小直径长距离泥水盾构滚刀失效分析以及改进措施

杜双江

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，南京 211899）

0 引言

当前盾构技术因其施工的安全性、高效性而作为城市地下空间建设以及隧道的主要施工方法。盘形滚刀作为盾构开挖过程中剥裂岩石、砂石和泥土且对掌子面进行支护的关键部件，与岩石直接接触会受到强烈的冲击和振动，造成滚刀不同原因的失效。而滚刀失效的换刀过程会降低盾构施工效率，增加施工成本。分析滚刀失效的具体原因以及采取相对理想的预防措施，能够从很大程度上避免滚刀失效，提高盾构掘进效率。针对盾构刀具的失效分析，目前学者进行了相应的研究：曹钧等[1]针对某具体的滚刀分析其在硬岩破岩过程中密封失效的主要原因，并对滚刀的密封结构进行了改进；葸振东等[2]针对重庆盾构项目定性分析了刀具磨损与刀具自身因素、地质因素、掘进参数等方面的关系；霍军周等[3]针对盘形滚刀的失效形式设计了新型滑动支承的滚刀，并且建立了新型滚刀轴—侧向动力学理论模型，研究表明其减震效果明显；彭继华等[4-5]分析了涂层滚刀以及TBM刀座的失效原因，并且提出了相应的改进措施，其效果明显；邱金水等[6-9]针对金属材料与非金属材料在不同工况下的失效形式以及裂纹萌生进行了详细分析；Li等[10]利用化学成分、显微组织等方法对D406A钢的抗拉强度不合格原因进行了分析，研究表明脱碳是导致确认试样抗拉强度不合格的主要原因，整改后有效防止退火脱碳；CHEN等[11]根据设备应力分布特性角度提出应力腐蚀失效易发部位，并综合设备的检验结果进行比较，进而提出结构优化的建议。本文以某输气管道越江工程的盾构滚刀为载体，分析在泥水盾构中盘形滚刀的具体失效原因，并研究其相应的改进措施。

1 盘形滚刀破岩载荷分析

盘形滚刀是盾构施工过程中主要的破岩刀具，滚刀的失效破坏主要是与岩石砂石接触而发生相互作用导致的。盘形滚刀主要由刀体、刀圈、轴承、密封件等部件构成，基本结构如图1所示。

图1 盘形滚刀结构装配示意图

盘形滚刀切削破岩过程中，破岩力上下波动变化，同时伴有大量岩渣产生的现象。滚刀破岩过程大致如下：滚刀侵入岩石时，岩石中的微裂纹由于滚刀的接触作用被压实闭合，同时破岩力持续变大。当滚刀刀刃进一步侵入所引起的应力超过岩石自身强度，岩石就会产生破坏失效。滚刀正下方的岩石最先发生失效，然后被挤压形成密实核，被压实的密实核将能量传递到附近区域产生新的裂纹，侧向裂纹延伸到临空面或与其他裂纹交汇造成岩块剥落，此时滚刀受力会突然下跌，这就是滚刀切削破岩的一个周期。滚刀破岩过程中的切削力变化曲线如图2所示。

图2 滚刀破岩过程中切削力变化曲线

图3 滚刀受到的切削作用力

盘形滚刀切削破岩过程中，刀刃与岩石接触之间存在3个方向的作用力，分别是垂直力FN、侧向力FS与滚动力FR，如图3所示。其中，垂直力FN是由刀盘的推力提供，指向掌子面；滚动力FR是由刀盘扭矩提供，指向滚刀切向；侧向力FS是由滚刀对岩石的不平衡挤压力与刀盘旋转形成的离心力共同产生，指向刀盘中心。

2 盘形滚刀失效分析

图4 某输气管道越江工程滚刀失效形式

某输气管道越江工程采用直径为3.5 m的盾构机，工程总长度3.48 km。盾构掘进5个月期间，掘进1 613.5 m。穿越粉质黏土与粉砂互层、粉细砂、全风化泥质砂质板岩、强风化泥质砂质板岩、中风化泥质砂质板岩、微风化泥质砂质板岩等地层。在该工程的盾构刀盘上安装8把中心双联滚刀，7把双刃滚刀，4把单刃滚刀。在9次换刀过程中，双刃滚刀S15更换6次、S14更换2次、S13更换1次；单刃滚刀S17、S18均更换2次，S16、S19均更换1次；中心滚刀S1S3、S5S7、S6S8均更换1次。在实际盾构施工过程中，刀盘转速在1.6～1.8 r/min，刀盘总推力6 000～8 800 kN，贯入度维持在10～15 mm。刀具损耗以边缘双刃滚刀S15最为严重。根据现场施工数据统计，滚刀主要以轴承散架为主，刀轴断裂、变细，还存在合金齿磨损严重、刀圈偏磨、刀圈弦磨、刀圈断裂、端盖磨损等情况。该项目滚刀失效形式如图4所示。

2.1 轴承散架原因分析

根据现场掘进参数可得，刀盘总推力达到6 000～8 000 kN，刀盘上有19把滚刀，包括双刃与单刃滚刀，总刃数26刃，因此每刃受载215～230 kN。该刀盘滚刀使用的轴承为铁木肯某轴承；该轴承的9 000万转动态径向载荷为128 000 kN。对于双刃滚刀受力为430～460 kN，轴承承载能力严重不足。

