盾构滚刀刀圈在中硬岩地层中的针对性措施分析

刘 君，孙盼盼

(中交第一航务工程局有限公司，天津 300457)

盾构滚刀在中硬岩地层中掘进时，由于岩石强度较高、掌子面对滚刀的冲击较大且频繁，在该类地层中，刀圈的断裂、崩刃和快速磨损在滚刀常见损坏形式中所占比例是最高的，滚刀更换频次的增加会严重影响施工效率，从而增加施工成本。对此，采取必要措施增强刀圈的耐磨和抗冲击能力，从一定程度上减少滚刀的更换数量和频次就显得尤为重要。

本文主要从刀圈轮廓尺寸的选择和刀圈刃形的优化两方面措施进行分析，可有效提高在中硬岩地层中刀圈的耐磨性能和抗冲击性能，增强刀圈的可持续切削能力，从而达到延长刀圈使用寿命的目的。

1 滚刀常见损坏形式

滚刀在中硬岩地层中施工时，其损坏形式多种多样，常见的损坏形式主要有以下几种：刀圈正常磨损、刀圈崩刃或断裂、滚刀密封失效和轴承损坏等。如图1～图4 所示。滚刀不同的损坏形式，其对应造成的原因也是不同的，大部分的损坏形式都是发生在刀圈上或由刀圈的磨损和断裂导致的。对于盾构施工来说，滚刀损坏后如不能及时发现，会很快在刀盘上形成多米诺骨牌效应，造成相邻区域刀具的连续性损坏，严重的话可能会造成刀盘的磨损。

图1 刀圈磨损严重

图2 刀圈断裂

图3 密封失效

图4 轴承损坏

2 刀圈针对性措施分析

在盾构施工过程中，如何在提高刀圈耐磨性的同时，增强其抗冲击能力，一直是一个矛盾的且必须解决的问题。从目前可采取的措施来看，改进刀圈材料和热处理工艺已有院校或项目施工方做了大量的研究，本文以17 英寸滚刀为例，着重从刀圈尺寸和刃形选择等方面进行分析。

2.1 采用更大的刀圈尺寸

为了减少上述损坏情况的发生，增加刀圈的掘进寿命，在保证滚刀在刀箱内顺利安装的前提下采用18 寸滚刀刀圈，其优点主要有以下两点。

1)刀圈磨损储量更大 对于17 英寸滚刀来说，刀圈的极限磨损量为25mm，但一般情况下，考虑到施工的连续性和换刀成本控制等不同层面的要求，当检查其磨损量至20mm 时就必须要更换。但当刀圈尺寸增大为18 寸后，其理论磨损量可增大为32.7mm，并且在贯入度相同的情况下，刀圈接触掌子面的弧长更长，同时刀圈的磨损储量可提高1.85 倍，极大地提高了刀圈的耐磨性能，如图5、图6 所示。

图5 刀圈径向磨损量对比

图6 刀圈接触掌子面弧长对比

2）刀圈的抗冲击能力更强 由于滚刀在中硬岩地层中可能会受到频繁的冲击，刀圈断裂的风险会更高，采用18 寸刀圈后，其截面积是17 英寸刀圈的1.14 倍，抗冲击能力会更强，能有效减少或避免刀圈断裂、崩刃等异常情况的发生。

2.2 选择合适的刀圈刃形

由接触力学理论可知，接触面的几何形状对接触行为存在决定性影响，因此刃形设计是提高滚刀性能的重要手段之一[1]。滚刀破岩的理想状态是相邻刀圈贯入掌子面后形成的裂纹是连通的，掌子面上的岩渣是形成体积破碎后而被剥落，这样不仅可以提高掘进效率，还可以避免或减少滚刀的异常损坏。从滚刀破岩机理（图7)可以看出，当刀盘结构形式确定之后，就确定了滚刀的刀间距S，当滚刀轮廓尺寸确定之后，就确定了圆锥滚子轴承的尺寸，进而决定了滚刀的承载力Ft，所以在滚刀轮廓尺寸确定后，要想达到体积破碎的目的，选择合适的刀圈刃形是设计的关键所在。

图7 滚刀破岩机理

等截面形式的刀圈随刀具的磨损能基本保持其恒定的截面尺寸，所以现在一般都采用这种截面形式的刀圈破碎岩石[2]。对于这种刀圈来说，刃口宽度T和夹角α决定了刀圈的持续贯入能力，刃口圆角r可有效避免刀圈刃口两侧在破岩过程中由于应力过大而出现微裂纹。

刀圈刃形如图8 所示。

图8 刀圈刃形

刀圈在施工过程中的理想应用状态是在磨损量0～20mm 的范围内，要一直保有持续贯入的能力，即持续性切削，同时要保证滚刀破碎掌子面岩石所需的压力小于滚刀的额定承载。为此，我们在确定刀圈刃形的选择是否完全适应于隧道洞身所经地层时，只要计算出在贯入度一定的情况下，刀圈磨损量达到20mm，刃口宽度达到T（20)时，滚刀能够继续破碎岩石所需的合力，以该合力和17 英寸滚刀额定承载力250kN 对比，若计算所得刀圈磨损后破岩所需的合力＜250kN，则说明设计的刀圈刃形适应于地层掘进，能够达到持续性切削的目的。若计算所得刀圈磨损后破岩所需的合力＞250kN，则说明设计的刀圈刃形不适应于地层掘进，需要进一步优化，优化措施主要在于减小刀圈刃口宽度尺寸T和刃口夹角α。

关于刀圈磨损后能继续破岩所需的合力，我们可通过张厚美[3]简化后的CSM 切削力模型进行验证。

式中Ft——滚刀所受合力（kN)；

R——滚刀半径（mm)；

T——滚刀刀尖宽度（mm)；

ψ——刀尖压力分布系数，随刀尖宽度增加而减小，ψ=-0.2～0.2；

h——贯入度（mm)；

σt——岩石单轴抗拉强度；

σc——岩石单轴抗压强度；

S——刀间距；

C——无量纲系数。

3 结论

滚刀刀圈作为直接破碎岩石的零部件，其使用寿命直接决定了盾构机的掘进效率和施工成本。文中提出的针对性措施可有效提高在中硬岩地层中刀圈的耐磨性能和抗冲击性能，增强刀圈的可持续切削能力。但刀圈可采取的措施除了文中提到的几点外，还有优化刀圈的热处理工艺和选用不同的金属材料等，后续将着重于在刀盘不同区域内滚刀刀圈损坏规律的研究，从实际应用方面对滚刀刀圈可采取的措施进行分析，以期从综合方面提高刀圈的性能。