某穿黄隧道泥水盾构刀具失效分析及应对措施吴遁（中铁十四局隧道工程有限公司）摘要：通过对某穿黄隧道泥水盾构刀具的失效情况进行分析，总结得到了滚刀的主要失效形式主要为以磨损为主，滚刀磨损主要有其可分为均匀磨损、弦磨和刃偏磨三种形式刮刀主要有磨损、刀刃崩断、刀刃脱落三种失效形式针对刀具失效情况，提出了相应的处理应对措施，使得泥水盾构刀具的失效情况得到了显著改善（改善失效似乎是病句），为后续施工及类似工程的研究提供一定的参考价值关键词：卵石地层；泥水盾构；滚刀；刮刀0 引言随着我国地下空间工程的高速发展，盾构机 施工 [1-2]由于其诸多优点已广泛应用于地下空间开挖盾构掘进 [3-4]主要通过其刀盘推进及其旋转，带动刀盘上的各类刀具对岩土进行切割泥水盾构可以通过泥水压力作用，稳定掌子面，更有利于盾构推进掘进且能有效防止地表沉降但泥水盾构由于其高水压作用，导致泥水盾构换刀困难 [5-6]，往往耽误延误施工工期，产生巨大的经济损失代价巨大为此，本文针对以某穿黄隧道施工工程为对象，首先分析该泥水盾构刀具失效规律，然后针对刀具失效情况 [7-11]提出相应对策措施（与标题最好保持一致），以便降低刀具失效数量，提高刀具使用寿命，从而达到缩短节约工期的目的。
1 工程概况1.1 工程概述本项目施工区段范围为：奥体中心站～中间风井区间线路起始于奥体中心站的东端，区间沿深安路下穿黄河，下穿黄河段长度约为 317m线路采用双线同侧绕避深安大桥，由大桥上游下穿河底通过采用复合式泥水盾构机施工，区间设计里程(分界里程) 为：YDK9+908.550～ZDK10+893.341 （长链 2.541m），YDK9+908.550～YDK10+890.800 ，左线长 984.791m，右线长 982.250m在 YDK10+335.00/ZDK10+333.00 处设置联络通道一座1.2 工程地质始发段隧道穿越地层主要为全断面为 3-11 卵石层隧顶覆土厚度为 12.6 米，覆土厚度由上至下依次为：1-1 杂填土层，厚度 1 米；2-10 卵石层，厚度 10 米；3-11 卵石层，厚度 1.6 米，如图 1 所示图 1 奥体中心站～中间风井区间隧道纵断面图其中 3-11 卵石层描述如下：灰黄色、青灰色，饱和，局部夹有薄层或透镜状砂层，广泛分布于河漫滩及安宁区二级阶地下部据颗分资料及现场勘探，该层粒径大于 200mm 的漂石、卵石平均含量占 64.53％，一般粒径 20mm～60mm，漂石含量较少，最大粒径为500mm；粒径 2mm～20mm 的圆砾平均含量占 14.82％；中粗砂充填。
卵石、圆砾母岩成份主要为砂岩、花岗岩、石英岩、硅质岩、钙质泥岩、燧石等级配不良、磨圆度较好、分选性较差该地层开挖出来的卵石情况（如图 2 所示）图 2 开挖的卵石地层情况1.3 水文情况拟建场地地下水主要赋存于卵石层中，属孔隙性潜水水位埋深 10.9m～12.7m ，相应地下水位高程为 1519.50m～ 1521.72m，水位具有由北西向南东缓慢降低的趋势奥体中心站～中间风井区间位于黄河Ⅱ级阶地，地下水丰富，含水层厚，渗透系数大，区间隧道开挖可能会产生较大涌水现象，将严重影响对工程施工影响较大2 刀具失效状况及原因分析2.1 泥水盾构刀具配置形式本设备采用复合式刀盘，支撑方式为中心支撑刀盘上安装有滚刀、刮刀等对隧道进行全断面开挖，开挖直径 