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地铁盾构施工刀具管理与维修技术
【摘 要】近年来盾构施工普遍用于地铁建设,盾构施工适用于各类复杂地层,刀盘的配置及刀具的选用非常关键,刀具成本一般占总成本的 15% ～ 20%.因此,建立合理的刀具管理制度和提高刀具利用率是盾构施工中一大技术点,刀具维修与刀具管理技术成为了降低项目成本主要手段.
【关键词】盾构施工；刀具维修；刀具管理
1.刀盘特点
根据地质条件划分,一般把刀盘分为软土刀盘、硬岩刀盘和复合刀盘.软岩刀盘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 30MPa 以下.上海地区、天津等软地层,使用刮刀类刀具,刀盘结构相对简单,通常称为软土刀盘.硬岩刀盘适用于已经成形的硬岩地层,一般破岩能力在单轴抗压强度 30MPa 以上.现正在施工的成都地铁、山西引黄等工程,通常使用配有刮板的滚刀.
复合型刀盘适用于软硬不均、上软下硬、密实胶结卵石土等软硬不匀的地层.刀盘上刀具配置滚刀和刮刀,滚刀主要作用是破岩,刮刀作用是清理掌子面泥土或碎石,这样的刀盘通常称为复合刀盘.广州、深圳、南宁等地地质复杂多变,主要使用复合型刀盘的盾构机.
2.刀具的维修技术
2.1 刀具类型
2.1.1 刀具的分类.目前使用的刀具一般分为刮刀和滚刀两大类.刮刀是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具.刮刀的种类繁多,常用的刮刀有边缘刮刀、齿刀、先行刀、贝壳刀、鱼尾刀等.滚刀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、盘形滚刀.
2.1.2 滚刀的结构组成.滚刀结构主要由刀圈、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.滚刀的内部结构是保证滚刀工作时正常的关键,通常是由轴承、密封、润滑油脂组成.
2.1.3 滚刀刀圈的材料.根据刀圈的工作条件,刀圈材料应满足较高的屈服强度,避免刀刃端在高应力下压溃变形；较高的硬度,增加耐磨性,减少刀圈磨损；良好的冲击韧性,提高材料裂纹扩展功,防止刀圈断裂；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；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,是占领市场的有效途径.
2.2 刀具损坏的判断标准
2.2.1 刮刀损坏的类型及原因分析
（1）正常磨损.在掘进过程中刀具与岩土的正常磨损.（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,会导致刮刀的崩裂；在岩层中掘进时,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,进尺太深,都会造成刮刀刀体的断裂.（4）刮刀掉齿.合金刀齿的焊接工艺不过关,或者刮刀突遇硬岩时都会造成刮刀掉齿.
2.2.2 滚刀损坏类型及原因分析
（1）刀圈的正常磨损.（2）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.（3）刀圈崩块、断裂.崩块主要是刀具与岩层碰撞造成的,断裂通常是刀具受力过载造成；这与刀圈原材料及制造技术、地质条件和盾构操作技术都有关系,需对各个数据具体分析.（4）轴承或密封损坏.大部分刀具轴承的寿命可达到 900h.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,主要损坏表现为剥离,密封圈损坏进泥、呈凹凸状等.
2.3 刀具维修
2.3.1 刀具维修项目判定
对刀具进行清理、拆解后,根据刀具的情况对需要维修的项目进行判定.
2.3.2 部件更换
刀具的维修包括多个步骤,需要严格进行,保证刀具的维修质量.
2.3.3 刀具装配
在装配过程中,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；选用适合地质条件的刀圈；焊挡圈时不能在刀圈上点火.刀具在装配前必须调配好静态扭矩,因滚刀静转矩对整个滚刀的使用性能影响很大.若静态扭矩太大,岩土对滚刀提供的主动转矩不足以克服滚刀静转矩,刀圈不会转动,刀圈偏磨；如果静态扭矩太小,轴承的游隙太大,承受力的轴承滚子少,容易使受力集中的滚子崩裂.滚刀静转矩主要由密封环阻力矩和轴承阻力矩决定.刀具装配过程中,如果密封件规格、尺寸、安装槽尺寸、润滑油（黏度）决定后,则静态扭矩通常是一个定值,静态扭矩的调整主要与轴承阻力矩的设定有关.
2.3.4 维修后的标识
刀具维修好后,详细记录刀具维修情况并备案.维修好的刀具使用自喷漆进行编号,防止新、旧刀具混淆.临近使用时,测一下刀具扭矩,若与存放时悬殊较大,则需要跑和达到初始扭矩.3、刀具管理
3.1 刀具管理重要性
刀具管理在盾构施工中有着重要的位置,制定合理的刀具管理计划和方案对保证进度、控制成本和施工安全均起着重要的作用.如果施工中刀具管理不到位会直接增加换刀次数,影响施工进度,严重时会对刀盘造成破坏.特别是在全断面硬岩段、软硬不均段、全断面岩层段中掘进施工时更需要详细考虑,需要制定合理的刀具管理计划进行刀具管理.
3.2 掘进中的刀具管理
3.2.1 推进控制
控制油缸推力在一定范围内.如果推力太大,则会使刀圈受力过大,导致刀圈断裂；如果太小,作用在刀圈上的摩擦力小,导致刀具不能转动,产生偏磨.控制刀盘转速.在硬岩中掘进时如果刀盘转速过大,则会使刀盘在经过岩层交界面时刀具受到冲击力过大,造成刀具损坏.控制掘进速度.如果速度过快,则刀具贯入量过大,会导致刀具过度的磨损.
3.2.2 碴土改良
国内外在复杂地层中的盾构施工经验,进行碴土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速施工的一项不可缺少的重要技术手段.碴土改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土舱或螺旋输送机内注入泡沫或膨润土,利用刀盘的旋转搅拌、土舱搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土碴混合,其主要目的就是要使盾构切削下来的碴土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力,以达到不结泥饼,对刀具减少摩擦阻力,不敷刀箱等目的.进而有效延长了刀具使用寿命.
3.2.3 合理配置刀具
首先了解各个厂家刀具的特点,比如刀具刀圈强度、韧性、承受最大荷载等；其次对更换的刀具掘进环数、线里程、刀盘上位置等数据进行分析.在强度不同的地层分别试用不同厂家的刀具进行试验,相互对比分析得出各个厂家刀具适合的哪一类地质情况.根据以上数据进行综合分析,最后达到最优配置刀具方案.
结论：
刀具维修技术与管理制度对于盾构掘进效率有着非常重要的作用,同时在盾构施工中还需合理地选取掘进参数（如总推力、贯入度、刀盘转速、扭矩等）,最大程度地延长刀具的使用寿命,减少换刀频率,降低施工中频繁换刀的风险.做好对刀具的检测、分析、比较,总结刀具的使用经验,将结果及时反馈,才能更好地指导后续施工.
参考文献：
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[2] 陈伟 . 某地铁盾构始发段试掘进技术及控制 [J]. 企业科技与发展 : 下半月 ,2013,(7):81-82.
盾构施工论文范文结:
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