重庆地区泥岩条件下TBM滚刀偏磨研究

(重庆交通大学 土木建筑学院， 重庆 400074）

0 前言

重庆地区地铁建设近年来多处采取全断面硬岩掘进机( TBM )进行施工，相对于传统钻爆法，TBM具有更加快速、安全、对周围环境影响较小等优势。TBM通过刀盘旋转和推进油缸顶推作用，带动刀具对岩土进行切削和挤压，破碎岩土，完成掘进过程。

本文依托于重庆地铁环线凤鸣山—上桥区间隧道TBM项目，拟建区内地层主要有第四系全新统人工填土层和侏罗系中统沙溪庙组泥岩、砂岩组成。在TBM掘进过程中滚刀非正常磨损严重，且较大部分表现为偏磨，施工中频繁换刀，严重影响了施工成本和进度。刀具的是否完好关系到整个隧道掘进效率，刀具非正常磨损一直是TBM掘进施工过程中的难点之一。

由于本项目地质主要为泥岩、砂岩组成，在掘进过程中刀盘内极易出现结泥饼，导致滚刀被泥饼糊住，出现偏磨。本文对该TBM区间滚刀的偏磨情况进行调查分析，深入研究了滚刀偏磨的主要原因，并总结提出减少刀具偏磨损坏的措施，为刀具磨损提供解决依据与对策。

1 TBM破岩机理

TBM在掘进过程中，由于推进油缸的顶推作用，使滚刀紧贴掌子面，当刀盘旋转时带动滚刀，掌子面岩石被碾出许多同心圆，当岩石受力超过极限时，同心圆间岩石裂缝贯通，岩片被剥落，最后由皮带机运出，从而达到破岩掘进的过程。其破岩过程主要分为：挤压阶段、起裂阶段、破碎阶段。

2 刀具损坏形式

对于全断面硬岩掘进机( TBM )刀具的磨损形式有正常磨损和非正常磨损。正常磨损是指TBM在掘进过程中，刀具由于磨损到所规定的尺寸而被更换。非正常磨损是指TBM在掘进过程中，刀具由于非正常的损坏，如：刀圈偏磨、刀圈断裂、刀圈卷刃、轴承密封损坏等其他原因被更换掉。

2.1 正常磨损

正常磨损是指滚刀刀圈磨损均匀，滚刀刀圈的圆周部位的磨损程度大概是均匀一致的，这种磨损形式为在TBM掘进过程中比较常见。对于正常磨损的滚刀，经过更换刀圈修理后，可以从新安装使用。

2.2 非正常磨损

（1）刀圈偏磨。在 TBM掘进过程中常出现，往往滚刀刀圈被磨损成一条或几条弦。

（2）刀圈断裂。由于掘进参数设置不对，使滚刀刀圈因为局部受力过载，从而使刀圈应力集中，发生断裂。

（3）刀圈卷刃。对于坚硬的围岩段，由于岩石的抗压强度较大，从而引起刀圈出现卷刃现象。

（4）刀圈崩刃。在岩石较硬的情况下容易出现刀圈崩刃，因为刀圈和掌子面围岩之间产生较大的接触力，从而使得刀圈出现崩刃现象。

（5）轴承密封损坏。在掘进过程中，滚刀轴承由于局部受到较大的力，从而损坏；或者轴承运行时间超过设计的使用寿命，从而引起疲劳损坏；滚刀刀具的密封产生损坏，使得铁屑或渣石进入滚刀刀具的内部，从而引起轴承过度的磨损产生损坏。

3 滚刀偏磨的主要原因

刀圈偏磨主要表现为滚刀刀圈周边各部位的磨耗程度不一致，故又称为不均匀磨损。在掘进过程中，盾构操作手没有控制好掘进的各种参数，且由于重庆地区富含泥岩，当泥岩经挤压破碎变为碎屑和粉末状，同时遇到适量的水后极易结成泥饼，造成滚刀被泥土包裹不能转动，使刀圈呈现单边受力磨损的状态，从而使滚刀产生偏磨。

