【推荐】复合式刀盘刀具磨损的分析6.doc

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1、第一章 盾构机刀盘常见故障（损坏）及原因分析1第二章 复合地层中盾构机刀具磨损原因分析及更换案例10第三章 盾构刀具磨损15第四章 刀具使用维护及更换17第一章 盾构机刀盘常见故障（损坏）及原因分析摘要：总结了在盾构施工过程中刀盘常见的故障与损坏的方式，分析了其产生的原因，提出了相应的解决方法。关键字：盾构机 刀盘 原因分析刀盘工作原理与结构特点1.1 刀盘工作原理 土压平衡盾构通过液压马达驱动刀盘旋转来切削围岩，并通过给掌子面与土仓隔板之间充满的、经过搅拌的碴土加压（油缸推力）的方式来稳定掌子面。根据不同的工程，不同的地质条件，在刀盘上设置不同数量、不同类型的刀具来进行开挖，同时通过螺旋输送

2、机排土来保持土压在设计允许的范围内。1.2 结构特点我集团引进海瑞克盾构机（S179，S180）刀盘为轮辐式，直径6230mm，开挖直径6280mm，刀盘面板厚度550mm，从法兰盘底面到刀盘面板高1410mm，刀盘总重约55t。 为了保证刀盘的整体结构强度和刚度，刀盘结构为焊接箱形结构。 刀盘结构图1.2.1 开口形式刀盘开口形式为对称分布的八个长条孔，开口尽量靠近刀盘的中心位置，以利于中心部位碴土的流动。刀盘的开口率根据安装的刀具类型不同而有所变化，当全部安装硬岩刀具时开口率为28%，当安装齿刀时刀盘开口率可以达到30%。1.2.2 耐磨设计刀盘的周边布设三道耐磨条，刀盘面板焊接格栅状耐磨

3、材料，充分保证刀盘在硬岩掘进时的耐磨性能。1.2.3 刀具盾构机刀具是根据工程地段地质特点，和刀具在软、硬岩中不同的破岩机理来进行设计和选择的。刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层的开挖，主要刀具类型为：双刃滚刀、中心滚刀、齿刀、切刀、弧形刮刀和仿形刀。其中滚刀和齿刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型两种刀具可以互换。在硬岩中掘进时刀盘需安装双刃滚刀、中心刀，在软岩中掘进时可以根据需要把双刃滚刀、中心刀更换为对应形式的齿刀。具体刀具型式及设计特点见下表：刀具型式表双刃中心刀用于硬岩掘进，在软土中可以换装齿刀。 数量：6双刃滚刀用于硬岩掘进可换装齿刀。数量：13中心齿刀用于软土掘进数量：6

4、正齿刀用于软土掘进。数量：13切刀软土刀具。同时可用做硬岩掘进中的刮渣。 数量：64弧形刮刀软岩刀具，同时在硬岩掘进下可用作刮渣。 数量：32仿形刀用于局部扩大隧道断面数量：1常见故障（损坏）及原因分析2.1 立柱焊缝开裂 在S179与S180的使用过程中，连接刀盘与主轴承的立柱常出现焊缝开裂的情况，而且裂纹总是出现在同一部位-仿形刀所在的立柱。以S179在深圳地铁施工中曾出现的一次开裂为例，裂纹位于仿形刀处面板与立柱连接处，裂纹存在以下几个特点： 图一 图二 1裂纹长度较长，最长的一条长420mm；（图一） 2裂纹连续性较强，沿立柱焊缝基本呈环状分布；（图二） 图三 图四 3裂纹呈交叉分布，

5、分枝较多；（图三） 4裂缝宽度较大，最宽处约为45mm。（图四） 通过观察与分析，我们认为：因为防形刀的存在，所以此面板的结构强度较其他立柱的要薄弱许多，同时此处焊缝的交叉点较多，焊接产生的残余内应力较大，当盾构机在推进过程中使用的推力过大，刀盘扭矩过大时，此处焊缝极易开裂。 同时，我们发现，在刀盘制作时，在下图所示的竖向开裂部位（1）与另一条竖向焊缝（2）之间，厂家采用了16mm的钢板，而侧壁的其他钢板厚度为40mm，这就造成此处焊缝的强度最低，从而导致此处开裂宽度最大，长度最长，范围最广。212.2 泡沫孔堵塞 在刀盘面板上共设计布置8个泡沫口，其中4个在刀盘中心部位，4个在刀盘外围。泡沫

