土性能状态也很好。

1.3.3 适应软硬不匀的复合地层

在软硬不匀的复合地层作业，通过调整刀盘的推力与扭转参数以及添加渣土改良剂改良土质，项目部使用的S-425和S-426两台盾构机能很好的在软硬不匀的复合地层作业。

1.3.4 适应曲线段施工

众所周知曲线段施工开挖最小半径都比盾构机机身要宽，因此需要在盾构机的刀盘上配置一把超挖刀，这种刀可以通过盾构机调整姿态或者曲线转弯时进行局部超挖，从而实现在曲线段的有效施工。在南京地铁一号线南延线TA05标项目部施工 “南～岔盾构区间”时区间走势为“S”形转弯半径小。项目部使用的S-425和S-426两台盾构机刀盘上的超挖刀就发挥了较高的作用。

2 刀具的类型

2.1 有关刀具的介绍

刀具可以分为刮削刀具与滚动刀具两类，如图1、2所示。滚动刀具具有破岩力，并且具有自转能力而且也可以随着刀盘的转动而转动，按刀刃的形状可以分为：齿形滚刀、盘形滚刀等。刮削刀具也具有破岩力，但是它只能随着刀盘的转动而转动，而没有自身自转，只能在滚刀切削后进行岩土破碎，且在硬岩掘进时容易刀刃崩裂、镶齿脱落。

2.2 分析滚刀的结构组成

滚刀结构主要由以下构件组成：刀圈、刀体、轴承、金属浮动、刀盖等等，而最重要的是滚刀的内部结构，包括轴承、密封、润滑油脂等组成。

2.3 滚刀刀圈的材料要求

由于刀圈的工作环境要求，其刀圈必须具备以下性能：第一，刀刃不得被高应力压溃变形；第二，为减少刀圈磨损，则需要增加其硬度以提高耐磨性；第三，具备良好的冲击韧性，以防止被断裂；第四，具有耐高温性能；第五，同时具备热加工、冷加工工艺性能。

3 刀具的失效形式

3.1 刮刀的失效

刮刀失效有以下几种状况：正常磨损、刮刀刀刃崩裂、刮刀刀体断裂、刮刀掉齿等。

3.2 滚刀的失效形式

滚刀失效形式最重要的是刀圈被磨损，另外滚刀的失效与轴承、密封、刀圈断裂有着很大的关系，而刀圈断裂与轴承损坏都会影响滚刀的正常使用，因此，要注意保护滚刀以延长其寿命。

4 盾构机刀具的维护

刀具维修包括刀具维修项目的判定、刀具清理、刀具拆解、刀具部件更换、刀具组装等，这些都需要对其进行维护。

4.1 刀具维修项目的判定

通过观察刀具的具体情况而判定需要维修的项目。

4.2 刀具部件的更换

为保证刀具的维修质量，需要严格进行对刀具每个部件的维修。

4.3 刀具的装配

由于进行刀具对热装件装配的时候要严格控制加热温度，同时对紧固件进行严格控制紧固力矩。另外一方面，选用刀圈既要满足实际工程需要，又要满足其性能需求，此外值得一提的是在焊挡圈的时候一定避开刀圈。endprint

5 盾构机刀具的管理

5.1 刀具管理的重要性

由于刀具对于盾构机而言有着极其重要的位置，因此，对刀具管理进行制度完善的管理计划与方案能够有效的保障工程进度，同时还可以对施工成本进行控制，另外，刀具管理的完善还能保证施工安全。

5.2 刀具管理流程

刀具管理流畅之间相互紧密联系，是一套完整的管理体系，包括对地质分析、管理计划的制定、换刀作业、维修刀具、掘进作业中的刀具管理等，如图3所示。

5.3 在掘进过程中对刀具的管理

在盾构机掘进作业的时候进行刀具管理，而刀具管理是盾构机施工中的一项重要工作内容。

5.3.1 推动控制

第一，保证油缸推力在一定范围内，不宜过大也不宜过小；第二，刀盘的转速需要进行控制，转速不宜过大；第三，盾构机掘进速度进行控制，不易过快，否则会造成刀具损坏。

5.3.2 碴土改良

进行碴土改良不仅可以保障盾构机的施工安全，而且能够顺利、快速完成施工项目，是盾构施工中不可或缺的重要技术。这种技术是通过在刀盘面、土舱等注入泡沫，然后搅拌使得添加剂与土碴混合，从而解决碴土黏度过大问题，以实现盾构机施工效果。另外一方面改良碴土工程的主要措施有在螺旋机输送机中注入泡沫、在刀盘面、土舱内注入泡沫以减少泥饼的形成或者排碴量。

5.3.3 防泥饼措施

盾构机作业的时候，刀盘以及刀盘中心容易产生泥饼，为解决这个问题需要采取以下措施：第一，进行盾构施工地质、泥土加强预测；第二，为减少碴土粘附性在刀盘前部注入泡沫，从而降低泥饼的形成率；第三，及时处理形成的泥饼；第四，采用土舱顶部加气的方法土压平衡模式掘进来防止泥饼的形成；第五，通过改良碴土技术来防止泥饼形成。

