盾构机掘进中刀具损坏及维修措施探讨

夏常远

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

北京地铁施工的调查显示，盾构机的掘进量占据了总施工量的45%，可以看出盾构机掘进的工作量十分巨大，其出现的磨损情况也较为严重。对于磨损的刀具，施工人员要及时进行维修，使盾构机可以继续工作，保证施工进度，也帮助企业降低生产成本。

1 刀具损坏对盾构机掘进的影响

在我国目前的盾构机施工中，使用的刀具按照原理不同主要划分为两种，一种为滚刀类，另一种为削刀类。根据施工隧道中岩石性质、使用目的、结构形态的不同，还可以进一步的划分成超前刀、贝型刀等。滚刀可以作用在粒径超过400 mm 的地层中，而切削刀则主要用在粒径低于400 mm 的地层中。使用这些刀具时，刀具会因为地层中的石头、坚硬土层等因素出现磨损，刀具磨损程度越大，施工效率就会越低，当刀具完全损坏之后，盾构机就不能再进行正常作业。因此，工作人员应当明确刀具的使用方法，正确判断刀具的磨损程度，并选择正确的方式进行维修，确保盾构机的正常使用。

2 盾构机刀具的损坏类型

2.1 刮刀损坏

刮刀在使用过程中应当注意其前角与后角的倾斜程度，应处于5°～20°，具体情况需要随着地层的变化而调整，粘黏性强的土地中度数可以较高，砂卵石、泥沙等松软疏松的地形中度数则较小。如果施工人员没有注意这些细节，很容易导致刮刀出现损坏。刮刀损坏的具体表现形式有以下4 种。

（1）正常损坏。在盾构机逐渐前进过程中，油缸会为其提供巨大的动力，动力传递给盾构机，盾构机将动力作用在刀盘与刀具上，所以盾构机前进的速度越快，刮刀的磨损也就越严重。刮刀的磨损情况通常为由内而外、由点及面，刀盘内刀具的转速虽然保持一致，但是地形结构不同、刀具的应用位置也有所不同，在同样的作业时间之内，外部的刀具因为受力面积大、损坏程度较为严重，而刀具边缘以及刀尖部分工作量较小，其磨损程度也较小。

（2）刀刃崩裂。在一些充满硬质岩石的地层中，盾构机不断作业会直接影响刀刃，如果刀刃落在较硬的岩石上且岩石硬度超过了刀具的本身硬度，刀具会发生断裂甚至破碎。

（3）刀刃断裂。在盾构机掘进时，如果施工人员没有提前根据地质情况选择刀具，导致刀具的性能与材质无法满足施工要求，或刀具本身存在质量问题等，均会使刀具出现断裂。

（4）刀刃掉齿。刮刀的刀齿多为焊接，其与刀盘的连接质量如果不达标，当刮刀遇见较硬的地层时，刮刀焊接处会崩裂，导致刀具掉齿。

2.2 滚刀损坏

滚刀也是盾构机中经常使用的刀具，其在使用过程中出现损坏的概率较高。根据损坏位置、磨损原因的不同，可以分为以下4 种。

（1）刀圈磨损。盾构机中有时会出现单边磨损问题，其主要原因是刀圈部分出现了问题，如滚刀不再转动。盾构机多边磨损问题也与滚刀有关，如滚刀刀圈结构不稳固以及转动不稳定等。

（2）刀圈断裂。刀圈在运行过程中，随着盾构机动力的增加，其受到的冲击力也不断增加，导致刀具的刀刃开裂，如果盾构机没有及时停止作业，刀体会在冲击力的作用下从刀圈上脱落下来。另外，如果施工人员没有事先进行地质分析、盲目选择了错误规格的刀圈，也会导致刀圈断裂。

（3）轴承以及密封装置的损坏。在盾构机中，轴承作为刀具体系的主要构成部分，可以在作业过程中为其提供保护，使其在安全的环境下工作。根据调查研究表明，我国滚刀的平均使用时间为700 h，而使用了轴承保护的刀具则可以达到900 h。如果施工人员一味地追求工作效率，使轴承长时间处于超负荷状态，就会导致轴承的提前毁坏。

（4）密封问题。刀具有时会出现漏油情况，有时泥沙会顺着缝隙进入轴承内部，导致刀具破坏，这是因为刀具与刀盖部分的密封出现了问题。出现这种问题的原因较多，如刀具部件质量不达标、装配质量不达标、岩石冲击等。

3 刀具维修技术

3.1 刀具选择

刀具是盾构机工作的保证，其质量与性能的高低会直接影响盾构机的工作能力，所以，在刀具的选择方面，工作人员要格外慎重，施工人员需要根据施工环境、地形、岩层、深度的不同选择正确的刀具。如：当盾构机要使用大型刀盘进行土地切削时，应当选择鱼尾刀进行作业，并且鱼尾刀应当比其他刀具的位置超出600 mm，保证其可以最先进行工作。此外，在使用刀具之前，工作人员还要仔细审核刀具的型号、性能、使用时间、尺寸等，检测其质量是否达标、满足施工要求。

