淺談盾構機刀具的檢測與更換技術（shù）
2020-3-21 來源： 濟南中鐵重工軌道裝備有限公司 作者：李思南 王愛輝 唐恒 劉繼成
摘要：盾（dùn）構隧道掘進機，簡稱盾構機，是一種隧道掘進的專用工程機械。盾構（gòu）機的刀盤是破岩掘進（jìn）的主要（yào）部件，但在掘進過程中容易損壞並需要及（jí）時更換。基（jī）於此，主要（yào）分析了（le）盾構機刀盤上刀具的磨（mó）損檢測（cè）技術以及拆卸更換技術，列舉了多種盾構（gòu）機刀具磨損檢測的方法，逐一分析了每種方法（fǎ）的優勢和不足（zú），介紹（shào）帶壓和常壓兩種情況下的換刀作業，並以土壓盾構施工為例（lì）詳（xiáng）細介紹了帶壓（yā）換刀作業的具體流程和（hé）注（zhù）意事項。
關鍵詞：盾（dùn）構（gòu）機 刀具（jù） 磨（mó）損檢測技術 拆卸更換技術
盾構機的刀盤是盾構施工實現破岩掘進的主（zhǔ）要部件，其（qí）中起決定性作用的就是應用在（zài）刀盤上的各類盾構刀（dāo）具。盾構刀具（jù）的種類分為滾刀（dāo）、撕裂（liè）刀、刮刀等很多種（zhǒng），用於應對各種複雜的地質條件，但由於盾構機的刀具在掘進過程中直接與岩石接觸，隨著刀盤的（de）轉動，接觸應力波動範圍較大，再加上地下岩層的不確定性，往往導致刀具的使用壽命並不長。在刀具損毀（huǐ）的情況下（xià），為能夠第一時間發現，最快速（sù）度更換，高效正（zhèng）常地進行盾構施工（gōng），刀具的磨（mó）損檢測以及更換技術成為盾（dùn）構施工中一項非常重要（yào）的技術。
1、刀具的磨損檢測技術
盾構機的刀具往往會因為磨損嚴重而導致失效，其中，常見的失效形式有：刀圈磨損或斷裂（liè）、崩刃、弦磨、刀圈鬆動、軸承磨損失（shī）效等。除刀圈的磨損為正常損壞以外，其餘失效形式均屬於非正（zhèng）常損壞。目前，常用的刀具的磨損失效檢測技術主要有以下五種：增加刀具磨（mó）損感應裝置；使用異味添加劑；分析掘進參數；分（fèn）析渣土形狀以及開（kāi）艙檢查。
1.1 增加刀（dāo）具磨損感應裝置
在刀具或刀盤內安裝液壓或電子（zǐ）傳感器係統，一（yī）旦刀具磨（mó）損到一定程度就（jiù）會自動提示報警。圖 1 為帶有磨（mó）損檢測器的（de）掛刀原理圖。該係統由探測部分、發訊部分、接（jiē）收部分三部（bù）分組成，采用線路連接，可同時在到盤上安裝多個這種帶有檢測器的刀（dāo）具，使檢測結果更加（jiā）及時準確（què）。
圖 1 帶（dài）有磨損檢測器的刮刀原理圖（tú）
而應用於滾刀上的磨損檢測裝（zhuāng）置，比較常見的則是采用液壓油缸從刀盤伸出至滾刀刀尖（jiān），通過比較伸出（chū）的行程與最開始行程的差值判斷（duàn）滾刀的磨損量。此外，還有一（yī）些（xiē）采用液壓短路（lù）、光纖維短路或（huò）者超聲波等方式來判斷滾刀磨損的檢測裝置（zhì）。
1.2 使用異味添加劑
使用異味添加劑這（zhè）種方法廣泛應用於 TBM（硬岩掘進機）中，主（zhǔ）要原理是在滾（gǔn）刀的軸承潤（rùn）滑油中，添加一種具有刺鼻異味的添加劑，當掘進過程中（zhōng）滾刀因磨損出現漏油的情況，施工作業人員（yuán）會在第一（yī）時間聞到添（tiān）加劑泄露散發出的刺鼻氣味，從而快速準確地獲得刀具磨損失效的信息，在第一時間停機並對刀具進行更換。
這種檢測方法同樣也存在一定的弊端，比如，在不進入土倉時無法準確判斷需要更換的刀具具體位置；在漏油前無法判斷刀具的磨損（sǔn）情況；適用範圍不廣，並不適（shì）用（yòng）於土壓平衡盾構（gòu）施工或泥水盾構施（shī）工。
