淺談盾構機刀具的檢測與更換技術
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。盾構機的刀盤是破巖掘進的主要部件，但在掘進過程中容易損壞并需要及時更換。基于此，主要分析了盾構機刀盤上刀具的磨損檢測技術以及拆卸更換技術，列舉了多種盾構機刀具磨損檢測的方法，逐一分析了每種方法的優勢和不足，介紹帶壓和常壓兩種情況下的換刀作業，并以土壓盾構施工為例詳細介紹了帶壓換刀作業的具體流程和注意事項。
關鍵詞：盾構機 刀具 磨損檢測技術 拆卸更換技術
盾構機的刀盤是盾構施工實現破巖掘進的主要部件，其中起決定性作用的就是應用在刀盤上的各類盾構刀具。盾構刀具的種類分為滾刀、撕裂刀、刮刀等很多種，用于應對各種復雜的地質條件，但由于盾構機的刀具在掘進過程中直接與巖石接觸，隨著刀盤的轉動，接觸應力波動范圍較大，再加上地下巖層的不確定性，往往導致刀具的使用壽命并不長。在刀具損毀的情況下，為能夠第一時間發現，最快速度更換，高效正常地進行盾構施工，刀具的磨損檢測以及更換技術成為盾構施工中一項非常重要的技術。
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、崩刃、弦磨、刀圈松動、軸承磨損失效等。除刀圈的磨損為正常損壞以外，其余失效形式均屬于非正常損壞。目前，常用的刀具的磨損失效檢測技術主要有以下五種：增加刀具磨損感應裝置；使用異味添加劑；分析掘進參數；分析渣土形狀以及開艙檢查。
1.1 增加刀具磨損感應裝置
在刀具或刀盤內安裝液壓或電子傳感器系統，一旦刀具磨損到一定程度就會自動提示報警。圖 1 為帶有磨損檢測器的掛刀原理圖。該系統由探測部分、發訊部分、接收部分三部分組成，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具，使檢測結果更加及時準確。
圖 1 帶有磨損檢測器的刮刀原理圖
而應用于滾刀上的磨損檢測裝置，比較常見的則是采用液壓油缸從刀盤伸出至滾刀刀尖，通過比較伸出的行程與最開始行程的差值判斷滾刀的磨損量。此外，還有一些采用液壓短路、光纖維短路或者超聲波等方式來判斷滾刀磨損的檢測裝置。
1.2 使用異味添加劑
使用異味添加劑這種方法廣泛應用于 TBM（硬巖掘進機）中，主要原理是在滾刀的軸承潤滑油中，添加一種具有刺鼻異味的添加劑，當掘進過程中滾刀因磨損出現漏油的情況，施工作業人員會在第一時間聞到添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，在第一時間停機并對刀具進行更換。
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情況；適用范圍不廣，并不適用于土壓平衡盾構施工或泥水盾構施工。
1.3 分析掘進參數
隨著刀具的磨損，在推力不變的情況下，掘進速度一般會越來越低，扭矩越來越高，根據這些數據同樣可以估測刀具的磨損狀況。但是，由于掘進的速度和扭矩受到很多因素的影響，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
分析渣土形狀顧名思義就是根據排出渣土的形狀、大小、成分等來判斷刀具的磨損狀況。一般情況下，新刀切削下來的巖石塊度較大，大多為棱角分明的片塊狀；在刀具磨損后，巖石的塊度就會變小，同時還會夾雜較多的粉末一并排出。另外，還可以通過觀察排出的渣土中有無金屬塊狀物，這些金屬極有可能就是崩裂的刀圈或其他刀具。
1.5 開艙檢查
開艙檢查是最常用也是最可靠的方法，在停機后由工人進艙刀具逐個進行排查，從而了解刀具的磨損情況。需要注意的是在不穩定的地層中，需要在開艙前進行加壓或對土體加固處理，因此，是這五種方案中危險系數最大的。
2、刀具的更換技術
2.1 準備工作
當通過檢測發現存在磨損失效的刀具時，就必須及時安排人員進入土倉進行換刀作業。刀具的更換是一項十分復雜的工作，必須在確保人身安全的前提下進行，因此，在更換刀具之前必須做好充分的準備工作。
（1）在進行換刀作業之前，首先必須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，并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程師共同討論，落實刀具損壞情況，確定出最佳的開倉換刀方案，同時備好所需的材料和工具，提前做好人員培訓工作。
（2）材料與設備的準備工作是決定換刀效率快慢的重要因素，物資和材料準備得充分，往往使換刀工作能夠達到事半功倍的效果。此外，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系統的運行情況，做好水電以及高壓空氣的供應工作，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，除換刀作業人員外，還必須單獨組織成立一個應急救援小隊。救援小隊成員必須經過專業的培訓且具有換刀作業的經驗，以防止意外情況發生。
（4）開倉前需要嚴格執行規定的審查流程，先由工程部門討論并總結出開倉相關技術方案，經過土木總工程師和機電總工程師審查確認，報項目經理并簽發，最后經過業主和監理同意后，方可開倉換刀。
2.2 刀具的更換流程
