盧慶（qìng）亮，袁乃強

（濟南重工集團有限公司）

摘　要：隨著國內軌道交通建設的不斷推進，盾構施工技術的應用越來越廣泛。滾刀作為盾構施工的關鍵零（líng）部件（jiàn），其工作（zuò）效率和失效形式與施工地質條件有直接關係，並對施工進度和安全性具有重要的影響。以某地鐵工程盾構掘（jué）進施工為例,分析該區間段複雜的地質條件,根據實際情況分析盾構機在掘進過程中滾刀的失效形式和失效原因,並（bìng）對刀圈的硬度和材質選擇進行簡要討論。結果表明（míng），在該地段（duàn）施工過程中滾（gǔn）刀的失效形式主要為刀圈偏（piān）磨、刀圈（quān）卷（juàn）刃、刀圈斷（duàn）裂、刀圈崩刃、刀圈脫（tuō）落（luò）、刀軸斷裂等。

關鍵詞：盾構機；滾刀（dāo）；地質條件；失效類型；材質

0　引言

隨著我（wǒ）國（guó）經濟的迅猛發展和城鎮化進（jìn）程的加速推進，我國城市體量急劇增大，城市公共交通壓力巨大，城市居民出行舒適度降低[1-4]。近年來，為（wéi）了緩解城市巨大的交通壓力，建立城際立體化交通（tōng）網，具有運行速（sù）度快、客流量大、噪音汙染少、消耗能量（liàng）低等優勢的地下快速軌道交（jiāo）通建設受到諸多城市的青睞（lài）[5-8]。盾構掘進機大大提高了（le）軌道交通的施工效率和施工質量並降低了建設成本，因此逐漸成為軌（guǐ）道交通建設的主流設備。盾構機刀盤作（zuò）為切割地層向前推進的關鍵零部件,一般配（pèi）置切（qiē）刀(齒刀、刮刀)、先行刀(超前刀)、貝型（xíng）刀、中心（xīn）刀(魚尾刀、雙刃（rèn）或三刃滾刀)、超挖刀、滾刀等。其中，滾刀刀圈主（zhǔ）要作用是破岩，一般分為齒形和盤形兩類[9]。本研究（jiū）分析盾構機在濟南某地段施工中出現的滾刀失效規律，以便在刀具選擇和提高刀具使用壽命方麵提供依據。

1　工程概況

1.1 工程概述

該區間長997 m，共投入2台盾構機同時施工。盾構隧道為（wéi）標準單洞單線圓（yuán）形斷麵，線間距11.90～17.8m，左、右線覆土厚度9.6～17.4 m，最（zuì）大坡度7.8‰，最小坡度4‰，最小曲線半徑R=399.932 m。

共計穿（chuān）越18處建、構築物及1處河道。隧道地層地質複雜，地下水豐富（fù），需（xū）穿（chuān）越上軟下硬、孤石群、全斷麵硬岩、裂隙及空洞地層，岩石為風化閃長岩或輝長岩，單軸抗壓強度最高達264 MPa，地質條件和周邊環境條件的複雜性國內罕見（jiàn）；盾構施工時易出現噴湧（yǒng）、刀（dāo）具及刀箱異（yì）常損壞等情況，掘進功效低、安全風險高。

1.2 工程（chéng）地質

該區間地質地層複雜（zá），短距離地層變化快，同一斷麵地（dì）層分布複雜，常出（chū）現大粒徑孤石（shí）、空洞、強風化閃長岩及（jí）中風化（huà）閃長岩地層同時存在的情況（kuàng），對（duì）刀具（jù）損傷嚴重，需要（yào）頻繁進行開倉換刀作業，極大降低了掘進工效。

2　刀具失效及原因分析

2.1盾構機掘進參數配置

風化程度不均孤石群地層：總（zǒng）推力12000～15000kN；扭矩2000～2500kN·M，掘進速度8～10mm/min，貫入度2～3mm/r，轉速1.0～1.6r/min；全斷麵硬岩（yán）、局部裂隙（xì）地（dì）層：總推力12000～13000 kN；扭矩（jǔ）1400～1 600kN·M，掘進速度2～3mm/min，貫入度5～6mm/r，轉速1.8～2.0r/min；孤石群、空洞地（dì）層：總推力7000～10000 KN；扭矩≤1500kN·M，掘（jué）進（jìn）速度5～10 mm/min，貫入度8～10mm/r，轉速0.5～0.7r/min。

2.2滾（gǔn）刀（dāo）失（shī）效分析

該區間具有不良地質作用，特殊性岩土(風化岩)，地層變化頻繁、無規律的特點，硬岩岩石強度平均達到143 MPa，個別點最高達到（dào）264 MPa。因此，該區間掘進過程中刀具損壞嚴重，開倉換刀頻繁，左（zuǒ）線開累掘（jué）進707環，右線開累掘進649環，期間共計開倉換（huàn）刀261次，共計更換刀具（jù）1528把。刀具異常損壞形式主要有：刀圈偏磨、刀圈卷刃、刀圈斷裂、刀圈（quān）崩刃、刀圈脫落、刀（dāo）軸斷裂等，如圖1所（suǒ）示。