6、剂通过旋转接头，再经过安装在刀盘4根立柱内的泡沫管，进入掌子面。若泡沫难以加到掌子面，必然导致碴土改良的效果不好，由于刀盘在中心部位的开口率较小，在此部位更容易形成泥饼，不但严重影响掘进的效率，对中心部位刀具的保护也很不利。究其原因，主要有3点：（1）泡沫管在面板处的开口设计安装的单向阀结构不合理，致使泡沫孔在掘进过程中常常因为土仓压力过高而被堵塞，泡沫难以加到掌子面；（2）泡沫管设置在盾构机的4根立柱内，很难进行拆卸，并且如下图所示，泡沫管的走线从掌子面到旋转接头的泡沫出口呈多直角弯分布，管道输通机等机械式疏通机具难有用武之地； （3）若碴土进入管路较长，经过弯管较多，靠泡沫系统本身最高的1

7、5bar的压力很难疏通管路。刀盘泡沫管路图2.3 刀具磨损与损坏 刀具属于刀盘上更换频率最高的易损件，在掘进过程中，当刀具出现以下几种情况时，必须更换刀具：2.3.1 刀圈极限磨损17吋盘刀设计允许的刀圈最大磨损值为：25mm，由于滚刀突出面板的高度为：175mm，比弧形刮刀和切刀，以及齿刀突出面板的高度140mm高出35mm，在实际的使用过程中，为更有效地利用刀圈，我们常常取其最大磨损值为：30mm。3638号由于安装角度问题（60度），经过计算其值应为12.19mm，常常取其值为15mm。如右图所示： 在强度较高的硬岩地段，我们常选择遵从厂家提出的建议，取刀圈磨损极限值为20mm。这是因为

8、刀圈在制造时淬火的厚度只有20mm，即刀圈硬度较硬的部分只有20mm左右，当刀圈磨损值超过20mm后，其磨损的速度将加剧，刀体遭到破坏的可能性也随之增大。2.3.2 刀圈弦磨 如滚刀滚压破岩的示意图所示： 滚刀滚压破岩示意图1、断裂体 2、碎断体 3、密实承载体 轴力P使滚刀压入岩石，滚动力矩M使滚刀滚压岩石，两者的共同作用使岩石得到连续的破碎。但在使用过程中，滚刀常常出现因为无法正常转动而造成刀圈非正常的磨损，形成平点，即刀圈弦磨。分析其原因，主要有以下几点：地质较软且粘性较大，刀孔容易被堵塞，使掌子面极易形成泥饼从而导致刀具转动困难， 造成弦磨；刀具轴承损坏，刀具无法转动；刀具启动扭矩过大

9、，启动困难。2.3.3 刀圈断裂与刀体损坏双刃滚刀能承受最大的推力为25t，但刀圈承受侧向力的能力较弱，采用土压平衡模式掘进时，若土仓的土压值较高，刀具的贯入量较大，刀圈会受较大的侧向力而出现移位，甚至断裂的现象。更有可能出现当刀圈受到较大的侧向力时，由于刀体与刀圈的过盈量不够，导致刀圈在刀体上能轻松的滑动，直至将挡圈切断，甚至连挡圈凹槽也一起挤掉。挡圈凹槽位置 刀圈断裂 挡圈凹槽被挤掉2.3.4 漏油与轴承损坏 刀具轴承损坏会导致刀圈弦磨，甚至磨到刀体，使刀具无法再次使用。造成刀具轴承损坏有两个主要的原因：刀具润滑油的泄漏和刀具过载。润滑油泄漏主要与刀具密封的耐压、耐高温能力有关。根据硬岩掘

10、进机的经验（TBM），损坏的刀具中，有70都是因为刀具密封失效而遭到破坏的。庞万力刀具密封能承受的最高温度为80度，最高能承受的水压和气压能达到10bar，对盾构机施工来说，前者是在掘进过程中应主要考虑的一方面。在S179通过深圳地铁【福会】区间竖井回填段时，就出现由于土仓内温度太高（刀盘中心部位达到了100度），超过了刀具密封能承受的最高温度，因此造成部分刀具因润滑油泄漏而导致轴承损坏，致使刀圈弦磨，不得不更换新刀的情况。刀具过载主要由作用于刀盘的推力过大引起。双刃滚刀轴承能承受的最高静载荷压力为25t，在连续工作的状态下，这个值会降低到20t，若作用于刀具轴承的推力大于20t，甚至超过25