1.3 分析掘進參數
隨著刀具的磨損，在推力不變的情況下（xià），掘進速度一般會越來（lái）越低，扭矩越來越高，根據這些數據同樣可以估測刀具的磨損狀（zhuàng）況。但是，由於掘進的速（sù）度和扭矩受（shòu）到很多因素的影響，如轉速的變化、推力的變化、地層的變化以及土壓的變化（huà）等，所以單憑掘金的參數往往還是難以直接得到準確的結論。
1.4 分析渣土形狀
分析渣土形（xíng）狀顧名思義就是根據排出渣土的形狀、大小、成分等來判斷（duàn）刀具的磨損狀況。一般情況下（xià），新刀切削下來的岩石塊度較大（dà），大多為棱角分明的片塊狀；在刀具磨損後，岩石的塊度就會變小，同時還會夾雜（zá）較多的粉（fěn）末一並排出。另外，還可以通過觀察排出的渣土中有無金屬塊狀物（wù），這些金屬極有可能就是崩裂的刀圈或其他刀具。
1.5 開艙檢（jiǎn）查（chá）
開艙檢（jiǎn）查是最常用（yòng）也是最可靠（kào）的方法，在停機後由工人進艙刀具逐個（gè）進行排查，從而（ér）了解刀具的磨損情況（kuàng）。需要注意的是在不穩定（dìng）的地層中，需要在開艙前進行加壓（yā）或對土體（tǐ）加固處（chù）理，因此，是這五種方案中（zhōng）危險係數最大的。
2、刀具的更換技術
2.1 準備工（gōng）作
當通過檢測發現存在磨損失效的刀具時，就（jiù）必（bì）須（xū）及時安排人（rén）員進入土倉進行換（huàn）刀作業。刀具的更換是一項十分複雜的工作，必須（xū）在確保（bǎo）人（rén）身安全的前提下進行，因此（cǐ），在更換刀（dāo）具之前必（bì）須做好充分的準備工作（zuò）。
（1）在進行（háng）換刀作業之（zhī）前，首先必須（xū）對施工情況有一個整體規劃，對施工區地質情況需要調查清楚，重點留意施工的重難點，並提前策劃好應對各重難點的技術方案。
開倉之前應與盾構機主司機及土木工（gōng）程師共同討論，落實（shí）刀具損壞情況，確定（dìng）出最佳的開倉換刀方案，同時備好所需的（de）材（cái）料和工具，提前做好人（rén）員培訓工作。
（2）材料與設（shè）備的準備（bèi）工作是（shì）決定換刀效率快（kuài）慢的重要因素，物資和材料準備得充分，往往使換刀工作（zuò）能夠達到事半功（gōng）倍的效果。此（cǐ）外，換刀作業需要用到的工具同樣決定了換刀作業的效率，提前準備好包括風動扳手、手拉葫蘆等先進的作業工具，同時檢查盾構機各個（gè）係統的運（yùn）行情況，做好水電以及高壓（yā）空（kōng）氣的供應工作，確保作業人員在一個良好的環境內進行換刀作業。
（3）盾構機的換刀是一項十分危險的作業工序，因此，除換刀作業人（rén）員外，還必（bì）須單（dān）獨組織成立一個應急救援小隊。救援小隊成員必（bì）須經過專業的培訓且具有換（huàn）刀作業的經驗（yàn），以防止意外情況發（fā）生。
（4）開倉前需要嚴格執行規定的審查流程，先由工程（chéng）部門討（tǎo）論並總結出開倉相（xiàng）關（guān）技術方案，經過土木總工程師和機電（diàn）總工程師審查（chá）確認，報項目經理並簽發，最後經過業主和監理（lǐ）同意後，方可開（kāi）倉（cāng）換（huàn）刀。
2.2 刀具的更（gèng）換流程
