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摘要：盾构机在掘进过程中通过硬岩地段时，刀具、刀盘极易损坏，这种情况下，换刀、修复刀盘的技术就显得尤为重要。本文对盾构机在掘进过程中刀具、刀盘的损坏情况进行了分析，并提出了维修措施。
关键词：盾构机；刀具，损坏，维修
盾构机在掘进的过程中，往往会遇到各种复杂的地形。由于底层的变化性非常大，这就决定了盾构机在刀盘的配置及刀具的选择上非常关键，刀盘的配置及刀具的选择要根据地质条件来选择。合理的刀盘配置及刀具选择对与保证刀具的使用寿命，工程的顺利进行具有重要意义。
1盾构刀具
1.1刀具的破岩原理
盾构刀具的破岩方式分为滚压破岩和切削破岩。
1.1.1滚压破岩
滚压破岩是在底层中利用盘形滚刀滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用来破碎岩石。滚压破岩一般适用于岩石、硬土层及含有砂粒和卵石地质的破碎。其使用的主要刀具为滚刀。
1.1.2切削破岩
切削破岩是通过切刀刀刃施力将岩体外层剪切剥离的方式来破碎岩石。切削破岩一般适用于土、砂层和软岩地质的破碎。其主要适用的刀具为切刀。
1.2刀具的选择
盾构机的刀具要根据施工地区地质特点来选择适用的刀具进行碎岩作业。
2盾构掘进速度和刀具消耗对盾构施工的影响
刀具的更换主要是根具两点来进行判断的。一是刀具是否适合当前岩层的掘进作业，通常情况下，在盾构掘进的过程中，要结合前期工程地质勘察的结果来对地层进行初步分析。再结合掘进中土层的剥离情况对当前的岩层进行判断，以选择使用的刀具，如果有必要，可以开仓进行检验，以保证分析结果的准确性。二是刀具的磨损程度是否达到了设计磨损值以及刀具是否损坏。首先结合盾构掘进时，不同地层对刀具的磨损量以及掘进的速度来进行判断刀具的磨损量，然后开仓验证，以此来作为更换刀具的依据。刀具的具体损耗量的计算要通过刀具的运行距离与掘进的速度计算处刀具在进行每一环距离内体积的磨损量，然后在用隧道的中提掘进体积来除以这个值，就能得到一个刀具消耗数量的大概值（不考虑遇到特殊情况）。
3刀具到盘的检查及更换
3.1刀盘刀具的检查
（1）刀盘检查
检查刀盘的具体磨损程度，检查主轴承及密封油脂的状况是否正常；检查刀盘面板以及辐条支柱是否开裂或者发生变形。
（2）刀具检查
检查刀盘上所有刀具是否牢固，其固定螺栓是否有松动、脱落以及损坏的现象；检查挡圈是否有断裂或者脱落现象。如果刀圈脱落，还要检查刀圈是否发生移位，检查刀圈是否保持完好，有无发生
（3）刀圈磨损量计量
在刀圈没有发生损坏现象的情况下，正确测量刀圈的磨损量是判断刀具是否需要跟換的主要依据，刀圈的磨损量的测量需要采用特制的模板进行。
3.2刀具更换的原则
正确合理的进行刀具的更换，可以减少刀具的非正常损坏以及降低刀具出现意外损坏进行跟换时所消耗的时间，这样可以有利与提高工作效率，降低刀具的损耗。刀具的更换要按照“合理、批量、快速”的原则进行。
（1）“合理”原则
刀具更换的“合理”原则主要有两方面：一是刀具类型与地质的适应性；二是刀具更换计划的合理性。刀具类型是否适应被掘进的地层岩性。在硬岩地层中掘进应以滚刀破岩为主，软岩地层中以切刀和齿刀为主，施工中应根据地层性质选择刀具的配置，以确保刀具对地层的适应性和施工的可靠性。
