盾构机刀具选型及维护

5、刀具的检查
• 5.1 在掘进中过程中检查刀盘刀具 • 刀具是易损件，因此必须进行定期检查，维修保 养，使刀盘及刀具保持完好状态。在进行刀盘维 修保养时，需认真彻底，损坏的刀具应该及时更 换。由于刀具的布置是相互保护的，如果某把刀 损坏了没有及时发现并更换，特别是在硬岩地层 或磨砺性大的地层，继续掘进很可能造成成片的 刀具损坏甚至刀盘损坏而无法掘进。 • 对于均一的软土地层如上海等地一般切削刀具都 能从头到尾没有很大磨损，均一的硬岩地层如 TBM刀具的掘进检查也比较方便易于建立刀具和 刀盘的检查制度。
• 而对于广州、成都、深圳的复合地层，往往不具 备开仓条件，但恰恰是这类地层，刀具适应性较 差，刀具寿命较短或非正常刀具损坏越经常发生。 这种情况下更应该建立严格、完整的刀具检查、 更换制度。如采取刀具磨损检测装置、带压进仓、 事先加固等措施保证刀具检查和更换制度的执行。 因不重视刀具检查，未能及时更换刀具造成刀盘 磨损而停机的事屡见不鲜。 • 5.2 成品刀具的检查 • 对于新购进的刀具或现场返修的刀具，要检查刀 具的密封情况、刀圈的硬度及磕碰损坏情况、刀 具的启动扭矩数值。
• 3.6 国产盾构刀具的应用 我国盾构机刀具的研制，通过铁道部科技攻关和 国家863项目以及一系列的地方产学研项目的完 成，掌握了盾构机刀具制造和应用的核心技术， 走在了世界前列。表现在： 1)应用范围广：广泛应用于城市地铁隧道、江底隧 道、引水隧道和铁路隧道； 2)刀圈的耐磨性接近世界先进水平的威尔特圈； 3)刀具的密封性能优良，能实现长距离掘进； 4）适应性更强，刀具的多样化，解决了我国重大 工程中刀具问题，如北京直径线、广深港狮子洋 隧道、广州地铁、成都地铁等。 5）经济性更好（同样质量前提下）
• 3.3按位置选择刀具的差异性 刀盘上三个不同的区域：中心区、正面区、边缘 区，因其承担的破岩量和刀具的受力特性差异， 刀具的性能也有差别。 • 中心区 该区是刀盘的中心，特点是空间小，滚刀的转弯 半径小，所以滚刀滑动加滚动，承受轴向力大。 所以中心刀与正滚刀有如下差别： 成组安装：有两个一组、三个一组和六个一组。 密封形式: 单密封环与轴承或刀体配对。 轴承型号：轴承常选用大角度的，且预紧力也大。 要求刀圈韧性指标更高些。 如采用刮刀的软土刀盘，通常是做成一体的鱼尾刀。
1、 盾构机刀具的分类
• 目前使用的刀具一般分为两大类:刮削刀具、滚动 刀具
刮削刀具(刮刀、割刀)
• 刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀 具. • 刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的 刮削刀具类有边刮刀、刮刀、齿刀、先行刀、贝 壳刀、鱼尾刀等
滚动刀具(滚刀)
• 滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运 动的破岩刀具。 根据刀刃的形状滚刀可分为：齿形滚刀（钢齿和 球齿）、盘形滚刀（钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀）
盾构机刀具选型及维护
洛阳九久技术开发有限公司
晁Fra Baidu bibliotek清
2010.3
概述
• 盾构机刀具是盾构机破岩掘进的关键部件，在掘 进中容易损坏，要经常更换。其使用寿命的长短 不仅与刀具制造质量有关，还与刀具的正确选用 和维护有关，因此，刀具的选用和维护直接影响 到盾构工程施工的安全性、可靠性和经济性，正 确的选用和维护，往往能起到事半功倍的效果。
• 轴承或密封损坏： • 轴承是刀具上的一种重要组件，对刀具掘进运转 的可靠性和刀具的消耗具有特别重要的影响。 正常使用状态下，大部分刀具轴承的寿命可达到 900小时左右。但在施工过程中,由于各种原因的 影响, 轴承会发生早期损坏，主要损坏形式为剥离： 滚道或滚动体表面剥离，呈凹凸状。保持架破坏 等。主要是刀具装配不到位或零部件性能、精度 不合格造成的。 • 刀体与刀盖之间的浮动密封失效造成刀具漏油， 泥沙进入刀体内影响轴承。造成刀具密封失效的 原因很多，通常与刀具零部件的自身质量和装配 质量，刀具的使用工况和所掘进的岩石条件等因 素有关。