以盤形滾刀為例，刀具的更（gèng）換作（zuò）業必須按部就班的進行。首先是換刀的順序，一般情況下，應從中（zhōng）心滾刀開始，隨後（hòu）依（yī）次向外，對每個滾刀逐一檢查並更換。當檢查到磨損失效的刀具時，需先用懸（xuán）掛（guà）在土倉頂部吊耳（ěr）上的手動倒鏈將失效滾刀運（yùn）出，再將裝配位置清洗（xǐ）幹淨，之後依次（cì）將新刀具運送進入土倉並逐個進行安裝。安裝完畢後必須用扭矩扳手緊固所有螺栓達到規定扭矩並做好標記。
在（zài）換刀（dāo）作業時需要注意以下幾點：
（1）磨損後的刀具並不一定沒有使用價值，按照規定，單刃（rèn）正麵滾刀的最大磨損極限為 25mm，而單刃側（cè）麵滾刀的最大磨損極限為 15mm，因此，為了（le）節約成本，更換下來的側麵滾刀有時還可繼續用作正麵滾刀。
（2）為平（píng）均每一個刀具的貫（guàn）入量及受力情況，相鄰的（de）兩個刀具最大（dà）磨損量差值不得超過 15mm，如（rú）出現相鄰刀具最（zuì）大磨損差值（zhí）大於 15mm 的情況，應立即對其中磨損較嚴（yán）重的刀具進（jìn）行拆卸並更換。
（3）為確保刀具刀軸螺栓的緊固，建（jiàn）議在（zài）盾構機掘進一至兩環後，對刀具螺栓進行二次緊固。
2.3 常壓情況（kuàng）下的換刀作業
當盾構掘進的地層為穩定性較強的硬岩或自穩能力強的地層（céng）時（shí），可視具體情況采（cǎi）用不（bú）帶壓進倉，在常壓環境下進（jìn）行換（huàn）刀作業。
常壓狀態下的換刀作業操作流程從（cóng）前往（wǎng）後大致分為下（xià）幾步：刀盤刀具的（de）清理工作、刀具（jù）磨損情況的檢查評估工作、換刀計劃的製定工作、損壞失效刀具的拆除工作、新刀具的安（ān）裝工（gōng）作、刀具更換（huàn）的記錄工作、設備運行前的整體檢查工作。為了設備的正常（cháng）運行，上述幾個步驟缺一不可。
2.4 帶壓情況（kuàng）下（xià）的換（huàn）刀（dāo）作業
泥水盾構（gòu）施工和（hé）土壓平衡盾構（gòu）施工時，由（yóu）於開挖地層不穩定，在不加壓（yā）的情況下易發生（shēng）塌（tā）陷，因此，在刀具磨損失效時，則需要施工人員在帶壓環境下進倉（cāng）對（duì）刀具進行檢查和更換（huàn）。人員（yuán）艙的加壓（yā）與減壓（yā）必須嚴格按照國家《空氣（qì）潛水減壓技術要求（qiú）》GB1251-2008 所規定（dìng）的原則執（zhí）行，不能擅自更（gèng）改（gǎi）調整。以土壓平衡盾構施工的帶壓換刀為例，帶壓換刀（dāo）前首先要保證具備以下（xià）幾個條件：
（1）帶壓換刀地段土倉應具有（yǒu）良好的氣密性，保（bǎo）證不會發（fā）生較大的氣體泄（xiè）漏，如氣密性不（bú）好需進行加固處（chù）理。
（2）刀盤的前（qián）方不能（néng）出現股狀水，如出現股狀流水必須提前進行加固。
（3）土壓最大不得超過 0.36Mpa。
確認帶壓換刀條件允許後，即可開始進（jìn）行帶壓換刀作業（yè），帶壓換刀主要原理是（shì）通過在土倉內建立合理的氣壓用來平衡周圍水土的壓力（lì），從而實現穩定掌子麵、防止地下水外滲（shèn）的作用，為刀具更換提供（gòng）良好的作業環境。土壓平衡盾構帶壓換刀作業（yè）工藝流程大致分為以下幾步：停機→土倉注膨潤土→超前注漿加固→出土至人倉口以下→檢（jiǎn）測氣（qì）密性→確定壓力→帶（dài）壓檢查→帶壓換刀作業→脫困掘進（jìn）→正常掘進。
其中，檢（jiǎn）測氣密性不隻是針對土倉，還要對人員艙進行氣密性實驗。如果人員艙出現漏氣現象，則需要立即對人員艙門（mén）進行密封處理；如果土倉氣密性不好，則需要返回之前的步驟，再注入膨潤土和注漿加固，直到保證土倉在兩小時（shí）內壓力不會發生波動（dòng）為止。