根据地质情况及刀具使用时间预先估计刀具磨损量，提前提出合理的刀具更换计划，正常磨损换刀的极限值：中心双刃滚刀25 （20） mm，正滚刀25 （20）mm；边滚刀20 （15） mm，括号内数字为实际换刀控制值。刀圈磨损应在可控范围内，保证刀盘和刀具的良好性能和隧道的精确尺寸，新旧刀具刀圈安装过渡合理，软岩地层控制在10mm内，硬岩地层控制在6mm内，防止刀具局部受力造成意外损坏。
（2）“批量”原则
为了保证刀具破岩的效率，减少刀具更换频率，有计划地进行批量换刀，具体为边刀批量，正滚刀批量，中心刀批量，刮刀切刀批量。
（3）“快速”原则
由于刀具更换在近似密闭的仓内进行，前部为掌子面，地质的不可预测因素客观存在，为了保证换刀人员和机械设备的安全，采用快速有效的换刀。
3.3刀具更换时刀盘转角位置的确定
盾构机刀具更换前必须确定刀盘转角位置，防止刀盘开口对准土仓口，以保证进仓作业人员的安全。对刀盘的定位需要确定刀盘在任一时刻相对同一参照物的旋转角度，对于海瑞克盾构机，可以利用仿形刀的旋转角度测量传感器对刀盘进行定位。仿形刀角度在工控机F2屏幕中显示，仿形刀在底部时其角度为0°，从刀盘前方看逆时针旋转仿形刀从0°-360°增加，可以根据仿形刀所在的位置来确定其它刀具的相对位置。
3.4刀具更换程序
当盾构机在硬岩或自稳能力较强的地段掘进时，地层本身有自稳能力，这种情况下可在无压条件下直接进入刀盘作业。
3.4.1总体规划
刀具工程师在日常工作中多与土木工程师沟通，加强对地质情况的了解，并密切注意地质资料中反映的施工重点和难点。
在制定刀具及刀具配件计划时，充分估计到特殊区段对刀具的破坏程度，制定换刀计划时，及时有效地与土木工程师、掘进司机沟通，确定最佳的开仓地点。还要初步提出刀具更换方案的同时，提前做好设备、材料的准备，人员的培训等。
3.4.2设备物资供应
充分的设备与材料的准备，是实现快速完成换刀任务的根本保证。在确保常用设备（机具）、材料到位的情况下，使用更为先进的工具如：风动吊机、倒链、 风动扳手等是很必要的。
开仓换刀前对盾构机各个系统的检查和调试是很重要的工作，作好风水电等各个方面的的协调工作，保证换刀过程中必要的良好的工作环境。
3.4.3人员培训
培训一批技术熟练，身体素质较好的换刀工人是保证换刀质量和速度的前提。培训的内容主要包括：
（1）换刀的工具的操作及维修；
（2）各种类型刀具更换的安全操作规程：刀盘上刀具的布置，并具有对刀具使用状态做出合理判断的能力；能判断一把待安装刀具是否满足安装条件；.具备对紧急情况的应付能力；
3.4.4成立紧急救援小组
换刀作业是一种非常危险的作业程序，成立必要的紧急救援小组，防止意外发生的紧急处理，形成制度，引起全员注意。
3.4.5开仓审批
开仓技术方案经过工程部与设物部讨论，由机电总工和土木总工确认，报项目经理签发，并经监理工程师和业主审批同意后方可开仓，责任落实到人，严格按既定开仓程序进行。
3.4.6刀具更换
（1）刀盘清理
打开仓门后，先向碴仓内输送高压风5-10分钟，用以给刀盘降温和输送氧气，然后用水将刀盘冲洗干净，特别是需要更换的刀位。同时螺旋输送机将碴仓内的碴出至主轴承以下的位置，以便于检查中心部位的刀具。
（2）刀具拆除
刀盘冲洗干净后，利用大扭矩的风动扳手将需更换刀具的螺栓拆下，并将刀具运送出碴仓，同时将需安装的新刀具吊到位。对于在换刀中常常碰到的因变形严重难以取出的中心刀具螺栓，采用割除螺栓螺帽的方法拆除。为避免会对刀座、刀具螺栓孔产生破坏，在割除时需注意以下几点：割枪的火焰不能调的太大、太快，以免火焰伤到刀座、刀具螺栓孔。对刚利用割除方法拆下螺栓的螺栓孔不能立即用水冲洗，以免螺栓孔收缩太快而产生变形。