圖1 刀圈失效形式

掘進過程中刀圈（quān）的一條弦或幾條弦出（chū）現長時間磨損（sǔn）時就會造（zào）成刀圈的偏磨，如圖1（a)所示。刀圈在（zài）掘進過（guò）程中出現偏磨的（de）原因主要是刀具軸承損壞不能（néng）靈活轉動而造成的。根據對該區間段更（gèng）換刀具的統計結（jié）果看(見表1)，出現刀具偏磨的共409把，占26.8%，其（qí）中軸承損（sǔn）壞的共376把。造（zào）成軸承損壞的（de）原因主（zhǔ）要有以（yǐ）下幾點：(1)軸承過載或刀盤冷卻係統（tǒng）不良導致在掘進過程中軸承（chéng）過（guò）熱抱死；(2)刀具密封損（sǔn）壞漏油，造成軸承潤滑不良[10-14]；(3)裝配存在質量缺陷（xiàn）。其次，滾刀啟動扭（niǔ）矩過大也容易造成（chéng）滾刀時轉時不轉，使刀圈發生偏磨。刀圈偏磨而未及（jí）時發現是非（fēi）常危險的，一把刀由於偏磨而失效會造成相鄰兩把刀過載（zǎi）而失效（xiào），從而迅速向外擴展，直 至整個刀盤全部損壞。

表（biǎo）1 更換刀具統計結果

刀圈卷刃（rèn）是指刀圈在掘（jué）進過程中出現的刀圈邊（biān）緣卷邊現象，如圖1(b)所示。刀（dāo）圈出現卷刃的原因主要是在掘進過程中巨大的推力使刀圈與岩石之間（jiān）摩擦生熱，相當於擋圈（quān）回（huí）火導致其熱穩定性下降，硬度降（jiàng）低，出現（xiàn）高應力下的壓潰變形。其（qí）次（cì）擋圈在生產過程中熱處理不充分，刀圈根（gēn）部（bù）硬（yìng）度大（dà）邊緣硬度低也（yě）是造成刀圈（quān）卷邊的原因。根據對該區間段更換刀具的統計結果看(見表1)，出現刀圈局部崩裂共（gòng）146把,占9.6%；不均勻地層（céng）或地層（céng）突然變硬會（huì）導致（zhì）刀具在掘進過程中局部過載從而產生疲勞裂紋，疲（pí）勞裂紋快（kuài）速擴（kuò）展造成刀圈徑向斷裂[15-17],如圖1(c)所示。其次（cì）刀圈和（hé）刀體配合過盈量（liàng）未達到要求也會造成刀圈的斷裂（liè）。根據對該區間段更換刀具的統計結果看(見表（biǎo）1),出現刀圈（quān）斷裂共251把,占16.4%。

由於該區間的地（dì）質（zhì）情況複雜，岩石硬度大，在巨大的（de）衝（chōng）擊載荷下，刀刃處於高壓應（yīng）力狀態，刀刃與孤（gū）石在（zài）接觸不（bú）良處承（chéng）受較高的剪切（qiē）力，處於拉應力狀態下，當拉應力超過刀圈合金的（de）強度極限時，即產生裂紋從而引起刀（dāo）刃崩裂[18],如圖1(d)所示。根據對該區間段更換刀具的統（tǒng）計結果看（kàn）(見表1)，出現刀圈局部崩裂共364把,占23.8%。

刀圈在滾切岩石過（guò）程中（zhōng），由於（yú）刀圈受力較大，刀圈表麵掉落整塊的碎（suì）片，而（ér）整個刀圈沒有斷裂稱為刀圈脫（tuō）落。如圖1(e)(f)所（suǒ）示。刀圈（quān）的脫（tuō）落是由於在（zài）掘進施工過程中破碎岩石的力量（liàng）較大，特別是在破碎孤石（shí）群時，震動較（jiào）大引起刀（dāo）具連接螺栓（shuān）鬆脫、斷裂或是擋圈沿軸線方向平行位移，一旦擋圈斷裂或脫落就會造成刀圈（quān）的整體脫落[10]。根據對該（gāi）區間段（duàn）更（gèng）換刀具（jù）的統計結果（guǒ）看(見表1)，出現刀圈局部崩（bēng）裂共90把,占5.9%。

滾刀的失（shī）效形式具有多樣化綜合性的特點，一（yī）把滾刀（dāo）可能存在多種（zhǒng）損壞形式疊加的情況（kuàng），刀圈的失效原因也呈現出多樣性和綜合性（xìng）的特點，複雜的地質（zhì）條件和掘進參數的合（hé）理性、滾刀刀圈、輪轂、軸和軸承密封等（děng）部件的質量、刀盤的強度、剛度和開口率等都與滾刀的失效密切相關。

