四川水泥稿件信息
盾构刀具的磨损及减磨措施
Wear and Wear Reduction Measures of Shield Cutters
李陈晨1，杨学锋1*，王守仁1，曹金龙1，许京伟2
(1. 济南大学 机械工程学院，山东 济南 250022)
(2. 济南重工股份有限公司，山东 济南 250109)
LI Chenchen1, YANG Xuefeng1*, WANG Shouren1, CAO Jinlong1, XU Jingwei2
（1. College of Mechanical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, China）
（2. Jinan Heavy Machinery Joint-Stock Co.,Ltd, Jinan 250109, China）
【摘要】盾构刀具作为盾构机掘进的关键部件，在掘进过程中极易发生磨损与损坏，经常更换盾构刀具直接影响到施工的成本及效率。盾构刀具的磨损不仅与结构、材料和加工工艺有关，还与刀具布置、地质情况等因素有关。本文主要对盾构机刀具的磨损机理和减磨措施进行了总结。
【关键词】盾构刀具；磨损；磨损机理；减磨措施
【Abstract】 As a key component of shield tunneling, shield cutters are prone to wear and damage during the tunneling process. Frequent replacement of shield cutters directly affects the cost and efficiency of construction. The wear of the shield cutter is not only related to the structure, material and processing technology, but also related to the tool layout and geological conditions. This paper mainly summarizes the wear mechanism and wear-reducing measures of shield cutters.
【Keywords】Shield cutter; wear ; wear mechanism; anti-friction measures
近年来，随着我国经济的快速发展和城市化水平的不断提高，对隧道和地下空间开发的需求日益增加。盾构机作为一种隧道掘进机械设备，由于其高效、安全、对周围环境干扰小等优点，在我国地下空间开发中得到了广泛的应用[1]。
在隧道掘进时,盾构机主要通过刀盘上的刀具对土体进行切割,由于地层的多样性,刀具的工作环境恶劣并且受力复杂[2]。因此,盾构刀具的磨损是施工过程中存在的最大问题。本文对盾构刀具的磨损失效原因以及减磨抗磨措施进行了概述，合理的减磨抗磨措施能有效提高刀具的使用寿命和掘进效率，降低施工成本。
1. 盾构机刀具种类
按照切削机理划分，盾构刀具一般分为滚刀、切削刀和辅助刀具[3]。滚刀包括单刃滚刀和多刃滚刀[4]，切削刀包括切刀、齿刀、边刮刀等，其余形式的刀具均为辅助刀具，如先行刀、仿形刀等[5]。
1.1 滚刀
根据刀圈形式，滚刀分为齿形滚刀和盘形滚刀。盘形滚刀根据刀圈数量又分为单刃、双刃和多刃滚刀。根据滚刀在刀盘上的分布区域，分为中心滚刀、正滚刀和边缘滚刀。中心滚刀通常为双刃或多刃滚刀，负责切削开挖面中心区域的岩石；正滚刀为单刃滚刀，分布在刀盘的正面区域，用于整个掌子面的开挖；边缘滚刀安装在刀盘的周边圆弧区域，切削外周岩土，形成整个开挖面的轮廓[6]。