（3）刀具安装
在清洁时，特别要注意螺栓孔和螺栓的清洁。一般情况下，刀座螺栓孔、刀具螺栓先用高压水冲洗，再用钢丝刷将螺纹刷干净，最后用高压风吹干或用毛巾擦干。
对采用割除等方法而遭到损伤的接触面要进行修复、打磨。对刀孔、刀具所有装配表面先用高壓水冲洗，而后用高压风吹干、吹净。刀具在运输过程中造成的装配表面的毛刺，必须进行打磨处理。
螺栓的紧固力矩不允许超过或低于其额定值，必须严格按照刀具螺栓的紧固扭矩紧固螺栓。
3.5安装注意事项
（1） 更换刀具前检查所使用工具等是否处于完好状态。
（2）严格按照刀具的拆装工序工艺要求进行，保证装配面的清洁、刀具位置对中。
（3）刀具更换完毕后认真检查更换时所用的工具，防止遗忘在土舱内，盾构掘进时对设备产生破坏。
（4）做好详细的刀具更换记录。
3.6整体检查
完成刀具更换后，转动并检查刀盘，观察每把刀具的转动情况，确认相邻刀位的刀具磨损量相差不超过10mm。检查确认土仓内没有人员、换刀工具或者其它物品后关闭仓门，准备掘进。刀盘以0. 8转/分的低速空转10-15分钟，直到刀盘扭矩值很小且没有大的变化，逐渐加大推力，并保持1到2环的低推力推进，根据掘进情况和碴土状态选取合适的掘进参数，防止刀具过载造成损坏。
4刀具维修的关键技术
4.1刀圈的正确安装
刀圈一般采用特殊钢种，硬度、韧性、耐磨性、刚性等力学性能要求良好，金相组织一般为铁，钻，镍，钥，钒等。刀圈内径与刀体的配合直径一般在285mm左右，过盈配合量一般在0.24mm- 0.30mm之间。一般采用基轴制进行选择刀圈，也可采用基孔制选用刀体。
刀圈的安装一般为热装，即采用工业烤箱进行刀圈的加热，一般加热到200℃左右，加热2h，然后套装于刀体正确位置。
4.2轴承的检查及预紧度的调整
盾构机刀具轴承根据其使用场合，一般采用受径向力为主圆锥滚子轴承，轴承失效一般以滚动体和内外圈滚道点蚀为主，还存在刀具密封的失效，引起润滑油的泄漏，导致轴承的烧蚀，盾构机掘进参数的不合理调整（如推力的突然增大），引起轴承滚子散架或破碎等。
一般采用调整两轴承之间隔圈厚度的方法调整刀具轴承预紧度，从而保证刀具的启动力矩和回转力矩在规定值之内。施工经验表明此数值只适合微风化和中风化地层，对于软岩地层应进行适当的调整。
4.3密封的安装及气密性的检查
刀具密封安装时注意两密封表面的配合光洁度和平面度在规定要求之内，安装前应进行动密封的清洁和研磨。
刀具维修完毕后应进行刀具的气密性的检查，即向刀体内通入规定气压的压缩空气，在规定的时间内保压，应该符合规定要求。
5总结
要想使盾构施工的过程安全、高效。必须要有好的规章制度、较高的施工技术水平、安全较低技术和基本的开仓程序，还必须要有熟练的专项技术以及科学合理的施工工序。通过精心的组织和准备及时的发现刀盘和刀具的问题，并采取相应的维修和更换措施，这样才能有效的提高盾构的速度，提高技术水平，为工程的建设节省工期。在盾构过程中，盾构单盘和刀具的维修对掌握隧道施工的安全、控制施工进度有着重要的意义。
参考文献：
[1]刘进志，智小慧，郭京波.盾构掘削刀具简述[J].工程机械，2009，（6）： 50-53.
[2]黄丙庆.盾构机刀盘设计参数的适应性研究[D].天津：天津大学，2008.
[3]王小忠.盾构机在长距离硬岩中掘进的探讨[J].铁道工程学报，2006，，（4）： 52-56.