• 3.2 根据地层选择刀盘刀具 • 地层不同,刀盘的结构及其刀具的组合布置、刀具 性能的要求也不同。根据地层一般把刀盘分为三 类：刮刀刀盘、滚刀刀盘和复合刀盘
• 刮刀刀盘 切削型刀具适用于未固结成岩的软土地层和某些全 风化或强风化的软岩地层，一般破岩能力在单轴抗 压强度20Mpa以下。对于如上海地区、天津、西 安、郑州等均一的软土地层，通常只使用刮刀类刀 具就可以了。这类刀盘结构相对简单，通常称为辐 条式刀盘或软土刀盘。 • 滚刀类刀盘 盘形滚刀适用于硬岩地层，对于均一的全断面硬岩 地层通常只用滚刀（配以刮板），铁路、公路隧道、 引水工程隧道常常是这类地层。作成的刀盘通常称 为硬岩刀盘或TBM刀盘，目前主要是17〞盘型滚 刀。如秦岭铁路隧道施工的TBM刀盘。
• 4.1刮刀（齿刀）的失效： 1）正常磨损 2) 刮刀刀刃崩裂：在硬岩掘进中，滚刀磨损太大， 刮刀直接切割未经滚刀破碎的硬岩；在硬岩中掘 进时，转速太快，突遇硬岩，冲击造成刀刃崩裂； 在硬岩掘进中，进刀太深等原因造成刀刃崩裂。 3) 刮刀刀体断裂：刀体本身的强度和韧性不够；进 刀太深。 4) 刮刀掉齿：合金刀齿的焊接工艺不过关；刮刀突 遇硬岩。
• 复合型刀盘 在盾构施工工程中，大部分地层往往是有软岩也 有硬岩，一段软一段硬，或上软下硬、密实胶结 卵石土等软硬不匀的地层,这种地层在广州地铁、 深圳地铁、成都地铁、北京地铁工程江底隧道中 普遍存在，这时刀盘的刀具不但要有滚刀，还要 有刮刀，即可安装滚刀,也可安装切削刀,这样的刀 盘通常称为复合刀盘或混合刀盘。如广州地铁盾 构刀盘，刀具的合理选择和应用在这类刀盘上也 显得尤为必要。
• 在西宁线桃花铺隧道施工中，采用威尔特TB880E 隧道掘进机，国产刀圈与维尔特刀圈对比如表。
• 一组国产刀具应用图片
• 国产面临的问题： • 1）实现标准化或通用化，达成批量化生产降低生 产成本、提高质量稳定性； • 2）刀具生产企业整体实力的提升； • 3）对国产刀具的正确认识
4、刀具的失效形式
• 根据安装位置滚刀可分为：正滚刀、中心滚刀、
边滚刀、扩孔滚刀。 盾构掘进机滚刀主要是盘形滚刀，盘形滚刀又有 单刃、双刃和多刃。根据刀刃外径的大小，又分 成13、15、17、19等规格，目前主要是17系列。
2、刀具的结构、材料和工作原理
• 2.1 盘型滚刀 • 滚刀结构如图所示。它们主要由刀圈、刀体(套)、 刀轴、轴承、金属浮动密封环、刀盖(座)及联接 螺栓等件组成。 滚刀的内部结构 滚刀的内部结构是保证滚刀 工作时正常旋转的关键，通 常是由轴承、密封、润滑油 脂组成。
• 刀具安装结构 安装结构是为了把滚刀即方便又可靠的安装在刀 盘上。常用的安装形式如下：
• 刀具刀圈结构形状 刀圈是用来破岩的，通常有齿形和盘形两大类， 每一类往往又有多种不同的刀刃形状。如下图.
• 刀圈的材料 • 根据刀圈的工作条件，刀圈材料应满足以下性能： 1)高的屈服强度，避免刀刃端在高应力下压溃变 形； 2) 足够高的硬度，增加耐磨性，减少刀圈磨损； 3) 良好的冲击韧性，提高材料裂纹扩展功，防止 刀圈断裂； 4)良好的抗回火性能，提高材料的热稳定性，保 证刀圈在热装和滚压岩体过程中不降低硬度。 5)良好的热加工和冷加工的工艺性能，材料成本 低，制造方便，提高产品合格率。 目前的滚刀刀圈有两大类：整体耐磨钢材料和镶 有硬质合金球齿的刀具材料。
• 3.4 单刃滚刀和双刃滚刀的应用 l7¨盘形滚刀有单刃滚刀和双刃滚刀，因其轴承、 密封和安装形式都一样，只是多加了一个刀圈， 所以双刃滚刀破岩能力较低，一般适应抗压强度 小于80 MPa的中软岩，滚刀起动扭矩一样的情况 下，由于两个刀圈有相对滑动，启动阻力大些， 不易偏磨，因此适应于软岩地层。单刃滚刀破岩 能力更强，适应范围更大些，在大于80MPa的中 硬岩层和更高的硬岩地层广泛应用。