3.2 刀具检查

进行刀具维修之前，施工人员应首先明确刀具是否存在问题，因此，应当使用刀具检查技术进行检测，主要包含刀盘检查与刀具检查两方面。一方面，工作人员要先检查刀盘的磨损程度，观察刀具的轴承与密封处是否可以继续工作，避免刀盘的面板、支柱以及辐条出现裂缝、缺口、变形等问题。另外一方面，施工人员要检验刀具，查看其是否结实耐用、在刀盘上是否稳定，发现刀具不稳固的情况时要检查螺丝是否出现松动、脱落以及损坏情况，如果损坏要及时维修，当无法维修时可以直接更换[1]。还要对刀具的挡圈进行检查，发现挡圈脱落时维修人员要立刻维修，使其回到原本的位置上，挡圈被折断时要及时更换，保证设备的继续运行。

3.3 刀具更换

掘进过程中刀具会发生损坏，这时工作人员可以更换刀具部件。刀具的替换需要按照“合理、迅速、科学、安全”的原则。

（1）刀盘转角的确定。维修人员更换刀具时，要先确认刀盘转角的具体位置，不能让刀盘的开口处正对土压仓口，保护工作人员的安全。工作人员可以在刀盘的附近设置参照物，以此确定刀盘位置，也可以使用专业的传感器进行定位，减少人为判断的误差。

（2）刀盘清理。当外界的碎石、灰尘、泥沙进入刀盘之后，刀盘的工作效率降低，此时，维修人员需要对刀盘进行清理。刀盘的刀位区域应当在低氧与有氧的环境下进行清理，保证刀盘的整洁。

（3）刀具拆除。修理刀盘时，应当拆除已经损坏的刀具。在刀盘清理结束之后，维修人员应运用风动扳手拆除刀具的螺栓，拆除损坏刀具之后再将其送到碴仓之外，而刀具的螺丝帽则可以用割枪进行清除。螺栓帽出现问题时，工作人员需要降低割枪的氧气同时减少乙炔流量，避免温度过高毁坏刀座的螺栓部分。

（4）刀具安装。工作人员在用新刀具替换已损坏的刀具时，要保证新道具的清洁干净，刀具上不能有水珠，避免潮湿导致刀具生锈。使用割除法时可能会造成刀具损坏，此时维修人员应当对损坏部分进行打磨，修复其破损部分。

3.4 刀圈安装

刀圈属于钢制品，由一些较为罕见的材料制成，其硬度、吸收力、耐磨能力等功能较为优良，其中蕴含的铁、镍、钥等元素都可以提升刀圈的质量。因此，维修人员应当根据刀刃的大小来选择合适的刀圈。刀圈的安装一般为热装，维修人员会先将刀圈加热，加热工具为工业烤箱，其程式组的容量为300 Pattern/300 Step，运行时间需要达到100 h。工作人员将其与电脑连接，记录温度曲线，当刀圈的温度加热到2000 ℃后要持续加热2 h，加热结束之后再将其安装在刀体上面[2]。

3.5 检查轴承与调整预紧度

在掘进时盾构机施工环境的不同会导致轴承受到不同方向的冲击力，当轴承出现问题则说明刀具的密封性已经有所损坏，维修人员应当适当调节轴承的松紧度。为了减少轴承问题，维修人员应当应用圆锥滚子轴承。圆锥滚子轴承的代号为30000，其中多密封双列轴承以及四列轴承使用效果极佳。改变传统的全密封轴承技术，使用密封+防尘的新型密封技术，也会提高轴承部分的密封效果。同时，这种多密封的双列轴承以及四列轴承质量更高，比普通轴承的使用周期要高出30%～40%，同时减少80%的润滑剂消耗，减少企业施工成本。

3.6 密封安装与气密性检查

刀具应当进行密封安装，在安装时要注意刀具的平面度需要符合施工标准。同时，应当注意密封处的干净整洁，避免其气密性降低。工作人员要做好研磨工作，刀具维修结束之后，维修人员还应当对其进行质量检测。也可以使用气密性检测技术将空气进行压缩，并将其注射到刀具的内部，随后观察刀具情况，如果在一定时间内刀具内的气压仍然稳定，则说明其维修完成，刀具可以再次应用于盾构机的掘进作业[3]。

4 结论

综上所述，在盾构机施工中刀具会出现磨损，此时需要维修人员进行修理。在较硬的地质结构中工作时，刀具会出现磨损加速情况，影响盾构机的施工。因此需要使用科学合理的刀具维修技术，保证刀具可以正常用于施工中，以此提升盾构机的施工效率，减少企业施工成本。