[4]王云飞.IHI盾构及单盘的维修技术[J].工程材料与设备，2011，（3）：128.
关键词：盾构机；刀具，损坏，维修
盾构机在掘进的过程中，往往会遇到各种复杂的地形。由于底层的变化性非常大，这就决定了盾构机在刀盘的配置及刀具的选择上非常关键，刀盘的配置及刀具的选择要根据地质条件来选择。合理的刀盘配置及刀具选择对与保证刀具的使用寿命，工程的顺利进行具有重要意义。
1盾构刀具
1.1刀具的破岩原理
盾构刀具的破岩方式分为滚压破岩和切削破岩。
1.1.1滚压破岩
滚压破岩是在底层中利用盘形滚刀滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用来破碎岩石。滚压破岩一般适用于岩石、硬土层及含有砂粒和卵石地质的破碎。其使用的主要刀具为滚刀。
1.1.2切削破岩
切削破岩是通过切刀刀刃施力将岩体外层剪切剥离的方式来破碎岩石。切削破岩一般适用于土、砂层和软岩地质的破碎。其主要适用的刀具为切刀。
1.2刀具的选择
盾构机的刀具要根据施工地区地质特点来选择适用的刀具进行碎岩作业。
2盾构掘进速度和刀具消耗对盾构施工的影响
刀具的更换主要是根具两点来进行判断的。一是刀具是否适合当前岩层的掘进作业，通常情况下，在盾构掘进的过程中，要结合前期工程地质勘察的结果来对地层进行初步分析。再结合掘进中土层的剥离情况对当前的岩层进行判断，以选择使用的刀具，如果有必要，可以开仓进行检验，以保证分析结果的准确性。二是刀具的磨损程度是否达到了设计磨损值以及刀具是否损坏。首先结合盾构掘进时，不同地层对刀具的磨损量以及掘进的速度来进行判断刀具的磨损量，然后开仓验证，以此来作为更换刀具的依据。刀具的具体损耗量的计算要通过刀具的运行距离与掘进的速度计算处刀具在进行每一环距离内体积的磨损量，然后在用隧道的中提掘进体积来除以这个值，就能得到一个刀具消耗数量的大概值（不考虑遇到特殊情况）。
3刀具到盘的检查及更换
3.1刀盘刀具的检查
（1）刀盘检查
检查刀盘的具体磨损程度，检查主轴承及密封油脂的状况是否正常；检查刀盘面板以及辐条支柱是否开裂或者发生变形。
（2）刀具检查
检查刀盘上所有刀具是否牢固，其固定螺栓是否有松动、脱落以及损坏的现象；检查挡圈是否有断裂或者脱落现象。如果刀圈脱落，还要检查刀圈是否发生移位，检查刀圈是否保持完好，有无发生
（3）刀圈磨损量计量
在刀圈没有发生损坏现象的情况下，正确测量刀圈的磨损量是判断刀具是否需要跟換的主要依据，刀圈的磨损量的测量需要采用特制的模板进行。
3.2刀具更换的原则
正确合理的进行刀具的更换，可以减少刀具的非正常损坏以及降低刀具出现意外损坏进行跟换时所消耗的时间，这样可以有利与提高工作效率，降低刀具的损耗。刀具的更换要按照“合理、批量、快速”的原则进行。
（1）“合理”原则
刀具更换的“合理”原则主要有两方面：一是刀具类型与地质的适应性；二是刀具更换计划的合理性。刀具类型是否适应被掘进的地层岩性。在硬岩地层中掘进应以滚刀破岩为主，软岩地层中以切刀和齿刀为主，施工中应根据地层性质选择刀具的配置，以确保刀具对地层的适应性和施工的可靠性。
根据地质情况及刀具使用时间预先估计刀具磨损量，提前提出合理的刀具更换计划，正常磨损换刀的极限值：中心双刃滚刀25 （20） mm，正滚刀25 （20）mm；边滚刀20 （15） mm，括号内数字为实际换刀控制值。刀圈磨损应在可控范围内，保证刀盘和刀具的良好性能和隧道的精确尺寸，新旧刀具刀圈安装过渡合理，软岩地层控制在10mm内，硬岩地层控制在6mm内，防止刀具局部受力造成意外损坏。