11、t，会导致刀具轴承被压溃，使刀具无法正常转动，导致刀具遭到更严重的破坏。2.4刀座与面板磨损 在正常掘进时，滚刀，弧形刮刀和切刀对刀座与刀盘面板有保护作用，避免他们直接与掌子面接触而产生磨损。当滚刀，弧形刮刀和切刀在硬岩段因损坏或严重磨损而无法起到屏障作用时，弧形刮刀刀座，切刀刀座，滚刀刀座和刀盘面板不可避免的与硬岩直接接触，因为他们的材质远不如滚刀刀圈的材质，耐磨性能低，所以往往在12环之间，就会造成严重的磨损或损坏。S179在深圳地铁【福会】区间施工时就碰到类似问题：从497环到498环掘了700mm共2.2m左右，因为从2728号刀位到3638号范围内的滚刀全部损坏，造成所有的刮刀刀座与

12、部分区域的刀盘面板被严重磨损，见下图。 单面刀座 双面刀座3解决方法3.1 现场处理3.1.1 立柱焊缝开裂 用气刨将含有裂纹的焊缝刨去，视裂纹在焊缝深处的发展情况和连接件的尺寸来决定需要开多大的坡口，采用什么样的焊接工艺。因为作用于刀盘的推力和扭矩主要由与立柱相接的2块厚度达40mm的侧板来承受，若此处有裂纹产生，必须保证此处的焊接质量，不能靠通过在两个焊接件之间加钢板来简化焊接工艺和节省焊接时间，必须用焊条（一般采用506）一点点地将缝填满。若裂纹的宽度较宽，可以采用将刀盘转到一个合适的位置，使操作人员采用平焊的方法就能进行焊接，在保证焊接质量的同时，能简化焊接的工艺，降低焊接难度，提高劳

13、动效率。3.1.2 泡沫孔堵塞 就如前面的分析，由于设计上的原因，泡沫孔疏通是一项比较难的工作。当地质条件较好时，可以将旋转接头拆除，从刀盘面板的泡沫管出口和旋转接头的泡沫管进口分别用高压水枪和管道输通机同时疏通，以我们实践的经验，成功的几率较大。但在掘进过程中，泡沫孔极易被再次堵塞，而且从掌子面疏通还受到地质条件的限制，因此，要从根本上解决问题，需要从设计上改进。当然，若主司机能够提高操作技巧，更好的掌握泡沫添加的时机和数量，在一定程度上也能有效地降低泡沫孔堵塞的几率。3.1.3 刀具磨损与损坏 刀具是盾构机掘进的最终执行元件， 刀具的好坏，磨损的严重程度直接影响掘进的效率，同时，较好的刀具

14、状况，对掘进过程中进行刀盘的保护十分有利，因此，凡是磨损达到极限值或已损坏的刀具需立即更换。在更换刀具时，我们遵循以下2个原则：相邻刀位的刀具磨损量相差不能太大（10mm）；高刀位的刀具尽量使用新刀，磨损不大的可以调换至低刀位继续使用。3.1.4 刀座与面板磨损 磨损刀座的现场处理方法视刀座磨损（损坏）的程度而定：对磨损不严重的刀座，采用焊接的方法进行修复；对磨损严重的，采用简单的焊接不能恢复原有尺寸的刀座，只能采用其它的维修方法。以刮刀刀座为例，其它的维修方法目前主要有两种：一种是将新刮刀直接焊接在磨损的刀座上；另一种是将旧刀座割除，在原位置上焊接新的刀座。两种方法各有千秋，但总的说来，第一

15、种方法只能作为应急手段，在剩余区段长度不是很长（以外国维修的经验，一般不超过20环）时，可以采用 ，若超过20环，应采用第二种方法。采用第二种方法进行维修时，有以下几个方面需要注意：地层的稳定性维修时，割除与焊接的工作量很大，需耗费大量的时间，在地层稳定性较弱的地层，为确保安全，需采用旋喷、压密注浆或者两者相结合的方式对地层进行加固，以使其在较长的一段时间内保持稳定；施工场地城市地铁施工，受很多条件的限制，尤其在施工场地方面。地表有高层建筑、立交桥与繁华的商业街，地下各种各样的管线纵横交错，如何安全、快速的进行地层加固，又不影响居民的正常生活秩序，需提前做好沿线地质水文情况的调查及相关场地与时

16、间的协调工作；配件供货周期刮刀刀座不属于易损件，库存量一般都很小，而且刮刀刀座损坏都是大面积的全部损坏，所需数量较大，且刀座供货、加工周期较长，需提前做好配件购买或加工的联系工作。3.2 技术改进技术改进包括施工技术改进和设备改进，两者相互促进又相互制约：施工技术改进能更好的改善设备工作环境，延长设备的使用寿命，设备改进给施工技术改进提高了一个更好的平台和发挥的空间；反之，很差的设备状况使施工技术改进有心无力，没有实际的意义，落后的施工技术又使先进的设备无用武之地。3.2.1 施工技术改进在盾构施工中，施工技术改进主要体现在以下几方面：如何提高地质预报的准确性；如何较准确的评价、分析各种地层对

