某地鐵工程盾構(gòu)機(jī)滾刀失效分析

盧慶亮，袁乃強(qiáng)

（濟(jì)南重工集團(tuán)有限公司）

摘　要：隨著國內(nèi)軌道交通建設(shè)的不斷推進(jìn)，盾構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。滾刀作為盾構(gòu)施工的關(guān)鍵零部件，其工作效率和失效形式與施工地質(zhì)條件有直接關(guān)系，并對(duì)施工進(jìn)度和安全性具有重要的影響。以某地鐵工程盾構(gòu)掘進(jìn)施工為例,分析該區(qū)間段復(fù)雜的地質(zhì)條件,根據(jù)實(shí)際情況分析盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中滾刀的失效形式和失效原因,并對(duì)刀圈的硬度和材質(zhì)選擇進(jìn)行簡要討論。結(jié)果表明，在該地段施工過程中滾刀的失效形式主要為刀圈偏磨、刀圈卷刃、刀圈斷裂、刀圈崩刃、刀圈脫落、刀軸斷裂等。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；滾刀；地質(zhì)條件；失效類型；材質(zhì)

0　引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速推進(jìn)，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，為了緩解城市巨大的交通壓力，建立城際立體化交通網(wǎng)，具有運(yùn)行速度快、客流量大、噪音污染少、消耗能量低等優(yōu)勢(shì)的地下快速軌道交通建設(shè)受到諸多城市的青睞[5-8]。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)大大提高了軌道交通的施工效率和施工質(zhì)量并降低了建設(shè)成本，因此逐漸成為軌道交通建設(shè)的主流設(shè)備。盾構(gòu)機(jī)刀盤作為切割地層向前推進(jìn)的關(guān)鍵零部件,一般配置切刀(齒刀、刮刀)、先行刀(超前刀)、貝型刀、中心刀(魚尾刀、雙刃或三刃滾刀)、超挖刀、滾刀等。其中，滾刀刀圈主要作用是破巖，一般分為齒形和盤形兩類[9]。本研究分析盾構(gòu)機(jī)在濟(jì)南某地段施工中出現(xiàn)的滾刀失效規(guī)律，以便在刀具選擇和提高刀具使用壽命方面提供依據(jù)。

1　工程概況

1.1 工程概述

該區(qū)間長997 m，共投入2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)同時(shí)施工。盾構(gòu)隧道為標(biāo)準(zhǔn)單洞單線圓形斷面，線間距11.90～17.8m，左、右線覆土厚度9.6～17.4 m，最大坡度7.8‰，最小坡度4‰，最小曲線半徑R=399.932 m。

共計(jì)穿越18處建、構(gòu)筑物及1處河道。隧道地層地質(zhì)復(fù)雜，地下水豐富，需穿越上軟下硬、孤石群、全斷面硬巖、裂隙及空洞地層，巖石為風(fēng)化閃長巖或輝長巖，單軸抗壓強(qiáng)度最高達(dá)264 MPa，地質(zhì)條件和周邊環(huán)境條件的復(fù)雜性國內(nèi)罕見；盾構(gòu)施工時(shí)易出現(xiàn)噴涌、刀具及刀箱異常損壞等情況，掘進(jìn)功效低、安全風(fēng)險(xiǎn)高。

1.2 工程地質(zhì)

該區(qū)間地質(zhì)地層復(fù)雜，短距離地層變化快，同一斷面地層分布復(fù)雜，常出現(xiàn)大粒徑孤石、空洞、強(qiáng)風(fēng)化閃長巖及中風(fēng)化閃長巖地層同時(shí)存在的情況，對(duì)刀具損傷嚴(yán)重，需要頻繁進(jìn)行開倉換刀作業(yè)，極大降低了掘進(jìn)工效。

2　刀具失效及原因分析

2.1盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)配置

風(fēng)化程度不均孤石群地層：總推力12000～15000kN；扭矩2000～2500kN·M，掘進(jìn)速度8～10mm/min，貫入度2～3mm/r，轉(zhuǎn)速1.0～1.6r/min；全斷面硬巖、局部裂隙地層：總推力12000～13000 kN；扭矩1400～1 600kN·M，掘進(jìn)速度2～3mm/min，貫入度5～6mm/r，轉(zhuǎn)速1.8～2.0r/min；孤石群、空洞地層：總推力7000～10000 KN；扭矩≤1500kN·M，掘進(jìn)速度5～10 mm/min，貫入度8～10mm/r，轉(zhuǎn)速0.5～0.7r/min。