3.1 施工操作原因

（1）循环水压力不足，刀盘冷却水的喷射出口被刀盘内渣土堵塞，导致渣土得不到改良，流塑性变差，从而易结泥饼，糊住滚刀，导致滚刀出现偏磨。

（2）外循环水温度过高，易引起渣土的快速干结，且由于刀盘在与岩体摩擦使刀盘内温度升高， 加速了渣土干结，导致刀盘结泥饼，使滚刀偏磨。

（3）在施工中未进行渣土改良或改良不好，导致渣土流塑性较差，导致结泥饼。

（4）未定时开仓清理刀盘堆积泥饼。

3.2 地质原因

由于该区间隧道所属地层主要为砂质泥岩和部分砂岩，为沉积岩层，岩层富含黏土矿物颗粒，经过TBM掘进机刀具和刀盘的挤压破碎，导致泥岩变为碎屑和粉末状，当遇到适量的水后极易结成泥饼，导致滚刀偏磨。

3.3 滚刀轴承和密封原因

当滚刀出现轴承损坏、轴承进泥沙、轴承不转、滚柱破碎、轴承圈损坏、密封橡胶圈变形或失去弹性、密封环变形、润滑油失效等，极易导致滚刀停止转动，出现偏磨。

4 防止滚刀偏磨的措施

4.1 泥岩渣土改良

对于重庆地区砂质泥岩地层，由于掘进开挖出来的渣土中黏性矿物含量较高，刀盘内极易结泥饼，对于该地层进行特别的渣土改良，以降低土体间的黏聚力、减少刀盘中开挖土体压实结密的可能性、减少掘削土体与刀盘的黏着力，提高渣土的软流塑状。

4.2 选择合理的掘进参数

掘进时合理的掘进参数能较大限度的提高刀具的使用寿命，TBM 滚刀都有其特定的荷载承受力和启动扭矩，超过其荷载承受力会对刀具造成冲击损伤，造成其失效。在硬岩进行掘进时，需采用高转速、低贯入度，避免因推力过大将刀具损伤。对掘进参数和刀具磨损情况进行监控、对比分析、总结，得出合适的掘进参数。

4.3 控制循环水温度

控制循环水温度不要太高，如在循环水箱加冰，增加循环水冷却塔等，保证刀盘冷却水在合适温度。

4.4 保持刀盘冷却水喷口通畅

控制循环水压力，避免出现刀盘冷却水喷出口没有堵塞，在掘进时开启刀盘冷却水，增加渣土流塑性，使开挖渣土能及时运出。

4.5 定时清理刀盘

对于在掘进过程中刀盘结泥饼较严重区间段，建议在拼装管片的时间段退出皮带机，工人对刀盘内泥饼进行清理，如用高压水枪冲洗或用锹清除，并检查滚刀是否被泥饼糊死。

4.6 定期检查刀具磨损情况

除了在掘进过程中对刀盘的清理，应组织人员定期对刀具进行检查及更换，加强对刀具的监控跟踪。

在掘进过程中可以随时观察渣样及渣温，并进行记录总结，判断刀具的磨损状况，如发现异常应及时停机检查。

4.7 建立刀具管理台账

对刀具的使用状态进行记录，及时掌握、了解刀具使用状态，总结刀具磨损规律，最大限度的减少刀具使用成本，也为类似工程提供经验。

5 结语

本文介绍了岩石隧道掘进机破岩原理，并对TBM刀具的损坏形式进行了研究。由于重庆地区在全断面硬岩掘进机掘进过程中，开挖后泥岩容易在刀盘内形成泥饼，最终极易导致滚刀出现偏磨现象。故本文结合施工现场情况系统性的分析了滚刀偏磨原因，并提出防止刀具出现偏磨的具体措施，建议在掘进过程中定期对刀盘和刀具进行检查和清理，在施工中应重视刀具管理，这样可以有效降低刀具的非正常磨损，增加刀具的寿命，节约成本。

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