盾构刀盘在液压缸推力和扭矩作用下旋转着向前推进，刀具在随着刀盘公转的同时，自身又在摩擦力和压力的作用下作自转，并且利用刀圈切削刃对岩石表面产生滚动切削作用[7]。刀圈是滚刀的关键部件，因此刀圈应具有较高的机械强度，良好的耐磨性和抗冲击性能。
图1 滚刀
随着刀盘的推进和旋转，盘形滚刀刀圈对岩石施加压力，并在岩石上挤压出同心圆凹槽，当刀圈施加给岩石的推力超过岩石强度时，刀圈挤压区域的岩石破碎，刀圈贯入岩石，并且在岩石周围产生放射性裂纹[8]。当推力进一步增加时，裂纹继续延伸，相邻滚刀之间的岩石裂纹在合适的刀间距下贯通，从而保证相邻滚刀间的岩石完全破碎，完成破岩过程[9]。Teale在1965年提出了比能的概念，即切削单位体积的岩石所消耗的能量[10]。相邻滚刀刀间距是影响比能大小的一个重要因素。刀间距偏小时，能保证相邻滚刀间的岩石裂纹贯通，但比能过大；相反，刀间距偏大时，则不能保证相邻滚刀间的岩石裂纹贯通，不能达到完全破碎的目的[11]。因此，应选择合适的刀间距，来控制比能的大小。
图2 滚刀破岩机理
1.2 切刀
切刀一般安装在辐条或刀盘幵口槽两侧，用于切削未固结的软土或软岩[12] 。
图3 切刀
随着刀盘的转动，切刀沿着刀盘旋转切线方向切削土体，当土体受到的剪切力达到破坏应力时，剪切破碎，完成土体切削[13]。切刀可通过改变刀刃角的大小来适应不同地层的掘进。在土体抗压强度较小时,选用刀刃角较小的切削刀,以提高刀具的锐利度，从而加快掘进效率，但同时也加快了刀具的磨损；相反，在土体抗压强度较大时,应选用刀刃角较大的切削刀,以增强切削刃的强度和耐磨性。宋克志对切刀的周向运动和轴向运动等运动特性进行了分析，并通过改变切深、刀刃角等切削影响因素，对切削刀进行受力分析，并给出了切削力的计算模型[14]。
图4 切削刀切削原理图
1.3 齿刀
当岩石抗压强度低于30MPa时，滚刀的破岩效果并不理想，可以考虑利用齿刀代替滚刀进行破岩，滚刀的刀座对齿刀同样适用。
图5 齿刀
1.4 刮刀
在黏土、砾土等较松散的地层中，刮刀主要起切削作用；在硬岩等密实地层中，岩石被滚刀挤压破碎后，刮刀主要起刮渣作用，将破碎岩石清理到土仓中。边缘刮刀用于清理外周渣土，可以起到校准盾构开挖直径的作用。
图6 刮刀
1.5 撕裂刀
撕裂刀主要用于松散地层破碎大粒径卵石、砾石和漂石，随着刀盘转动，撕裂刀利用冲击惯性破碎卵石。
图7 撕裂刀
1.6 先行刀
主要应用于软土或软岩地层，与切削刀具协同工作。超前刀布置在切削刀安装轨迹之间，伸出量较切削刀大。采用超前刀，可显著增加切削土体的流动性，很大程度上降低了切削刀的扭矩，减少切削刀的磨损，提高切削刀的切削效率和使用寿命[15]。
图8 先行刀
1.7 鱼尾刀
在软土地层掘进时，在中心部位安装一把鱼尾刀，可改善中心区域的切削效果，增加切削土体的流动性，防止出现结泥饼的现象；
图9 鱼尾刀
2. 盾构刀具的磨损失效
2.1 滚刀的磨损失效
滚刀的失效方式主要分为正常磨损、刀圈偏磨、刀圈断裂和崩角[16]。
当滚刀在均匀单一地层中掘进时，刀圈的磨损量随掘进距离的增加而增加，主要表现为刀刃宽度的增加，当刀刃宽度超过20mm时，掘进效率明显降低，刀圈失效。
图10 正常磨损失效滚刀
在松软地层掘进时，掌子面无法提供给滚刀足够的转动力矩，在刀盘转动时，滚刀不能自传，使刀圈发生单边或多边偏磨。如果不能及时发现，使刀盘受力不均，产生倾覆力矩，将导致相邻滚刀甚至整个刀盘以及刀具的磨损失效[17]。
图11 刀圈偏磨失效滚刀
在复合地层中掘进时，滚刀由较软地层进入较硬地层时，承受很大的瞬间冲击载荷，刀圈材质硬而脆，容易发生断裂或崩角[18]。
图12 刀圈断裂失效滚刀
2.2 切刀的磨损失效
切刀在软土或软岩地层中工作，与土体接触，磨损主要表现为刀刃变短变平。此外，渣土流动也会对刀刃、刀体以及刀盘造成一定的磨损。
2.3 盾构刀具磨损失效原因
（1）刀具的生产和热处理工艺达不到标准，导致刀具本身存在缺陷，内部的残余应力容易引起裂纹的萌生，在刀具承受较大载荷时，易发生断裂和崩角。