17、刀具、刀盘的磨损和破坏程度；如何提高施工的灵活性，针对不同的地层，如何正确地选择掘进模式和掘进参数；如何提高盾构操作技巧，降低破坏设备和影响工程质量的人为因素。3.2.2 设备改进S179和S180刀盘主要存在三大问题：泡沫孔易堵塞；刀盘的受力情况无法监控，若总推力过大，刀盘可能过载；刀盘无法后退，硬岩地段换刀困难。通过与海瑞克公司的技术交流，在进行广州地铁三号线刀盘制造时，泡沫管路在设计上做了很大的改进。如下图所示：改进了安装在泡沫管路的刀盘面板出口处单向阀的结构，并将泡沫管路更改为外置可拆卸式。增加的单向阀能有效地防止泥碴进入泡沫管路，减少泡沫管发生堵塞的可能性；外置可拆卸式的设计使我们可

18、以在泡沫管发生堵塞时进仓进行拆卸疏通，经过在广州地铁三号线【大汉】区间近200环的实践证明（目前，未发生一次泡沫孔堵塞的情况），这种改进较好的解决了泡沫管堵塞的问题。 改进后的泡沫管路图关于刀盘推力监控与刀盘后退的问题，我们也做了探讨，如下图所示，增加刀盘调整机构可以解决这个问题。刀盘调整机构由三个带有压力传感器的油缸组成。通过三个不同位置的压力传感器反馈的不同的压力值，我们可以判断刀盘的承载情况；通过调节三个油缸的溢流压力，可以限定刀盘能够承受的最大推力，从而对刀盘起到保护作用。在硬岩地段换刀时，通过调整机构可以将刀盘回收200mm，给刀具更换提供了足够的空间，降低了换刀时工人的劳动强度，大

19、大提高了换刀的工作效率。调整油缸3.3 信息收集与整理刀盘调整机构示意图解决一个问题的方法很多，不同的人，选择的方法可能不同，及时收集、整理不同的处理问题的方法，分析、比较其优劣，进而总结出一种更有效的、操作性更强的、耗时耗材更少的方法，对整体技术水平的提高能起到有效的促进作用。同时，及时的总结与广泛的交流相结合，努力提高我们的工作质量，那么工程质量的提高就是水到渠成的事。4. 主要参考资料（1）日本铁道建设公团盾构隧道设计施工指针，1999年8月版；（2）广州地铁三号线【大石汉溪南】投标书；（3）海瑞克公司提供的盾构机技术资料。第二章 复合地层中盾构机刀具磨损原因分析及更换案例 摘要：本文通

20、过对复合地层中盾构机掘进时刀具磨损严重，造成被动停机的案例分析，查找出了刀具磨损的原因，叙述了刀具更换的方法，并总结了其中的经验教训，以便为同行业人员提供参考。关键词：盾构机 刀具磨损 原因分析 更换 1、工程概况及地质描述工程位于深圳地铁五号线，区间长度1278米,管片拼装852环。该标段位于深圳市宝安区，所在地区为海积平原、冲洪积平原，地形略有起伏，沿线地面建筑物较多（上有大规模住宅小区、酒店及立交桥），道路两侧存在密集的电力、电信、雨水、上水、污水、燃气、路灯等地下管线管道，地下管线管道的走向与道路平行，局部斜交。该区间主要穿越的是砾质黏性土和全风化花岗岩，局部进入中风化、微风化花岗岩（

21、基岩），而且花岗岩风化土中不均一存在花岗岩风化残留体（孤石）。另外，存在多处孤石和近80m硬岩突起，岩石强度在45.4MPa191.5 MPa之间，孤石大小各异，厚度在0.7m-1.8m之间，其中最大孤石尺寸为7.8m2.5m1.8m(长宽高)，基岩侵入隧道高度在0-4m之间。隧道顶部覆土厚度仅为10.9m23.6m。据上所述，该标段施工干扰因素多、地质复杂、技术难度大。2、不良地段的预处理措施为保证盾构机顺利掘进，对勘探出的两段不良地质段采取了预处理措施。对距始发点50-104环段的孤石及基岩，采用深孔爆破技术进行松动和破碎；对距始发点260-317环微风化花岗岩地段，采用地面开挖竖井进行矿