6480mm，可实现正反双向旋转开挖刀盘上配置有滚刀、中心刮刀、边缘刮刀等刀具主要刀具配置如下：中心滚刀共 8 把；正面滚刀共 23 把；边缘滚刀共 10 把（其中偏心滚刀 4 把）；宽刮刀共 36 把；边缘刮刀共 8 对（左右各 4 对）滚刀为庞万力刀具目前某盾构机共计掘进 378 环，累计掘进距离为 453.6 米2.2 滚刀失效分析本文通过对工程中的正面滚刀和边缘滚刀失效情况进行统计和分析，发现，本工程项目中的滚刀失效主要以磨损为主，进一步对磨损失效形式进行统计归类分类（少到多为分类，多到少是归类），得到了三种主要的滚刀磨损失效形式：均匀磨损、弦磨、刃偏磨（如图 3 所示）。
a)正常磨损 (b)弦磨 (c)刃偏磨图 3 滚刀磨损分类2.2.1 滚刀均匀磨损滚刀均匀磨损是指滚刀刀圈周边各部位的磨耗程度基本上一致，如图 3（a）所示，滚刀刀圈周边磨损均匀，该类磨损为理想磨损情况，滚刀在切削过程中能正常被动转动，这种磨损主要发生在正面滚刀上2.2.2 滚刀弦磨滚刀弦磨是指滚刀在切削破岩时，滚刀自身不能发生被动转动，使得滚刀与岩层的接触位置始终不发生改变，最终导致滚刀偏磨，如图 3（b）所示当滚刀装配扭矩过大，就会导致滚刀发生被动转动更加困难另外，滚刀要发生被动转动对岩层的力学强度有一定要求，本工程中开挖地层主要为砂卵石地层，岩层力学强度相对较弱，导致部分滚刀不能正常被动转动从而引起弦磨当装配扭矩过小时，滚刀轴承密封质量难以保证，易导致滚刀轴承密封损坏，此时地层中的细小砂砾或者泥浆等在高水压环境下容易进入轴承，导致刀具无法转动或被彻底卡死，也会发生偏磨2.2.3 滚刀刀刃偏磨滚刀刀刃偏磨是指刀刃两侧不均匀磨损，与刀圈法线方向成不同角度，刀尖缘呈不规则的曲线这种磨损主要由于刀刃两侧受力不同且磨损距离不同所引起的的，边缘滚刀主要发生该种磨损失效形式，具体见图 3（c）所示。
2.3 刮刀失效分析本文通过对该工程中的刮刀失效形式进行总结了分析，发现刮刀主要有磨损、刀刃崩断和刀刃脱落三种失效形式（如图4所示）a)正常磨损图 (b)刀刃崩断 (c)刀刃脱落图 4 刮刀失效形式2.3.1 刮刀磨损刮刀磨损主要有两个部分：首先是刮刀刀刃直接与卵石以及土体作用而引起的磨损，从磨损的形态来看，表现为切刀刀刃变钝，这样会导致刮刀受力显著增加，导致刀盘扭矩增加；另一部分为碴土流动对刮刀刀体的磨损，导致碴土对刀具的二次磨损，具体磨损形式如图4（a）所示2.3.2 刮刀刀刃崩断刮刀刀刃崩断是指刀刃部分合金体在强冲击作用下脱离合金母体的一种现象刮刀切削砂卵石地层时，若遇到岩石中坚硬的孤石，在冲击载荷作用下，刀刃处于高压应力状态，在刮刀刀刃与孤石接触不良处承受高的剪切力，处于拉应力状态，当拉应力超过合金的强度极限时，即产生裂纹从而引起刀刃的崩断，如图4（b）所示另外，合金材料本身组织结构不均匀，容易存在各种缺陷，也会发生刀刃崩断现象2.3.3 刮刀刀刃脱落刮刀刀刃脱落是指刮刀刀刃合金体在切削过程中完全脱离刮刀母体的一种现象。