（2）泡沫管堵塞，泡沫不能及时在刀盘与掌子面之间发挥润滑和冷却作用，加剧了刀盘和刀具的磨损。
（3）刀具的选择及布置不合理，尤其是盾构在软硬不均的复合地层中掘进时，刀具的选择及布置尤为重要，合理的选择刀具类型和布置方法直接关系到刀具的磨损以及盾构能否正常掘进。
（4）掘进参数设置不合理，如推力和扭矩过大，以提高掘进速度，刀具会承受很大的冲击力， 容易引起刀圈断裂。
2.4 刀具的磨损机理
2.4.1 滚刀磨损机理
滚刀在硬岩中工作时，虽然岩石硬度低于滚刀材料硬度，但岩石中存在的硬质颗粒，能够在刀具表面进行切削，产生犁沟，材料被切除脱离基体，形成磨粒磨损。在循环应力作用下，材料内部产生微裂纹，并逐渐延伸至刀具表面，形成剥落坑。所以滚刀的磨损主要为磨粒磨损和疲劳磨损。
2.4.2 切刀磨损机理
切刀在软土地层掘进时，磨粒与切削刀具表面之间的作用力较小，所以只是在刀具表面产生微小的划痕擦伤，这种程度的磨耗对刀具的使用影响并不大，属于低应力磨粒磨损；然而，当刀具在砂卵石地层工作时，由于地层中石英含量很高，并且卵石对刀具表面的冲击力很大，刀具损耗非常严重，这时磨粒磨损和冲烛磨损成为刀具的主要磨损形式。
3. 刀具布置方法
刀具的布置方法与刀具受力和运动轨迹密切相关，直接影响到刀具的磨损。同心圆布置法和螺旋线布置法是最普遍的布置方法[19]。
3.1 同心圆布置法
以刀盘中心为圆心，R0为首项，刀间距S为公差[6]，作一系列圆心相同，半径不同的圆，以同心圆为轨迹在刀盘辐条上布置刀具。
图13 同心圆布置法
在刀盘上布置刀具时，应当尽量满足布局合理，每根辐条上的刀具数量保持一致，使刀盘受力平衡，产生的倾覆力矩最小，所以更多的采用的是阿基米德螺旋线布置法[20]。
3.2 单阿基米德螺旋线布置法
阿基米德螺旋线用极坐标描述为：
(1)
式中：ρ—— 极径(mm)；
ρ0—— 极径初始值(mm)；
α—— 常数；
θ—— 极角(rad)；
θ0—— 初始极角值(rad)。
Δρ为阿基米德螺旋线的螺距，由公式可知，单螺旋线螺距为2πα，所以α=Δρ/2π[6]。单阿基米德螺旋线如图6所示：
图14 阿基米德螺旋线布置法
3.3 多阿基米德螺旋线布置
由于刀具的运行距离与安装半径成正比，在相同时间内，外圈刀具比内圈刀具磨损大，所以出于施工安全考虑，外圈通常采用两条或多条螺旋线布置刀具[21]。多阿基米德螺旋线布置法就是在单螺旋线布置的基础上增加一条或多条螺旋线，且新增的螺旋线与原有的螺旋线旋向及螺距相同[6]。
4. 改善刀具磨损情况的措施
4.1 减小滚刀磨损的措施
（1）盾构刀盘外圈刀具的磨损量δ计算公式为[22]：
(2)
式中：δ——磨损量(mm)；
K——磨耗系数(mm/km)；
D——盾构机刀盘外径(m)；
N——刀盘转动速度(r/min)；
L——掘进距离(m)；
V——掘进速度(cm/min)[23]。
可见刀具的磨损与地质条件、刀具材质及其在刀盘上的安装位置有关，并且随着刀具掘削里程的增加而增大[10]。我们应结合计算公式和现场施工情况，提前判断何时需要换刀，避免因换刀不及时引起刀盘和其他刀具的损坏；
（2）及时注入泡沫或加入膨润土，改良渣土，增加土体流动性，可有效降低渣土的摩擦系数，防止渣土在刀箱内结块；
（3）适当加厚刀体和刀圈，提高刀圈耐磨性，增强刀体抗撞击、抗变形的能力；
（4）合理布置滚刀，刀盘外圈磨损较内圈更为严重，可采用双螺旋线或多螺旋线布置滚刀，有效减少单个滚刀的磨损量；
（5）选择合理的掘进参数，适当降低掘进速度和刀具贯入量，延长刀具使用寿命；
（6）改善刀圈的生产和热处理工艺，减少非正常损坏。
4.2 减小切削刀磨损的措施
（1）适时改变刀盘旋转方向，尽量满足正转和反转切削距离相等，使辐条两侧对称布置的刀具磨损量相差不大。
（2）选取合理的刀具尺寸参数。
（3）刀体应选用硬度高、耐磨性好的优质钢材；刀刃应选用硬度高、耐磨性好、韧性好、耐热耐腐蚀的硬质合金材料。
（4）随着刀具安装半径的增大,靠刀