22、山法施工，而后盾构机空推通过。3、盾构机刀具配置选用的盾构机为海瑞克EPB6250型，具体刀具配置为：4把中心双刃滚刀、31把单刃滚刀、64把刮刀、16把边缘铲刀和1把超挖刀。其中，滚刀设计成17刀刃，安装高度为175mm，刀间距100mm，其特点是，滚刀在推力的作用下贯入岩石，在开挖面上呈同心圆滚动，岩石被挤压破碎，最终在刀盘推力作用下在切槽两边的岩石成片状破碎。刮刀采用了与单刃滚刀组合的布局方式，在刀盘的四个方向分两列布置，其高度为140mm，与滚刀高差为35mm，其宽度使得每把刀的切割滚迹在对开挖面先行挤压破碎后由刮刀进行切削，完成间距内的切削效果。另外，边缘铲刀用来校准盾构的开挖直径。

23、超挖刀用于盾构曲线施工时的超挖及盾构姿态的调整。该盾构机滚刀和刮刀、铲刀混合配置的组合方案设计，既能有效开挖各种淤泥、砂土、粘土，又能适应各种全、强、中、微风化岩等，应对复合地层非常合理，并且经过1600米的掘进实际验证，也是非常成功的。刀具布置如下图：4、前两次刀具更换情况该区段始发后按预定计划实施了两次换刀，计划在到达矿山法竖井时进行整体整修。第一次在距始发点48环位置，到达预先进行地面注浆加固区后，常压开仓更换单刃滚刀9把，检查其它刀具轻微磨损。更换的刀具磨损、损坏情况如下表：刀座号303233343536373839磨损量偏磨7.5MM10MM20MM12MM7.5MM20MM12.5

24、MM偏磨第二次在距始发点174环位置，到达预先进行地面注浆加固区后常压开仓出现渗水涌泥现象，采用带压方式拆掉18把，更换单刃滚刀换刀17把，但由于9#刀座变形未安装，检查发现多数齿刀脱落或磨损严重，甚至齿刀刀座被损坏，因在带压情况下，无法进行气割而未进行更换。更换的单刃刀具磨损、损坏情况如下表：刀座号91011122123242526磨损量刀座损坏刀圈断裂刀圈移位25MM挡圈掉15MM20MM20MM17MM刀座号282931343536373839磨损量刀圈损坏8MM22MM17MM11MM10MM6MM8MM8MM5、非正常停机的经过在距始发点251环，距第二次更换刀具地点115.32米的

25、位置，盾构机出现了非正常停机，此地点距矿山法隧道仅仅剩余9米。此地段地层主要为砾质黏性土，断续存在小块孤石，下部进入中风化花岗岩地段，但比较前两区段地质条件要好得多。在掘进到251环位置时，推力已达1600t以上（一般在1200t左右），扭矩3MN/m（一般在1.6MN/m以内），刀盘工作压力230bar（一般在120bar以内），掘进非常缓慢，速度仅有3-4 mm/min，并且掌子面将刀盘卡死，出现刀盘控制部分“跳闸”现象。将部分千斤顶松掉，反转刀盘仍然出现类似情况，并且在此环掘进过程中，主要参数变化异常，刀盘泄漏油温度持续达52度，出土温度43度，在人仓内用手触摸刀盘隔板温度至少在60度以

26、上，已经无法再进行掘进。据此现象初步分析判断刀具磨损严重，必须进行检查、实施换刀。但此时盾构机正处在住宅小区楼房下，形成了非常大的安全风险。6、非正常停机前的异常前兆盾构机在第二次换完刀掘进175至240环过程中，参数基本正常，推力在1200t左右，刀盘扭矩在1.2-1.6MNm左右，掘进速度很容易达到60mm/min以上，出土和油品温度未发现异常。当掘进到192环时，突然发现输出的碴土有一把双刃滚刀刀圈，且是完整的，仅局部有一点儿偏磨，同时可以确认某一把中心滚刀已经掉落在土仓内，但此时不具备检查更换刀具的条件，只能继续推进。在掘进240环后，掘进参数逐渐出现异常，刀盘泄漏油温度高，推力大、扭

27、矩大、掘进速度小的情况，甚至出现推力小于1200t时无速度的现象。240环至250环掘进参数如下表： 环号推力t掘进速度mm/min贯入度刀盘扭矩MNm刀盘工作压力bar刀盘泄漏油温度碴土温度土压240138828192.213742392.1241145735232.515344412.2242153619142.716444412.2243149117122.816847421.9244135519132.716546422.0245124417112.716147412.224613981072.917648422.12471428642.917548422.22481646752.51

28、5146432.22491605853.017849431.82501496642.615850442.0因此可以判断有刀具脱落，而且未脱落刀具磨损严重。7、刀具磨损原因分析7.1 复杂的地质条件是刀具磨损的主要原因。在进行清仓时发现，掌子面3-7点之间右下部分为微风化花岗岩（基岩），岩石强度大，用风镐破不动，采用风钻钻孔使用膨胀炸药进行爆破，才清理出拆装刀位置。该地段属于典型的上软下硬地层，最容易造成刀具磨损。7.2刀具配置变化产生了严重影响。第二次换刀时因9#滚刀未安装，在掘进192环时确认中心刀脱落，导致对应的刀间距增大，在破岩过程中，增加了邻近刀具的负荷，加速剩余刀具的磨损速度，并且使