5.3.4 刀具磨损的统计分析

对刀具磨损进行统计分析，从而为后期盾构施工带来科学的指导意义。

5.3.5 刀具检查和换刀作业

在盾构机进行施工作业的时候，要定期检查刀具，将磨损厉害的刀具进行更换。另外换刀作业是高危险性的操作技术，因此需要严格按照换刀作业程序来执行，从而保证盾构机换刀作业顺利的进行。

6 结语

本文对盾构机的刀具工作的特点以及布局进行简单阐述，而着重论述了盾构机刀具的维护与管理，并提出几点维护刀具的相关有效措施。另外将盾构机刀具类型以及刀具的失效形式进行简单介绍，从而让更多的人来了解盾构机刀具的性能以及特点，以上内容都是为了延长刀具的使用寿命，从而降低盾构机施工的成本，更重要的是为了给后期盾构施工作业提供指导作用。

参考文献

[1] 蒋建敏，赵学彬，贺定勇，等.北京地区盾构机刀具失效分析及再制造研究[J].中国表面工程，2006（3）.

[2] 蒋建敏，贺定勇，赵学彬，等.盾构机刀具制造用耐磨耐冲击堆焊药芯焊丝的研究[J].焊接，2008（3）.

[3] 李德洋，吴钦刚，刘汝东，等.北京地铁9号线3标盾构机刀具的破坏形式及刀具的改造[C]//2011中国盾构技术学术研讨会论文集.2011.

[4] 张国京.土压平衡盾构掘进施工技术管理[C]//北京市政第一届地铁与地下工程施工技术学术研讨会论文集.2005.

[5] 郭陕云.论我国隧道和地下工程技术的研究和发展[C]//中国土木工程学会第十一届、隧道及地下工程分会第十三届年会论文集.2004.

[6] 郑仔弟，周政，耿富林，等.土压平衡盾构机辐条式刀盘刀具失效分析及应对措施[C]//2009中国城市地下空间开发高峰论坛论文集.2009.

[7] 吴钦刚，汪健，郑林有，等.无水砂卵石地层土压平衡盾构掘进参数管理[C]//2011中国盾构技术学术研讨会论文集.2011.endprint

5 盾构机刀具的管理

5.1 刀具管理的重要性

由于刀具对于盾构机而言有着极其重要的位置，因此，对刀具管理进行制度完善的管理计划与方案能够有效的保障工程进度，同时还可以对施工成本进行控制，另外，刀具管理的完善还能保证施工安全。

5.2 刀具管理流程

刀具管理流畅之间相互紧密联系，是一套完整的管理体系，包括对地质分析、管理计划的制定、换刀作业、维修刀具、掘进作业中的刀具管理等，如图3所示。

5.3 在掘进过程中对刀具的管理

在盾构机掘进作业的时候进行刀具管理，而刀具管理是盾构机施工中的一项重要工作内容。

5.3.1 推动控制

第一，保证油缸推力在一定范围内，不宜过大也不宜过小；第二，刀盘的转速需要进行控制，转速不宜过大；第三，盾构机掘进速度进行控制，不易过快，否则会造成刀具损坏。

5.3.2 碴土改良

进行碴土改良不仅可以保障盾构机的施工安全，而且能够顺利、快速完成施工项目，是盾构施工中不可或缺的重要技术。这种技术是通过在刀盘面、土舱等注入泡沫，然后搅拌使得添加剂与土碴混合，从而解决碴土黏度过大问题，以实现盾构机施工效果。另外一方面改良碴土工程的主要措施有在螺旋机输送机中注入泡沫、在刀盘面、土舱内注入泡沫以减少泥饼的形成或者排碴量。

5.3.3 防泥饼措施

盾构机作业的时候，刀盘以及刀盘中心容易产生泥饼，为解决这个问题需要采取以下措施：第一，进行盾构施工地质、泥土加强预测；第二，为减少碴土粘附性在刀盘前部注入泡沫，从而降低泥饼的形成率；第三，及时处理形成的泥饼；第四，采用土舱顶部加气的方法土压平衡模式掘进来防止泥饼的形成；第五，通过改良碴土技术来防止泥饼形成。

5.3.4 刀具磨损的统计分析

对刀具磨损进行统计分析，从而为后期盾构施工带来科学的指导意义。

5.3.5 刀具检查和换刀作业

在盾构机进行施工作业的时候，要定期检查刀具，将磨损厉害的刀具进行更换。另外换刀作业是高危险性的操作技术，因此需要严格按照换刀作业程序来执行，从而保证盾构机换刀作业顺利的进行。

6 结语

本文对盾构机的刀具工作的特点以及布局进行简单阐述，而着重论述了盾构机刀具的维护与管理，并提出几点维护刀具的相关有效措施。另外将盾构机刀具类型以及刀具的失效形式进行简单介绍，从而让更多的人来了解盾构机刀具的性能以及特点，以上内容都是为了延长刀具的使用寿命，从而降低盾构机施工的成本，更重要的是为了给后期盾构施工作业提供指导作用。

参考文献

[1] 蒋建敏，赵学彬，贺定勇，等.北京地区盾构机刀具失效分析及再制造研究[J].中国表面工程，2006（3）.