2.2滾刀失效分析

該區(qū)間具有不良地質(zhì)作用，特殊性巖土(風(fēng)化巖)，地層變化頻繁、無規(guī)律的特點(diǎn)，硬巖巖石強(qiáng)度平均達(dá)到143 MPa，個(gè)別點(diǎn)最高達(dá)到264 MPa。因此，該區(qū)間掘進(jìn)過程中刀具損壞嚴(yán)重，開倉換刀頻繁，左線開累掘進(jìn)707環(huán)，右線開累掘進(jìn)649環(huán)，期間共計(jì)開倉換刀261次，共計(jì)更換刀具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、刀圈崩刃、刀圈脫落、刀軸斷裂等，如圖1所示。

圖1 刀圈失效形式

掘進(jìn)過程中刀圈的一條弦或幾條弦出現(xiàn)長時(shí)間磨損時(shí)就會(huì)造成刀圈的偏磨，如圖1（a)所示。刀圈在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)偏磨的原因主要是刀具軸承損壞不能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)而造成的。根據(jù)對(duì)該區(qū)間段更換刀具的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看(見表1)，出現(xiàn)刀具偏磨的共409把，占26.8%，其中軸承損壞的共376把。造成軸承損壞的原因主要有以下幾點(diǎn)：(1)軸承過載或刀盤冷卻系統(tǒng)不良導(dǎo)致在掘進(jìn)過程中軸承過熱抱死；(2)刀具密封損壞漏油，造成軸承潤滑不良[10-14]；(3)裝配存在質(zhì)量缺陷。其次，滾刀啟動(dòng)扭矩過大也容易造成滾刀時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)不轉(zhuǎn)，使刀圈發(fā)生偏磨。刀圈偏磨而未及時(shí)發(fā)現(xiàn)是非常危險(xiǎn)的，一把刀由于偏磨而失效會(huì)造成相鄰兩把刀過載而失效，從而迅速向外擴(kuò)展，直 至整個(gè)刀盤全部損壞。

表1 更換刀具統(tǒng)計(jì)結(jié)果

刀圈卷刃是指刀圈在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的刀圈邊緣卷邊現(xiàn)象，如圖1(b)所示。刀圈出現(xiàn)卷刃的原因主要是在掘進(jìn)過程中巨大的推力使刀圈與巖石之間摩擦生熱，相當(dāng)于擋圈回火導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性下降，硬度降低，出現(xiàn)高應(yīng)力下的壓潰變形。其次擋圈在生產(chǎn)過程中熱處理不充分，刀圈根部硬度大邊緣硬度低也是造成刀圈卷邊的原因。根據(jù)對(duì)該區(qū)間段更換刀具的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看(見表1)，出現(xiàn)刀圈局部崩裂共146把,占9.6%；不均勻地層或地層突然變硬會(huì)導(dǎo)致刀具在掘進(jìn)過程中局部過載從而產(chǎn)生疲勞裂紋，疲勞裂紋快速擴(kuò)展造成刀圈徑向斷裂[15-17],如圖1(c)所示。其次刀圈和刀體配合過盈量未達(dá)到要求也會(huì)造成刀圈的斷裂。根據(jù)對(duì)該區(qū)間段更換刀具的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看(見表1),出現(xiàn)刀圈斷裂共251把,占16.4%。

由于該區(qū)間的地質(zhì)情況復(fù)雜，巖石硬度大，在巨大的沖擊載荷下，刀刃處于高壓應(yīng)力狀態(tài)，刀刃與孤石在接觸不良處承受較高的剪切力，處于拉應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)拉應(yīng)力超過刀圈合金的強(qiáng)度極限時(shí)，即產(chǎn)生裂紋從而引起刀刃崩裂[18],如圖1(d)所示。根據(jù)對(duì)該區(qū)間段更換刀具的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看(見表1)，出現(xiàn)刀圈局部崩裂共364把,占23.8%。

刀圈在滾切巖石過程中，由于刀圈受力較大，刀圈表面掉落整塊的碎片，而整個(gè)刀圈沒有斷裂稱為刀圈脫落。如圖1(e)(f)所示。刀圈的脫落是由于在掘進(jìn)施工過程中破碎巖石的力量較大，特別是在破碎孤石群時(shí)，震動(dòng)較大引起刀具連接螺栓松脫、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(huì)造成刀圈的整體脫落[10]。根據(jù)對(duì)該區(qū)間段更換刀具的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看(見表1)，出現(xiàn)刀圈局部崩裂共90把,占5.9%。

滾刀的失效形式具有多樣化綜合性的特點(diǎn)，一把滾刀可能存在多種損壞形式疊加的情況，刀圈的失效原因也呈現(xiàn)出多樣性和綜合性的特點(diǎn)，復(fù)雜的地質(zhì)條件和掘進(jìn)參數(shù)的合理性、滾刀刀圈、輪轂、軸和軸承密封等部件的質(zhì)量、刀盤的強(qiáng)度、剛度和開口率等都與滾刀的失效密切相關(guān)。