帶壓檢查要求專業工程技術人員帶壓進入土倉，對當前地質情況以及刀具的狀況（kuàng）進行檢（jiǎn）查並確認，根據（jù）檢查結果製定換刀方案，同（tóng）時（shí），安排各項準備工作。其中，對地質情況（kuàng）的檢查內容（róng）主要是（shì）：地層加固效果、土倉透水情況、地層取樣、掌子麵地質情（qíng）況等；刀具的檢查內容主要是：檢測刀具磨損量、檢測刀盤麵板磨（mó）損量以及其他關鍵部位磨損情況。
施工人員在帶壓換刀作業必須嚴格按照技術部門製（zhì）定的方案進（jìn）行，配合盾構（gòu）機操作人員以及緊急救援人員，逐（zhú）一對磨損失效的刀具進行拆（chāi）卸和更（gèng）換。更換刀具建議按照先易後難的原則進（jìn）行，優先處理便於更換的刀具（jù）。拆卸螺栓（shuān）使用氣動扳手，緊固螺栓使（shǐ）用手動扭矩扳手，充（chōng）分保證刀具安裝的質量。需要注（zhù）意的是為了安全起（qǐ）見，帶壓（yā）作業嚴禁使用電動工具，因此，在拆除刀具時如（rú）出現（xiàn）斷（duàn）螺（luó）栓情況，通常會采（cǎi）用兩種處理方法：當出現（xiàn）螺栓（shuān）斷裂且斷麵在（zài）螺孔外的情況時，直接（jiē）使用扳手拆除即可；當出現（xiàn）螺（luó）栓斷裂且斷麵在螺孔內（nèi）的情況時，需要先（xiān）用風動手鑽打孔，再用取絲器取出斷裂的螺栓。另外，若刀具發生了偏磨現象，則掌子（zǐ）麵就會出現突出（chū）於掌子麵的岩（yán）石（shí），若換上新刀具後沒有處理就開始掘進，會導致新換刀具在一開始掘進就以很大的貫入量切削岩石，使刀具極易出現偏載現象，對刀具的損害非常大，嚴重影響（xiǎng）施工效率，因此，為避免上述情況發生，當發現舊（jiù）刀具存在偏磨現（xiàn）象時，在刀具更換完成（chéng）後（hòu）必須將突出的岩（yán）石進行切削處理。
長期（qī）處於（yú）帶壓環境下會使人（rén）感到疲勞，因此，作業人員在帶壓環境下最多不得超（chāo）過三個小時，如作業超過（guò）三小時，作業（yè）人員需（xū）要立即出倉休息，並安排新一組人員進倉作業。所有刀具的檢查更換工（gōng）作都進行完畢（bì）後，作業人（rén）員（yuán）需將所有帶入土倉的作業工具（jù）全部拿出，後由技術人員對（duì）更換完成的刀具的質量做最後的（de）檢（jiǎn）查，確認所有人員及作業工具都離開（kāi）土（tǔ）倉（cāng）後（hòu），關閉倉門繼續掘（jué）進工作。
3、結語
隨著科技的發展，21 世（shì）紀是隧道及地下空間大（dà）發展的時代，中國作為世界上最大的隧道（dào）及地下工程施工（gōng）市場，前景十分廣闊。盾構機的（de）刀具的檢測（cè）技術和更（gèng）換技術在近幾年發展迅速，針對各種複雜的地質條件，對（duì）應研（yán）發出了各種不同的刀具檢測和刀具（jù）更（gèng）換技術，掘進效率逐步提高，施工安全性也得到（dào）了極大保障。目前，刀具的檢測技術已經實現了機器遠程檢測，未來將主要以提高檢測的精度為目的（de）進一步發展刀具的檢測技術。至於刀具（jù）的更換技術，目前還必須由作業人員親自進入（rù）土倉（cāng）進行更換，如（rú）未來（lái）能夠突破換刀自動化的瓶（píng）頸，實現換刀機械或換刀機器人代替人工進行換刀作業，不僅能節省人力物力（lì）資源，還能極大提高工（gōng）作效率，保障施工作業安全。
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