[2] 蒋建敏，贺定勇，赵学彬，等.盾构机刀具制造用耐磨耐冲击堆焊药芯焊丝的研究[J].焊接，2008（3）.

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[4] 张国京.土压平衡盾构掘进施工技术管理[C]//北京市政第一届地铁与地下工程施工技术学术研讨会论文集.2005.

[5] 郭陕云.论我国隧道和地下工程技术的研究和发展[C]//中国土木工程学会第十一届、隧道及地下工程分会第十三届年会论文集.2004.

[6] 郑仔弟，周政，耿富林，等.土压平衡盾构机辐条式刀盘刀具失效分析及应对措施[C]//2009中国城市地下空间开发高峰论坛论文集.2009.

[7] 吴钦刚，汪健，郑林有，等.无水砂卵石地层土压平衡盾构掘进参数管理[C]//2011中国盾构技术学术研讨会论文集.2011.endprint

5 盾构机刀具的管理

5.1 刀具管理的重要性

由于刀具对于盾构机而言有着极其重要的位置，因此，对刀具管理进行制度完善的管理计划与方案能够有效的保障工程进度，同时还可以对施工成本进行控制，另外，刀具管理的完善还能保证施工安全。

5.2 刀具管理流程

刀具管理流畅之间相互紧密联系，是一套完整的管理体系，包括对地质分析、管理计划的制定、换刀作业、维修刀具、掘进作业中的刀具管理等，如图3所示。

5.3 在掘进过程中对刀具的管理

在盾构机掘进作业的时候进行刀具管理，而刀具管理是盾构机施工中的一项重要工作内容。

5.3.1 推动控制

第一，保证油缸推力在一定范围内，不宜过大也不宜过小；第二，刀盘的转速需要进行控制，转速不宜过大；第三，盾构机掘进速度进行控制，不易过快，否则会造成刀具损坏。

5.3.2 碴土改良

进行碴土改良不仅可以保障盾构机的施工安全，而且能够顺利、快速完成施工项目，是盾构施工中不可或缺的重要技术。这种技术是通过在刀盘面、土舱等注入泡沫，然后搅拌使得添加剂与土碴混合，从而解决碴土黏度过大问题，以实现盾构机施工效果。另外一方面改良碴土工程的主要措施有在螺旋机输送机中注入泡沫、在刀盘面、土舱内注入泡沫以减少泥饼的形成或者排碴量。

5.3.3 防泥饼措施

盾构机作业的时候，刀盘以及刀盘中心容易产生泥饼，为解决这个问题需要采取以下措施：第一，进行盾构施工地质、泥土加强预测；第二，为减少碴土粘附性在刀盘前部注入泡沫，从而降低泥饼的形成率；第三，及时处理形成的泥饼；第四，采用土舱顶部加气的方法土压平衡模式掘进来防止泥饼的形成；第五，通过改良碴土技术来防止泥饼形成。

5.3.4 刀具磨损的统计分析

对刀具磨损进行统计分析，从而为后期盾构施工带来科学的指导意义。

5.3.5 刀具检查和换刀作业

在盾构机进行施工作业的时候，要定期检查刀具，将磨损厉害的刀具进行更换。另外换刀作业是高危险性的操作技术，因此需要严格按照换刀作业程序来执行，从而保证盾构机换刀作业顺利的进行。

6 结语

本文对盾构机的刀具工作的特点以及布局进行简单阐述，而着重论述了盾构机刀具的维护与管理，并提出几点维护刀具的相关有效措施。另外将盾构机刀具类型以及刀具的失效形式进行简单介绍，从而让更多的人来了解盾构机刀具的性能以及特点，以上内容都是为了延长刀具的使用寿命，从而降低盾构机施工的成本，更重要的是为了给后期盾构施工作业提供指导作用。

参考文献

[1] 蒋建敏，赵学彬，贺定勇，等.北京地区盾构机刀具失效分析及再制造研究[J].中国表面工程，2006（3）.

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[3] 李德洋，吴钦刚，刘汝东，等.北京地铁9号线3标盾构机刀具的破坏形式及刀具的改造[C]//2011中国盾构技术学术研讨会论文集.2011.

[4] 张国京.土压平衡盾构掘进施工技术管理[C]//北京市政第一届地铁与地下工程施工技术学术研讨会论文集.2005.

[5] 郭陕云.论我国隧道和地下工程技术的研究和发展[C]//中国土木工程学会第十一届、隧道及地下工程分会第十三届年会论文集.2004.

[6] 郑仔弟，周政，耿富林，等.土压平衡盾构机辐条式刀盘刀具失效分析及应对措施[C]//2009中国城市地下空间开发高峰论坛论文集.2009.

[7] 吴钦刚，汪健，郑林有，等.无水砂卵石地层土压平衡盾构掘进参数管理[C]//2011中国盾构技术学术研讨会论文集.2011.endprint