由于盘形滚刀端盖的严重磨损以及刀盘推力过大的原因，导致滚刀密封失效，碎石泥碴进入刀体，加速了保持架与轴承内圈和外圈的摩擦，可能会导致保持架和轴承散架以及刀轴的异常磨损。

在滚刀装配过程中，过盈量或过盈力不够，使得装配后的滚刀在受到较大推力后，出现振动冲击作用，刀体内部零件松散，导致轴承散架。滚刀装配扭矩即保证滚刀刀圈转动的最小扭矩。装配扭矩过大，会造成滚刀无法正常转动而造成偏磨；装配扭矩过小，滚刀轴承密封质量难以保证，易导致滚刀轴承密封损坏。

2.2 滚刀刀圈失效分析

（1）刀圈正常磨损是由于岩石的磨蚀作用，刀圈在刃口宽度范围内沿圆周产生较为均匀的磨损，且磨损到规定的极限。刀圈正常磨损是刀圈失效的主要形式，一般正常磨损情况占换刀总量的80%以上。这种磨损一般发生在地质相对单一、均匀地层中，且掘进机性能良好，掘进参数合理的情况下。

（2）刀圈偏磨和弦磨。刀圈偏磨为破岩过程刀刃两侧载荷不均，刀圈变形使刀圈刀刃一侧工作压力远大于另一侧，主要发生在相邻刀高差较大或边缘滚刀部位。弦磨是刀圈不能转动造成刀圈与岩石作用磨出一个或多个斜边，这种情况如果不能及时发现，会进一步磨损到刀体，主要原因有滚刀启动扭矩过大、轴承损坏卡死或坠落异物卡死刀圈。

（3）刀圈发生断裂往往由于过载造成，一旦刀圈断裂将失去破岩能力，甚至发生刀圈脱落。其原因为刀圈承受极大的瞬时冲击载荷所致，主要有3种情况：①在初始掘进时，刀圈初始推力过大，刀圈硬度较高且脆性较大，发生过载或掘进地层完整性差，破碎带较多，刀圈不断切削硬岩和软岩冲击载荷过大；②刀圈应力较大或不均，有应力集中区域，刀圈生产装配过程过盈量较大，或焊接挡圈时有烧损刀圈表面，承受突变载荷时刀圈炸裂；③刀圈运输时碰撞或破岩过程切削到极硬异物，造成刀圈破坏断裂。

2.3 滚刀刀圈微观分析

（1）刀圈流线形态

流线方向对塑性指标性能影响很大，垂直流线方向拉伸时更容易断裂，顺着流线方向则相反。流线方向和分布对疲劳性能影响很大，流线露头的地方是疲劳断裂时最初裂纹最易出现的地方。刀圈流线的分布对刀圈失效的影响很大，如图5所示。流线影响刀圈的磨损、崩刃和脆断等失效形式。致密的流线和较好的流线形态可以提高刀圈受力性能和疲劳寿命。

图5 刀圈沿流线形态剥落失效

（2）刀圈断口SEM图

一次碳化物是未固溶的C元素与合金元素结合，在凝固时形成的稳定碳化物。如若一次碳化物锻造时不能完全锻碎，工件热处理时具有遗传性，大块碳化物不能完全消除，对冲击性能影响很大，需在刀圈成形过程加大锻造比进行细化和成形后球化退火消除。不良形态的一次碳化物在承受突变大载荷时容易形成脱落、脆断和裂纹延伸等问题，是造成刀圈磨损过快、脆断、崩刃等失效的主要原因之一。刀圈崩刃断口SEM如图6所示。

图6 刀圈崩刃断口SEM扫描结果

3 改进措施

针对某输气管道越江工程的盘形滚刀失效原因，对刀具及现场施工参数建议如下。

（1）检测未损坏中心刀刀架是否异常磨损，若出现异常磨损，可对刀架原普通耐磨层进行改进；另外，推进过程中减少积渣情况，防止刀架二次磨损。

（2）对正面双刃滚刀轴承进行市场寻货，看是否有承载更好的轴承以应对此地层下的正常使用。

（3）建议现场施工可降低推力，每刃承载不超过10 t（双刃滚刀不超过20 t），同时可增大刀盘转速（1.8～2.4 r/min）。

经过再掘进500 m后开仓发现，滚刀的损坏情况已有减缓，轴承散架未出现，主要以滚刀正常磨损为主。

4 结束语

本文以某输气管道越江工程的泥水盾构中盘形滚刀的工程失效原因进行具体分析，并提出相应的改进措施。基于本文的分析情况，可以得到以下结论。

（1）根据滚刀破岩载荷的分析，可得到滚刀所受到滚动力、垂直力、侧向力作用。

（2）得到该工程轴承散架的原因主要是轴承承载能力以及端盖密封性能不够，导致泥碴进入刀体，加速轴承与刀轴摩擦和轴承散架；另外还有滚刀刀圈失效的原因。

（3）针对该工程的失效情况，提出相应措施，并且经过500 m再次掘进后，发现失效情况很大程度上已经减缓并趋于正常的磨损失效。