29、得该部位的岩层成“凸”字形，产生侧向力，导致相邻刀圈受横向力而移位、脱落或断裂，甚至刀鼓偏磨，进而形成恶性循环，致使刀具快速损坏。因此，9#滚刀和一把中心刀的缺失，是造成刀盘快速磨损的关键因素。同样，第二次换刀时发现齿刀脱落数量较多，不能及时的刮掉相邻滚刀挤压破碎的岩块，也是造成刀具磨损的原因之一。7.3掘进参数的影响。从四把中心刀固定螺栓断裂的破坏形式分析，掘进时的推力偏大。一般情况下，复合地层中掘进时不宜盲目加大推力，并以此获得掘进速度，推力应控制在1200t以下为宜，刀盘工作压力控制在120bar以内为宜。7.4泡沫添加剂的使用效果不好也是造成刀具磨损的一个原因。在此段掘进过程中，4号泡

30、沫管堵死，仅依靠其它三根泡沫管注入泡沫，并且距停机的一段时间，出现泡沫泵内部磨损供给流量下降的现象，将泡沫百分比调到6%流量才能达到1200L/min，添加剂没有很好的发挥出润滑、降温保护刀具的作用。8、刀具的更换8.1进仓检查刀具带压进仓检查刀具情况如下表：刀座号91112131415161718磨损量没装偏磨7MM挡圈断裂偏磨严重偏磨磨损30 MM严重偏磨磨损严重、挡圈断裂刀座号192021222326272829磨损量磨损严重、挡圈断裂坏掉刀圈掉刀圈掉刀圈掉刀圈、刀体磨损严重掉刀圈、刀体磨损严重掉刀圈刀圈断裂、移位严重偏磨刀座号中心刀1-3中心刀2-4中心刀5-7中心刀6-8刮刀边缘铲刀

31、磨损量固定螺丝断裂刀体脱落掉入土仓固定螺丝断裂刀体脱落掉入土仓固定螺丝断裂4条，刀体磨损严重固定螺丝断裂刀体脱落掉入土仓脱落38把，刀座严重磨损脱落8把以下是部分磨损的刀具照片： 8.2确定加固换刀方案由于在建筑物下方，经过2次带压进仓检查后，发现掌子面出现涌水涌泥现象，存在较大的潜在危险，不具备带压换刀条件，必须对掌子面加固处理。最终确定的方案是，在土仓内3-9点以下用喷射机喷入细砂，之后在3-9点以上注入砂浆固结掌子面，并通过盾构机配置的6根超前注浆管进行双液注浆稳固掌子面上方土体，在浆液初凝掌子面具备稳定性后进行常压开仓换刀。8.3土仓清理及开仓换刀在确定掌子面具有稳定性后，打开仓门用风

32、镐、铁锹清理土仓，按照边清理边换刀、清理一把更换一把的原则进行作业。经过十六天辛苦的努力，完成了此次换刀作业。此次共计更换中心双刃滚刀3把，单刃滚刀17把，另外，计划在掘完9米后进入矿山法隧道竖井内再更换边缘铲刀和刮刀。8.4 在竖井内更换刀具维修刀盘在矿山法隧道竖井内更换完边缘铲刀、刮刀及刀座、5-7号中心刀，又对刀盘面板、搅拌棒修复及切口环进行耐磨条补焊。至此，经过前后二十九天的紧张抢修，在付出时间和资金巨大的代价后，才终于换刀完毕，恢复正常掘进。9、教训：在施工策划时就要预先考虑有条件时及时检查刀具的磨损情况，尽量在滚刀只磨损在刀圈的时间点就进行主动换刀，避免对滚刀刀毂及盾构刀盘造成破坏

33、，浪费更长的时间，造成更大的损失。结束语：此次盾构机停机换刀前后历时近一个月时间，刀具更换费用巨大，而且造成了停工及恶劣的影响，教训十分惨痛。在盾构施工中，地层条件不能完全通过地质勘探资料而准确预见，因此在刀具的配置及换刀点的选择方面应谨慎对待，应加强对地质情况的分析，必须坚持保守策略，在掘进参数发生变化后必须及时开仓或带压进仓检查，如果需要应立即更换刀具，避免出现非预期换刀情况的发生，有效减少施工风险的出现机率，大大降低项目成本支出。 作者：王永喜，男，1975年8月出生，1999年毕业于长沙交通学院机械设计专业，大学本科，任职于中铁七局三公司，高级工程师 联系电话：13189751035第