3　刀圈性能測(cè)試和分析

3.1 刀圈取樣

對(duì)以上6把具有典型失效形式的滾刀分別制備硬度、成分試樣進(jìn)行進(jìn)一步分析，取樣參照?qǐng)D2所示。首先，將刀圈兩頭各銑去30 mm左右，去除熱影響區(qū)；第二步，切刀圈10 mm厚，如圖2A處所示作為硬度試樣，保證試樣上下平面平行且Ra不低于12.5。第三步，從圖2B區(qū)域取成分試樣。

圖2 取樣示意圖

3.2 刀圈化學(xué)成分和硬度分析

通過對(duì)刀圈工況條件和刀圈失效形式及原因的分析，可以判斷：刀圈材料應(yīng)具備高屈服強(qiáng)度，從而避免在高工作應(yīng)力下出現(xiàn)刀圈崩刃；同時(shí)，刀圈材料也應(yīng)該具備高硬度和耐磨性，以此防止刀圈出現(xiàn)過度磨損；此外，刀圈材料還應(yīng)具備出色的沖擊韌性，有效地防止刀圈斷裂。

對(duì)6個(gè)刀圈進(jìn)行光譜分析，結(jié)果如表2所示，可以得出：6個(gè)刀圈所用材料全部為中、高碳鋼，高碳含量能保證刀圈具有較好的強(qiáng)度和硬度；此外，6個(gè)刀圈材質(zhì)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(qiáng)度；較高的Cr含量可以提高刀圈的強(qiáng)度和硬度，提高其高溫機(jī)械性能；Si元素的加入能夠提高刀圈材料的彈性極限和屈服極限，保證刀圈具有良好的韌性；Mo元素能夠提高刀圈的耐磨性和強(qiáng)度；V元素則可以細(xì)化刀圈的內(nèi)部組織和晶粒。6個(gè)刀圈硬度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，所有試樣硬度均大于500 HBW，其中6號(hào)刀圈硬度超過651 HBW。

表2 刀圈試樣化學(xué)成分表

3.3 滾刀的材質(zhì)要求

根據(jù)該地段盾構(gòu)機(jī)施工過程中滾刀出現(xiàn)的失效形式分析和對(duì)失效滾刀力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可以看出，滾刀刀圈應(yīng)該具備優(yōu)異的性能要求，特別是刀圈的硬度、屈服強(qiáng)度和沖擊韌性，這就要求刀圈制造過程中材料的選擇應(yīng)具備以下條件：(1)高硬度，增強(qiáng)刀圈的耐磨性，減少刀圈在惡劣地質(zhì)條件下的磨損；(2)良好的沖擊韌性，避免裂紋的產(chǎn)生和迅速擴(kuò)展，防止刀圈斷裂；(3)高屈服強(qiáng)度，提高刀圈的抗應(yīng)力應(yīng)變能力，減少由于應(yīng)力過高導(dǎo)致的變形和崩裂；(4)良好的熱穩(wěn)定性，特別是抗回火性能，使刀圈在熱裝和長時(shí)間摩擦生熱過程中具備穩(wěn)定的性能[19]材料的加工性能也是非常關(guān)鍵的，有利于提高產(chǎn)品合格率和成本控制。

4　結(jié)語

滾刀作為盾構(gòu)機(jī)施工中重要的零部件，滾刀失效對(duì)施工效率和安全性具有很大的負(fù)面影響，頻繁的刀具更換降低了施工效率，提高了建設(shè)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、刀軸斷裂等，其中因?yàn)榈毒咂ザ鴵Q刀最為嚴(yán)重，主要是因?yàn)榫蜻M(jìn)過程中滾刀軸承損壞導(dǎo)致；刀圈崩刃和刀圈斷裂也是滾刀失效的重要因素，這與該地段 地質(zhì)條件復(fù)雜、巖石硬度大有著密不可分的關(guān)系。從分析結(jié)果來看，同一個(gè)失效的刀圈往往存在多種失效形式，也是受到多種綜合因素而導(dǎo)致的失效。

從刀圈的材質(zhì)分析來看，取樣的6個(gè)刀圈所用材料全部為中、高碳鋼，高碳含量能保證刀圈具有較好的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)刀圈中添加了含量較高的Mn、Cr、Mo、Ni、Si、V等合金元素保證了刀圈具有出色的硬度、強(qiáng)度、抗沖擊韌性和熱穩(wěn)定性。

本文摘編自《隧道現(xiàn)地下工程災(zāi)害防治》2020年6月，第2卷第2期，參考文獻(xiàn)略。

（版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有）