（2）“批量”原则
为了保证刀具破岩的效率，减少刀具更换频率，有计划地进行批量换刀，具体为边刀批量，正滚刀批量，中心刀批量，刮刀切刀批量。
（3）“快速”原则
由于刀具更换在近似密闭的仓内进行，前部为掌子面，地质的不可预测因素客观存在，为了保证换刀人员和机械设备的安全，采用快速有效的换刀。
3.3刀具更换时刀盘转角位置的确定
盾构机刀具更换前必须确定刀盘转角位置，防止刀盘开口对准土仓口，以保证进仓作业人员的安全。对刀盘的定位需要确定刀盘在任一时刻相对同一参照物的旋转角度，对于海瑞克盾构机，可以利用仿形刀的旋转角度测量传感器对刀盘进行定位。仿形刀角度在工控机F2屏幕中显示，仿形刀在底部时其角度为0°，从刀盘前方看逆时针旋转仿形刀从0°-360°增加，可以根据仿形刀所在的位置来确定其它刀具的相对位置。
3.4刀具更换程序
当盾构机在硬岩或自稳能力较强的地段掘进时，地层本身有自稳能力，这种情况下可在无压条件下直接进入刀盘作业。
3.4.1总体规划
刀具工程师在日常工作中多与土木工程师沟通，加强对地质情况的了解，并密切注意地质资料中反映的施工重点和难点。
在制定刀具及刀具配件计划时，充分估计到特殊区段对刀具的破坏程度，制定换刀计划时，及时有效地与土木工程师、掘进司机沟通，确定最佳的开仓地点。还要初步提出刀具更换方案的同时，提前做好设备、材料的准备，人员的培训等。
3.4.2设备物资供应
充分的设备与材料的准备，是实现快速完成换刀任务的根本保证。在确保常用设备（机具）、材料到位的情况下，使用更为先进的工具如：风动吊机、倒链、 风动扳手等是很必要的。
开仓换刀前对盾构机各个系统的检查和调试是很重要的工作，作好风水电等各个方面的的协调工作，保证换刀过程中必要的良好的工作环境。
3.4.3人员培训
培训一批技术熟练，身体素质较好的换刀工人是保证换刀质量和速度的前提。培训的内容主要包括：
（1）换刀的工具的操作及维修；
（2）各种类型刀具更换的安全操作规程：刀盘上刀具的布置，并具有对刀具使用状态做出合理判断的能力；能判断一把待安装刀具是否满足安装条件；.具备对紧急情况的应付能力；
3.4.4成立紧急救援小组
换刀作业是一种非常危险的作业程序，成立必要的紧急救援小组，防止意外发生的紧急处理，形成制度，引起全员注意。
3.4.5开仓审批
开仓技术方案经过工程部与设物部讨论，由机电总工和土木总工确认，报项目经理签发，并经监理工程师和业主审批同意后方可开仓，责任落实到人，严格按既定开仓程序进行。
3.4.6刀具更换
（1）刀盘清理
打开仓门后，先向碴仓内输送高压风5-10分钟，用以给刀盘降温和输送氧气，然后用水将刀盘冲洗干净，特别是需要更换的刀位。同时螺旋输送机将碴仓内的碴出至主轴承以下的位置，以便于检查中心部位的刀具。
（2）刀具拆除
刀盘冲洗干净后，利用大扭矩的风动扳手将需更换刀具的螺栓拆下，并将刀具运送出碴仓，同时将需安装的新刀具吊到位。对于在换刀中常常碰到的因变形严重难以取出的中心刀具螺栓，采用割除螺栓螺帽的方法拆除。为避免会对刀座、刀具螺栓孔产生破坏，在割除时需注意以下几点：割枪的火焰不能调的太大、太快，以免火焰伤到刀座、刀具螺栓孔。对刚利用割除方法拆下螺栓的螺栓孔不能立即用水冲洗，以免螺栓孔收缩太快而产生变形。
（3）刀具安装