34、三章 盾构刀具磨损 根据北京地区地层中含有大量砂卵石的特点，对盾构刀具磨损进行了失效分析，发现其失效原因主要是冲击和高应力磨粒磨损。针对盾构机刀具的再制造，开发了一种堆焊药芯焊丝北京固本耐磨焊丝。再制造刀具的刃口堆焊层无裂纹，堆焊层硬度：HRC60-62无裂纹。再制造刀具的寿命高于进口刀具。 盾构刀具形式按照工程地质条件和施工控制要求，可分为面板式和辐条式。北京地区目前地铁隧道施工中应用的是辐条式1,2，见图 1。文中主要是针对盾构机周边刀失效及其修复再制造进行究。周边刀（见图 2）的刀体是德国产钢号为 St523 的钢材2，其性能相当于国产的低碳钢 Q235。刃口为堆焊层，堆焊层内钎焊有球齿

35、，球齿材料为硬质合金。1 盾构机刀具的失效分析 北京地铁五号线盾构试验段属于砂卵石地层，沙砾含量大，见图 3。地层中石英含量高达 45 %以上，石英沙是“很好”的磨料，使刀具磨损速度加快。如北京地铁五号线盾构试验段雍和宫站至张自忠站左线 1 510 m 为砂卵石及粘土混合地层，掘进过程中更换了 5 批刀具。盾构机刀盘直径为 6.2 m，转速为 03 r/min，通常为 1.5 r/min，刀盘最外边刀具切削线速度最大可达 1 m/s，平均为 0.5 m/s3。周边刀受到很大的冲击力。盾构试验段刀具磨损和折断严重，见图 4。可以看到，盾构刀具的刃口部位镶嵌的硬质合金刀片存在不同程度的折断破坏，即

36、所谓“崩刃”；对于硬质合金刀片，由于硬度很高，相对韧性较差，冲击断裂是其主要的失效形式。刃口部位的斜坡（内侧）为典型的犁沟式磨损（见图 5）。刀具磨损情况可归纳为表 1 所示特征。通过对进口刀具在砂卵石地层的磨损特点分析，可知在砂卵石地层施工中，盾构机刀具主要的失效形式为：冲击破坏、犁沟式磨粒磨损和碾压磨损。2.盾构刀具施焊工艺要求 使用北京固本耐磨焊丝焊接参数和工艺：焊丝直径1.6mm焊接电流240-280A焊接电压26-31V保护气体纯二氧化碳技术要求：1、焊前将待焊面除去油及其它污物。2、焊前无需预热。3、焊后无需保温。4、可用于镐型截齿和刀型截齿。5、适用于各种半自动和全自动截齿堆焊设

37、备。3.堆焊药芯焊丝的成分及堆焊层金属组织由盾构机刀具的工况可知，刀具既要具备较高的硬度以抵御高应力的磨粒磨损，又要有足够的韧性来吸收砂卵石的冲击。所以选择CMnSiNbV等元素组成的合金系设计了北京固本耐磨焊丝。它可以保证在焊前无需预热、焊后不必热处理的条件下，使得堆焊层焊后无裂纹，硬度达到64HRC药芯焊丝熔敷金属的主要成分：熔敷金属化学成分：碳C锰Mn硅Si铌Nb钨V其他1%1.2%0.8%7%5%3%4.盾构刀具磨损情况 总结盾构机周边刀修复经验，选择了 35 钢作为再制造刀具的本体，刀体经 DG7 堆焊后，在刃口堆焊层中钎焊入球齿。再制造的周边刀于 2005 年 7月底投入北京地铁五

38、号线盾构试验段北新桥站至雍和宫站右线隧道掘进施工，其地质条件与使用进口周边刀的左线基本相同。到 2005 年 11 月开仓检查更换刀具，累计完成 420 m 的掘进。刀具磨损情况见图 7、图 8。可见，进口刀具体积磨损量达到一半以上，有两个安装孔损坏；而再制造刀具不到十分之一。在基本相同的地层条件下，再制造刀具的推进里程比进口刀具要高出 20 %。可见再制造刀具的使用寿命要优于进口刀具。5 结 论(1) 盾构机刀具在砂卵石地层施工中，主要的失效形式为：冲击破坏、犁沟式磨料磨损和碾压磨损。(2) 北京固本耐磨焊丝的堆焊层焊态硬度64HRC，堆焊层焊后无裂纹。通过调整焊接工艺，使用该焊丝制备盾构机