3　刀（dāo）圈性（xìng）能測試和分析

3.1 刀圈取樣

對以上6把具有典型失效形式的滾刀分（fèn）別製備硬度、成（chéng）分（fèn）試樣進行進一步分析，取樣參（cān）照圖2所示。首先，將刀圈兩頭各銑去30 mm左右，去除熱影響區；第二步，切刀圈10 mm厚，如圖2A處所示作為硬度試樣，保證試樣上（shàng）下平麵平行且Ra不低於12.5。第三（sān）步，從圖2B區域取成分試（shì）樣。

圖2 取樣示意圖

3.2 刀圈化學成分和（hé）硬度分析

通過對刀圈（quān）工況條件和刀圈失效形式及原（yuán）因的分析，可以判斷：刀（dāo）圈材（cái）料應具備高屈（qū）服強度，從而避免在高工作應力下出現刀圈崩刃；同（tóng）時，刀圈材料也（yě）應該具備高硬度和耐磨性，以此防止刀圈出現過度（dù）磨損；此外，刀圈材料還應具（jù）備出色的衝擊韌性，有效地防止刀圈斷裂。

對6個刀圈進行光譜（pǔ）分析，結果（guǒ）如表2所示，可以得（dé）出：6個刀圈所用材料全部為（wéi）中、高碳（tàn）鋼，高（gāo）碳含量能保證刀圈具（jù）有較好的強度和硬度（dù）；此外，6個刀圈材質中均含有較高的Mn Cr、Mo、Ni、Si、v等合金元素，其中Mn元素主要提高刀圈材料的淬透性和強度；較高的Cr含量可以提高刀圈的強度和硬度，提高其高溫機械（xiè）性能；Si元素的（de）加入能（néng）夠提高刀圈材料的（de）彈性極（jí）限和屈服極（jí）限，保證刀圈具有良（liáng）好的韌性；Mo元素能夠提高刀圈的耐磨性和強度（dù）；V元素則可以細化刀圈的內部組（zǔ）織和晶粒。6個刀圈硬度試驗結果如表2所示，所有試樣（yàng）硬度均大於500 HBW，其中6號刀圈硬度（dù）超過651 HBW。

表2 刀圈試樣化學成分表

3.3 滾刀的材質要求

根據該地段盾構機施工（gōng）過程中滾刀出現的失效形式分析和對失效（xiào）滾刀力學性能測試結果可以（yǐ）看出，滾刀刀圈應該具（jù）備優異（yì）的性（xìng）能要求，特別是刀圈的硬度、屈（qū）服強（qiáng）度和（hé）衝擊韌性，這就要求刀圈製造過程中材料的選擇應具備以下條件：(1)高硬度，增強刀圈（quān）的耐磨性，減少刀圈在惡（è）劣地質條件下的磨損；(2)良好的衝擊韌性，避免裂紋的產生和迅速擴展，防止刀圈斷裂；(3)高屈服強度，提高（gāo）刀圈的（de）抗應力應變能力，減少由於應力（lì）過（guò）高（gāo）導致的變形和（hé）崩裂；(4)良好的熱穩定性（xìng），特別是抗回火性能，使刀（dāo）圈在熱裝和長時間摩擦生熱過程中（zhōng）具備穩定的性（xìng）能[19]材料的加工性能（néng）也是（shì）非常關鍵的，有利於提高產品合格率和成本控（kòng）製。

4　結語

滾（gǔn）刀（dāo）作為盾構機施（shī）工中重要的零部件，滾刀失效對施（shī）工效率和安全性（xìng）具有很大的負麵影響，頻繁的刀具更換降低（dī）了施工效率，提高了建設成本。從該地段施工過程中刀具更換情況來看，滾刀的失效形式主要包（bāo）括刀圈偏磨、刀圈卷刃、刀圈斷裂、刀圈崩刃、刀圈脫落、刀軸斷裂（liè）等，其中因為刀具偏磨而換刀最為嚴重，主要是因為掘進過（guò）程中滾刀軸承損壞導（dǎo）致（zhì）；刀圈（quān）崩刃和刀圈（quān）斷裂也是滾刀失效的重要因素，這與該地段 地質條件複雜、岩（yán）石硬度大有（yǒu）著密不可分的（de）關係。從分析結果來（lái）看，同一個（gè）失效的（de）刀圈往往（wǎng）存在（zài）多種失效形式，也是受到多種綜合因素而（ér）導致的失效。

從刀圈的（de）材質分析來看，取樣的（de）6個刀圈所用材料（liào）全部為中、高碳鋼，高碳含量能保證刀圈具有較好的強度和硬度，同時刀圈中添加了含量較高的（de）Mn、Cr、Mo、Ni、Si、V等合金元素保證了刀圈（quān）具有出色的硬度、強度、抗衝擊韌性和（hé）熱穩定性。

本文摘編自《隧道現地下工程災害防治》2020年（nián）6月，第2卷第2期，參考（kǎo）文獻略。

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