发生刀刃脱离现象主要是因为焊接工艺没达到相应技术要求，如焊接时热应力过大时，会在合金与刀体之间产生裂纹，当在切割卵石地层时，受到强冲击载荷下合金极易脱离刮刀刀体，发生刮刀刀刃脱落现象，如图4（c）所示3 应对措施3.1 滚刀改进措施在对本施工项目刀具失效的情况分析下，针对滚刀和刮刀提出以下改进措施1）某品牌原装刀具耐磨性不足，对刀具结构和制造工艺提出改进，并且对中心滚刀刀圈进行加厚处理，增加其耐磨层，提高正常磨损寿命2）将边缘滚刀全部改为双刃滚刀，减小每个刀刃的受力，增加整体的耐磨性3）砂卵石地层对滚刀冲击大，选用抗冲击力更好的滚刀轴承，避免轴承受强冲击载荷后发生变形导致卡刀4）隧道水位较高，泥水仓压力较大，选用耐水压行高的密封，保证滚刀内不会进泥沙等杂质，避免滚刀卡死5）中心滚刀启动扭矩调整到 22~24 N·m，其他滚刀扭矩不调整3.2 刮刀保护措施1）对硬质合金刃口进行倒圆处理、焊接结构及方式的严格控制，焊接后进行喷丸钝化等处理方法,最大程度防止刀刃缺损、剥离的现象出现，提高其抗冲击能力2）根据地层变化将刀具后角进行调整，提高刮刀的耐磨效果及抗冲击能力3）在刮刀基体上采用耐磨性能优良的进口耐磨焊条，堆 3~4mm 的耐磨层，提升其耐磨能力。
4）当遭遇力学参数强的地层，适当减小贯入度和刀盘转速，减小刮刀载荷，避免刀刃崩断和刀刃脱落等现象发生3.3 改进前后刀具对比分析通过采用上述改进措施后，盾构上刀具失效情况得到显著改善（如图5和图6所示）当掘进相同环数条件下，滚刀磨损得到显著改善，滚刀刀圈由多边磨损转变为均匀磨损，偏磨情况得到改善；刮刀失效也得到明显改善，改进前，刀刃崩刃现象严重，刀体疲劳失效严重，改进后，刮刀刀体保存较为完好，刀刃以正常磨损为主a）改进前 （b）改进后图 5 滚刀改进前后对比（a）改进前 （b）改进后图 6 刮刀改进前后对比4 结论文中本文通过对某穿黄隧道泥水盾构刀具的失效情况进行分析，和总结， 得到了该泥水盾构滚刀和刮刀各三种典型的失效形式，并针对刀具失效情况，提出了两种刀具改进措施本穿黄工程采取所提措施施工结果表明，采取刀具改进措施后，刀具其失效情况得到明显改善，节约了使施工成本大大减少参考文献[1]唐晓武,朱季,刘维,陈仁朋.盾构施工过程中的土体变形研究 [J].岩石力学与工程学报,2010,02:417-422.[2]崔玖江.盾构隧道施工风险与规避对策[J]. 隧道建设,2009,04:377-396.[3]吕强,傅德明.土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩模拟试验研究 [J].岩石力学与工程学报,2006,S1:3137-3143.[4]何川,汪洋,方勇,谢俊,赵强政.土压平衡式盾构掘进过程的相似模型试验 [J].土木工程学报,2012,02:162-169.[5]陈馈.盾构法施工超高水压换刀技术研究[J]. 隧道建设,2013,08:626-632.[6]章慧健,仇文革,胡辉,钟山.富水砂卵石地层土压平衡盾构带压换刀技术 [J].施工技术,2010,01:55-58.[7]蒋建敏,赵学彬,贺定勇,韩文政,邹积波.北京地区盾构机刀具失效分析及再制造研究 [J].中国表面工程,2006,03:44-46.[8]刘高峰,宋天田.成都地铁盾构刀具磨损分析研究[J]. 隧道建设 ,2007,06:89-93.[9]吴俊,袁大军.大连极硬岩地层复合盾构刀具磨损的分析与预测 [J].土木工程学报,2015,S1:250-255.[10]卢美茂,周保军.成都地铁一号线盾构刀具磨损分析及对策 [J].隧道建设,2009,S1:84-87.[11]李德洋,刁春仁,吴钦刚,耿富林.北京地铁 9 号线 3 标盾构机刀具的破坏形式及刀具的改造[J].铁道建筑技术,2011,S2:51-52+57.。