• 4.2滚刀的失效形式主要是刀圈磨损，也有轴承、 密封早期失效、刀圈断裂现象。 • 刀圈的正常磨损 • 非均匀磨损（偏磨和弦磨） 滚刀刀圈周边各部位的磨损程度不一致，有单边 偏磨和多边偏磨。单边偏磨一般是滚刀不转造成 的，多边偏磨则是滚刀时转时不转造成的，造成 滚刀不能连续转动的原因除刀具制造方面外，主 要和地层及刀具配置、盾构操作有关。 • 刀圈崩块、断裂 滚刀刀圈在掘进过程中刃口位置崩块、开裂甚至 从刀体脱落。这和刀圈制造技术、地层条件和应 用都有关系，要区分分析。
• 正面区 该区处于中心区和边沿区之间，工作时刀具正对 着掌子面，有一定的转弯半径，是以所谓的纯滚 动工作，又有足够的布置空间，该区的刀具称为 正滚刀，在刀具掘进中，纯滚动无论是刀具轴承 寿命还是刀圈寿命都比较高，所以正滚刀寿命也 相对较长。 • 边缘区 该区位于刀盘的边沿，其刀具不但承担的破岩量 大，且刀具受力复杂，还要保证开挖直径，刀圈 所用磨损量较少（由35降到15），所以，常常布 刀量要多，刀间距减小。有些公司还对刀圈形状 和刀体进行特殊处理，作成专用边滚刀。但边滚 刀寿命还是较低。
• 刮削类刀具的工作原理 在推力的作用下，刮刀嵌如岩渣或岩层中，刀盘 带动刀具转动时刮削岩层，在掌子面形成一环环 犁沟，特点是效率高，刀盘转动阻力大。 在软土 地层或滚刀破碎后的渣土通过刮刀进行开挖，渣 土随刮刀正面进入渣槽。
3、刀具的应用及其适应性
• • • • • 3.1 刀具选用注意事项 1）安全、可靠，保证盾构施工顺利进行； 2）经济、适用，能降低工程成本； 3）通用性、方便更换，能减轻劳动强度； 4）要正确认识刀具是易损件，适用范围有限。
6、刀具的拆卸及安装
• 刀具现场的维修除要有专人负责、具有专用拆装 工具、严格的拆装工艺规程、检验、记录规定外， 特别强调如下： • 1) 重复使用零件严格按新件标准检验，特别是轴 承和旋转密封这样的关键件，用肉眼看可能没问 题，但实际上已报废了。不要因省小钱而废大钱， 经常有因螺丝、密封等小件质量问题造成整个刀 具报废的。 • 2) 装配过程中，对热装件（刀圈和轴承）严格控 制加热温度，对紧固件严格控制紧固力矩。选用 的刀圈要能满足工程地质实际需要。焊挡圈时一 定要保证不在刀圈上点火。
• 刀座有的是与刀体成一体的，有的是与刀体焊接 的。与刀体焊接的刀座材料一般是低碳低合金钢。 • 刀体对硬质合金刀刃起支撑和保护作用，要有足 够的强度和耐磨性。常常采用表面硬化技术或局 部堆焊耐磨层。 • 刮刀刃是刮刀刮削岩土和保护刀体不被磨损的关 键部位，通常是用硬质合金做成的。其大小和形 状根据部位、作用、地层设计。 • 刀刃与刀体的的连接是关键，具体工艺有钎焊、 镶嵌和镶嵌焊。钎焊时，焊料和焊接方法、工艺 是很关键的，焊料有铜基和银基两大类，焊接方 法有高频焊和真空焊等。
• 盘形滚刀工作原理 滚刀在推力和和滚动力（转矩）的作用下，推 力使刀圈压入岩体，滚动力使刀圈滚压岩体。通 过滚刀对岩体的挤压和剪切使岩体发生破碎，在 岩面上切出一系列的同心圆（见图）。
• 2.2 刮刀 刮刀是由刀座、刀体和刀刃三部分组成的，刀座 是与刀盘连接的部分，与刀盘的连接有焊接如先 行刀、螺栓连接如边刮刀、插销接如正面刮刀， 替换滚刀部位的齿刀或切刀与滚刀的安装方式相 同。
• 3.5 刀具布置及应用案例 • 在广州地铁二号线越三区间，地层为岩石抗压强 度为小于70 Mpa的中软岩地层，刀盘装有中心双 刃滚刀6把，双刃正滚刀13把，切刀64把，刮刀 16把，五环超挖刀1把，在较软的地层滚刀可以 更换为齿刀，增加了刀盘对不同地层的适应性。 完成二个区间掘进后，刀盘基本完好，平均掘进 220多米要更换部分刀具，最高日进度30 m，月 进度405 m。 • 在广州地铁三号线大汉区间，岩石抗压强度高 达156.5 MPa，刀盘装有中心双刃滚刀4把，单刃 正滚刀31把，切刀64把，刮刀8把，五环超挖刀1 把。在较软的岩石地层滚刀可以更换为齿刀，增 加刀盘对不同地层的适应性。目前广州、深圳的 地铁刀盘刀具布置基本上是这种布置。