39、刀具，可实现焊前不预热、焊后不用热处理，工艺简单便于现场使用。(3) 工程应用表明，用北京固本耐磨焊丝药芯焊丝制备的盾构机刀具性能优于进口刀具。投稿日期：2011年10月22日第四章 刀具使用维护及更换15.1 一般规定15.1.1 北京地铁盾构隧道施工，多在粉细砂层、圆砾层及卵石层中进行，刀盘、刀具磨损较大，须对刀盘、刀具磨损的检测及更换等有充分的估计。15.1.2 在定购盾构机时，应充分考虑北京地层条件特点，确定盾构机的面板型式以及刀具配置等，以满足北京地铁盾构施工的需要。15.1.3 盾构施工前应根据地层的磨耗性、刀盘刀具类型及配置等制定刀具使用计划。15.1.4 盾构掘进施工前，应综合

40、考虑地层条件，地面条件等因素，确定合理的可能换刀位置。15.1.5 施工中应使用泡沫、泥浆等添加材，并采取其它减磨、降矩措施，提高刀盘、刀具的寿命。15.1.6 刀盘、刀具的磨损与施工参数的选择、施工方法等密切相关，应充分考虑这些因素的影响，审慎施工。施工中应密切观察推力、扭矩、渣土性状、机体振动状态等，分析其原因，采取应对措施。15.1.7 应设定异常掘进的警戒推力及扭矩值，如遇异常情况，应立即停机检查。15.1.8 北京地铁盾构隧道施工中的刀盘、刀具磨损现象非常复杂，详细情况正在调查和研究中，随着调查研究的深入及施工经验的增多，将及时做补充修订。15.2 刀盘及刀具的选择15.2.1 刀头

41、材质的选择1 刀具一般采用真空烧制的E5类钢材，对于有特殊耐磨要求的刀具宜采用耐磨能力是E5 两倍的所谓SINTERH1P真空烧制的E3类钢材。2 表面硬化的方法一般是堆焊耐磨材料，可采用碳化钨或高铬堆焊焊条，堆焊层硬度宜高于HRC60；3 采用超硬重型刀，刀具背面实施硬化堆焊。15.2.2 刀头种类及型状：1 主切削刀；其切入角度影响切削能力的发挥，应根据施工地层情况，选择切入角度；2 主超前刀（也称先行刀）：采用主超前刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低主切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少主切削刀的磨耗。3 鱼尾刀：为改善中心部位的切削和搅拌效果，宜在刀盘中心部位设计一把尺寸较大

42、的鱼尾刀。4 盘圈贝型刀：实质上是超前刀，在盾构机穿越砂卵石地层特别是大粒径砂卵石地层时宜采用。5 仿形刀：仿形刀的目的是盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削创造所需空间。15.2.3 刀具配置1 增加刀具的数量，即增加刀具的行数及每一行的刀具布设数量；2采用长、短刀并用法，即长刀具磨损后，短刀具开始接替长刀具磨损。其高低差一般为20mm30mm。3切削刀头的安装方法有销钉、螺栓及焊接等方法。预测需要更换时，须采用装卸容易的方法进行安装。15.2.4 在北京地层条件下，应加大刀盘开口率，减少切削土渣在刀盘空间的滞留时间，以保证土渣顺利进入土舱，减少刀盘、刀具的磨损。15.3 刀具

43、磨损的预测及检测方法15.3.1 必须充分探讨刀头的耐磨耗性，事前预测磨耗量，制定切实可行的对策，以便施工能顺利进行。15.3.2 刀具磨耗量的预测最外圈的刀具磨耗量的推测值可按下式计算：KDNL/V （15.3.2.1）式中：磨耗量（mm）； K磨耗系数（mm/km）； D盾构机的外径（m）； N掘削的转数（rpm）； L刀具切削长度（km）；V掘进速度（m/min）。 磨耗系数K多选用由实践得出的如表15.3.2.1所示的数值，但目前北京地层条件下尚无可靠数据，此表的数据仅作为参考。 磨耗系数一览表 表15.3.2.1土质磨耗系数泥水式土压式淤泥粘土510-31210-3砂质土910-32310-3砂砾小砾1110-32610-3中砾1510-33910-3大砾1910-35210-315.3.3 磨耗检测：一般，判断刀头的磨损程度，是根据盾构记录的推进数据的变化，从土质和机械两方面进行综合判断。条件具备时并用辅助性磨耗探测装置，常用的磨耗探测装置有油压式、电气式、超声波式等。15.3.4 当经验不多，预计磨损严重时，可进行开舱检查。开舱检查必须在开挖面稳定的条件下进行。15.4 降低刀盘磨损的施工工艺及换刀标准15.4.1 选择合适的添加材改良