在清洁时，特别要注意螺栓孔和螺栓的清洁。一般情况下，刀座螺栓孔、刀具螺栓先用高压水冲洗，再用钢丝刷将螺纹刷干净，最后用高压风吹干或用毛巾擦干。
对采用割除等方法而遭到损伤的接触面要进行修复、打磨。对刀孔、刀具所有装配表面先用高壓水冲洗，而后用高压风吹干、吹净。刀具在运输过程中造成的装配表面的毛刺，必须进行打磨处理。
螺栓的紧固力矩不允许超过或低于其额定值，必须严格按照刀具螺栓的紧固扭矩紧固螺栓。
3.5安装注意事项
（1） 更换刀具前检查所使用工具等是否处于完好状态。
（2）严格按照刀具的拆装工序工艺要求进行，保证装配面的清洁、刀具位置对中。
（3）刀具更换完毕后认真检查更换时所用的工具，防止遗忘在土舱内，盾构掘进时对设备产生破坏。
（4）做好详细的刀具更换记录。
3.6整体检查
完成刀具更换后，转动并检查刀盘，观察每把刀具的转动情况，确认相邻刀位的刀具磨损量相差不超过10mm。检查确认土仓内没有人员、换刀工具或者其它物品后关闭仓门，准备掘进。刀盘以0. 8转/分的低速空转10-15分钟，直到刀盘扭矩值很小且没有大的变化，逐渐加大推力，并保持1到2环的低推力推进，根据掘进情况和碴土状态选取合适的掘进参数，防止刀具过载造成损坏。
4刀具维修的关键技术
4.1刀圈的正确安装
刀圈一般采用特殊钢种，硬度、韧性、耐磨性、刚性等力学性能要求良好，金相组织一般为铁，钻，镍，钥，钒等。刀圈内径与刀体的配合直径一般在285mm左右，过盈配合量一般在0.24mm- 0.30mm之间。一般采用基轴制进行选择刀圈，也可采用基孔制选用刀体。
刀圈的安装一般为热装，即采用工业烤箱进行刀圈的加热，一般加热到200℃左右，加热2h，然后套装于刀体正确位置。
4.2轴承的检查及预紧度的调整
盾构机刀具轴承根据其使用场合，一般采用受径向力为主圆锥滚子轴承，轴承失效一般以滚动体和内外圈滚道点蚀为主，还存在刀具密封的失效，引起润滑油的泄漏，导致轴承的烧蚀，盾构机掘进参数的不合理调整（如推力的突然增大），引起轴承滚子散架或破碎等。
一般采用调整两轴承之间隔圈厚度的方法调整刀具轴承预紧度，从而保证刀具的启动力矩和回转力矩在规定值之内。施工经验表明此数值只适合微风化和中风化地层，对于软岩地层应进行适当的调整。
4.3密封的安装及气密性的检查
刀具密封安装时注意两密封表面的配合光洁度和平面度在规定要求之内，安装前应进行动密封的清洁和研磨。
刀具维修完毕后应进行刀具的气密性的检查，即向刀体内通入规定气压的压缩空气，在规定的时间内保压，应该符合规定要求。
5总结
要想使盾构施工的过程安全、高效。必须要有好的规章制度、较高的施工技术水平、安全较低技术和基本的开仓程序，还必须要有熟练的专项技术以及科学合理的施工工序。通过精心的组织和准备及时的发现刀盘和刀具的问题，并采取相应的维修和更换措施，这样才能有效的提高盾构的速度，提高技术水平，为工程的建设节省工期。在盾构过程中，盾构单盘和刀具的维修对掌握隧道施工的安全、控制施工进度有着重要的意义。
参考文献：
[1]刘进志，智小慧，郭京波.盾构掘削刀具简述[J].工程机械，2009，（6）： 50-53.
[2]黄丙庆.盾构机刀盘设计参数的适应性研究[D].天津：天津大学，2008.
[3]王小忠.盾构机在长距离硬岩中掘进的探讨[J].铁道工程学报，2006，，（4）： 52-56.
[4]王云飞.IHI盾构及单盘的维修技术[J].工程材料与设备，2011，（3）：128.