以盤形滾刀為例，刀具的更換作業必須按部就班的進行。首先是換刀的順序，一般情況下，應從中心滾刀開始，隨后依次向外，對每個滾刀逐一檢查并更換。當檢查到磨損失效的刀具時，需先用懸掛在土倉頂部吊耳上的手動倒鏈將失效滾刀運出，再將裝配位置清洗干凈，之后依次將新刀具運送進入土倉并逐個進行安裝。安裝完畢后必須用扭矩扳手緊固所有螺栓達到規定扭矩并做好標記。
在換刀作業時需要注意以下幾點：
（1）磨損后的刀具并不一定沒有使用價值，按照規定，單刃正面滾刀的最大磨損極限為 25mm，而單刃側面滾刀的最大磨損極限為 15mm，因此，為了節約成本，更換下來的側面滾刀有時還可繼續用作正面滾刀。
（2）為平均每一個刀具的貫入量及受力情況，相鄰的兩個刀具最大磨損量差值不得超過 15mm，如出現相鄰刀具最大磨損差值大于 15mm 的情況，應立即對其中磨損較嚴重的刀具進行拆卸并更換。
（3）為確保刀具刀軸螺栓的緊固，建議在盾構機掘進一至兩環后，對刀具螺栓進行二次緊固。
2.3 常壓情況下的換刀作業
當盾構掘進的地層為穩定性較強的硬巖或自穩能力強的地層時，可視具體情況采用不帶壓進倉，在常壓環境下進行換刀作業。
常壓狀態下的換刀作業操作流程從前往后大致分為下幾步：刀盤刀具的清理工作、刀具磨損情況的檢查評估工作、換刀計劃的制定工作、損壞失效刀具的拆除工作、新刀具的安裝工作、刀具更換的記錄工作、設備運行前的整體檢查工作。為了設備的正常運行，上述幾個步驟缺一不可。
2.4 帶壓情況下的換刀作業
泥水盾構施工和土壓平衡盾構施工時，由于開挖地層不穩定，在不加壓的情況下易發生塌陷，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對刀具進行檢查和更換。人員艙的加壓與減壓必須嚴格按照國家《空氣潛水減壓技術要求》GB1251-2008 所規定的原則執行，不能擅自更改調整。以土壓平衡盾構施工的帶壓換刀為例，帶壓換刀前首先要保證具備以下幾個條件：
（1）帶壓換刀地段土倉應具有良好的氣密性，保證不會發生較大的氣體泄漏，如氣密性不好需進行加固處理。
（2）刀盤的前方不能出現股狀水，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后，即可開始進行帶壓換刀作業，帶壓換刀主要原理是通過在土倉內建立合理的氣壓用來平衡周圍水土的壓力，從而實現穩定掌子面、防止地下水外滲的作用，為刀具更換提供良好的作業環境。土壓平衡盾構帶壓換刀作業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→檢測氣密性→確定壓力→帶壓檢查→帶壓換刀作業→脫困掘進→正常掘進。
其中，檢測氣密性不只是針對土倉，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內壓力不會發生波動為止。
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進行檢查并確認，根據檢查結果制定換刀方案，同時，安排各項準備工作。其中，對地質情況的檢查內容主要是：地層加固效果、土倉透水情況、地層取樣、掌子面地質情況等；刀具的檢查內容主要是：檢測刀具磨損量、檢測刀盤面板磨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制定的方案進行，配合盾構機操作人員以及緊急救援人員，逐一對磨損失效的刀具進行拆卸和更換。更換刀具建議按照先易后難的原則進行，優先處理便于更換的刀具。拆卸螺栓使用氣動扳手，緊固螺栓使用手動扭矩扳手，充分保證刀具安裝的質量。需要注意的是為了安全起見，帶壓作業嚴禁使用電動工具，因此，在拆除刀具時如出現斷螺栓情況，通常會采用兩種處理方法：當出現螺栓斷裂且斷面在螺孔外的情況時，直接使用扳手拆除即可；當出現螺栓斷裂且斷面在螺孔內的情況時，需要先用風動手鉆打孔，再用取絲器取出斷裂的螺栓。另外，若刀具發生了偏磨現象，則掌子面就會出現突出于掌子面的巖石，若換上新刀具后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巖石，使刀具極易出現偏載現象，對刀具的損害非常大，嚴重影響施工效率，因此，為避免上述情況發生，當發現舊刀具存在偏磨現象時，在刀具更換完成后必須將突出的巖石進行切削處理。
長期處于帶壓環境下會使人感到疲勞，因此，作業人員在帶壓環境下最多不得超過三個小時，如作業超過三小時，作業人員需要立即出倉休息，并安排新一組人員進倉作業。所有刀具的檢查更換工作都進行完畢后，作業人員需將所有帶入土倉的作業工具全部拿出，后由技術人員對更換完成的刀具的質量做最后的檢查，確認所有人員及作業工具都離開土倉后，關閉倉門繼續掘進工作。
3、結語
隨著科技的發展，21 世紀是隧道及地下空間大發展的時代，中國作為世界上最大的隧道及地下工程施工市場，前景十分廣闊。盾構機的刀具的檢測技術和更換技術在近幾年發展迅速，針對各種復雜的地質條件，對應研發出了各種不同的刀具檢測和刀具更換技術，掘進效率逐步提高，施工安全性也得到了極大保障。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進一步發展刀具的檢測技術。至于刀具的更換技術，目前還必須由作業人員親自進入土倉進行更換，如未來能夠突破換刀自動化的瓶頸，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資源，還能極大提高工作效率，保障施工作業安全。
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