盾构机在长距离高磨蚀性岩层中刀具磨损的数据分析

刘美晨

（中铁九局集团有限公司，辽宁 沈阳 110051）

滚刀是盾构机破岩掘进的常规配置刀具，盾构机在高强度高磨耗的地层中长距离掘进中，滚刀磨损失效较为频发，频繁的停机换刀对工程进度和设备、人员安全影响都很大。本文通过某项目高磨耗地层中滚刀的磨损失效形式进行数据统计分析，旨在总结出一般规律，为相应同类施工提供参考。

1 盾构机滚刀磨损失效的几种情形

盾构机滚刀的失效损坏情况主要有以下几种：

表1 非正常磨损统计

图2 非正常失效类型占比

（1）正常线性磨损。这种磨损形式表现为滚刀刀圈各处磨损量基本相同，刀具磨损后圆度未发生大的改变，磨损超过一定极限即判定滚刀失效，需要进行更换，这种磨损在滚刀磨损统计数据中占比最高。

（2）非线性磨损。这种磨损形式表现为滚刀刀圈圆周各处磨损程度不同，施工现场通称偏磨。

（3）结构失效破损。这种损坏形式表现为盾构滚刀刀圈变形、脱落、崩裂、碎裂，滚刀轴承碎裂、卡死，刀座断裂脱落等破坏形式。

2 本项目盾构机滚刀失效的几种主要形式

2.1 线性磨损失效

有相当比例的刀具是均匀磨损达到限值正常更换的，刀圈作为损耗部件替换即可，其他部件仍然可以继续使用。

2.2 非正常破损失效

本工程中遇到的刀具非正常失效主要有滚刀刀圈的偏（弦）磨、刀刃磨尖、刀圈断裂，同时，也遇到了刀圈脱出、螺丝断丝、三角块脱落等情况。

3 刀具磨损统计分析

3.1 正常磨损

将各次换刀中正常磨损数据统计汇总，并绘制如下图进行统计。

并绘制成条形统计图，如图1。

图1 整个区间滚刀正常磨损累积值

根据滚刀刀号统计出的刀具磨损量，由图1可见。刀具磨损分布主要呈以下特点及规律：

（1）中心区(1#～12#)滚刀累积平均磨损量为36.75mm，靠近中心区域的双联滚刀磨损情况更加严重，有3把双联滚刀的单刀圈累积磨损量超过了50mm，1#～3#双联滚刀磨损最严重，达到了64mm。

（2）正面区(13#～35#)滚刀累积平均磨损量为39.83mm，同中心区域相比有所增加，该区域磨损最为严重。滚刀磨损量较为不规律，或因排渣、出渣轨迹不畅所致，35#滚刀累积磨损量最高，达到了77mm，从磨损峰值上看，磨损量随中心距增加略有增加。

（3）边缘区（49#～58B#）滚刀累积平均磨损量为39.42mm，较中心区域平均磨损量略有增加，36#～45#滚刀累积磨损量随中心距的增加呈增加的趋势。受边缘刀具安装存在一定偏转角度变化影响，45#～47#滚刀磨损量随滚刀编号增大有一定减小趋势。

3.2 非正常磨损

将各区域非正常磨损发生情况进行统计，如表1所示。

从表1、图2可见，非正常磨损在所有换刀中占比达到了52.51%，占比很大，其中偏磨占比最大，为27.03%，其次，占比较大的非正常失效类型为刀圈破损、崩齿、刀刃磨尖及刀圈脱落，占比分别为8.88%、8.49%、6.95%。三个区域中，正面区刀具非正常磨损率达到了27.03%。

4 经验总结

（1）本项目滚刀非线性磨损比例偏大，除了地层磨蚀性较高引起外，需要考虑刀盘布置或刀具材料、耐磨层等参数是否需要进一步改良。

（2）弦偏磨情况在本项目中的非线性磨损中所占比例较高，滚刀偏磨后，会导致停转，引起刀盘扭矩增大，影响渣土流动，含黏土地层容易烧结成块，降低盾构掘进施工效率，影响工程进度。

单边弦向偏磨发生的原因主要是滚刀在安装后，进行掘进的同时受到风化粉砂岩的摩擦阻止其自转的正常进行，从而一直保持某侧切割岩层，导致切割侧出现弦偏磨。多边弦偏磨则一般是多个单边弦偏磨的累加，基本是在每次单边弦偏磨之后，因外界偶发因素为刀具施加扭矩，而同时掌子面又有回转空间，转动至另一角度后又停止，如是循环，形成了刀圈多边弦向磨损。

（3）可考虑采用固态轴承润滑油，带齿滚刀刀圈等改善方法降低滚刀自身转动所需扭矩，从而降低偏磨发生率。

（4）刀圈掉落现象比较频繁，须改进装配工艺，现场可考虑适当增加挡圈焊点补救。

（5）针对刀圈断裂、崩齿情况，应适当改善刀圈材料韧性，提高其冲击强度。