摘要：西康鐵路秦嶺隧道出口及西南鐵路桃花鋪1號(hào)隧道TBM施工中，在消化引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)盤形滾刀的損壞規(guī)律進(jìn)行了深入的分析，對(duì)如何提高盤形滾刀的壽命、降低刀具消耗進(jìn)行了深入的研究，并取得了很好的成果，刀具故障率降低，刀具使用壽命得以提高，因而提高了掘進(jìn)速度,降低了掘進(jìn)成本,形成了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)良的盤形滾刀檢測(cè)維修技術(shù)，可供TBM施工參考。
關(guān)鍵詞：隧道 掘進(jìn)機(jī) 刀具 盤形 滾刀 檢測(cè) 維修
TBM（隧道掘進(jìn)機(jī)）作為長(zhǎng)大隧道施工最有效的大型機(jī)械，掘進(jìn)時(shí)使用在刀盤上安裝的盤形滾刀刀刃楔入巖體破碎巖石，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滾刀在掌子面上滾動(dòng)進(jìn)行連續(xù)破巖，刀盤被向前推進(jìn)，滾刀破巖掘進(jìn)形成洞身。安裝在TBM刀盤上的盤形滾刀是TBM的專有工具，其技術(shù)性能的優(yōu)劣是擴(kuò)大TBM施工適用范圍和降低施工造價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)之一，國(guó)外各著名TBM生產(chǎn)廠家對(duì)刀具都進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，不斷改進(jìn)TBM刀具的性能，使產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)力。但刀具性能必須在施工中正確使用才能充分發(fā)揮。施工中要對(duì)使用的刀具進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)并及時(shí)維修，使上機(jī)掘進(jìn)的刀具性能可靠，減少掘進(jìn)中刀具故障，以提高機(jī)器的利用率，從而提高掘進(jìn)速度；正確使用刀具還必須包括正確更換刀具及其備件，從而降低刀具消耗。正確使用刀具不僅可提高掘進(jìn)速度還可從以上兩個(gè)方面來(lái)降低隧道掘進(jìn)成本。尤其在硬巖中掘進(jìn)其重要性更為明顯。西康鐵路秦嶺隧道出口及西南鐵路桃花鋪1號(hào)隧道TBM施工中，在掌握消化引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)TBM施工中的刀具技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，形成了一套符合我國(guó)施工條件、可操作性強(qiáng)的檢測(cè)維修技術(shù)，并取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。筆者參加這兩條隧道施工的刀具使用與研究，本文是對(duì)TB880E型掘進(jìn)機(jī)的17＂盤形滾刀檢測(cè)和維修技術(shù)的總結(jié)，可供借鑒。
1TBM施工對(duì)刀具整備的技術(shù)要求
TBM施工中的刀盤檢查、刀具更換、刀具維修等一系列為使刀盤上的刀具處于良好狀態(tài)的工作統(tǒng)稱為刀具整備，是TBM施工作業(yè)的重要組成部分，對(duì)隧道施工進(jìn)度與造價(jià)有直接影響，且專業(yè)性強(qiáng)，是TBM施工技術(shù)的重點(diǎn)之一。
1.1提高刀具可靠性，減少掘進(jìn)中的停機(jī)換刀
TBM施工時(shí)其掘進(jìn)、出渣、支護(hù)等工序能平行作業(yè)且連續(xù)進(jìn)行，因而具有掘進(jìn)速度快的特點(diǎn)。但由于受地質(zhì)因素、機(jī)器故障、刀具故障、施工管理技術(shù)等因素的影響使機(jī)器停機(jī)待掘進(jìn)的時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)轉(zhuǎn)掘進(jìn)的利用率不高。西康鐵路秦嶺隧道出口及西南鐵路桃花鋪1號(hào)隧道TBM施工中，TBM的利用率僅為30%，而國(guó)外一般都達(dá)到40%，高者達(dá)到60%。提高TBM的利用率，也就是要提高TBM施工的技術(shù)水平，減少各施工工序?qū)C(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的影響，是當(dāng)前在我國(guó)擴(kuò)大TBM施工使用范圍降低TBM施工造價(jià)的關(guān)鍵。
西康鐵路秦嶺隧道出口TBM施工中，由于刀具原因造成的停機(jī)時(shí)間占施工時(shí)間的比率為16.3%，也就是每天18h的掘進(jìn)施工（每天安排6h為TBM施工做整備，18h進(jìn)行掘進(jìn)施工）時(shí)間內(nèi)平均有近3h的時(shí)間是因刀具的原因使機(jī)器停止了運(yùn)轉(zhuǎn)。盤行滾刀破巖時(shí)承受巨大的載荷和沖擊、劇烈的摩擦和高溫，各零件表面尤其是刀尖要被磨損，各部分連接性質(zhì)被破壞，潤(rùn)滑油及橡膠密封件的性能降低，使刀具逐漸失去破巖能力，使用一段時(shí)間后要進(jìn)行更換。
因此，更換刀具是TBM施工的一項(xiàng)重要的不可缺少的工作，必然要占用部分施工時(shí)間。合理的做法是盡可能主動(dòng)進(jìn)行換刀，也就是在每天的施工整備時(shí)間內(nèi)換刀。這就要求準(zhǔn)確判斷刀具狀態(tài)，既不盲目更換，增加刀具消耗，又減少給即將進(jìn)行的掘進(jìn)留下刀具故障，力求減少在掘進(jìn)進(jìn)行中出現(xiàn)刀具漏油、刀圈偏磨、螺栓丟失或松動(dòng)等不允許存在的現(xiàn)象，從而減少掘進(jìn)中被迫停機(jī)進(jìn)行刀盤檢查和刀具更換的時(shí)間。停機(jī)進(jìn)入刀盤進(jìn)行檢查再更換一把刀至少要用兩個(gè)小時(shí)的時(shí)間，這就大大減低了TBM的掘進(jìn)進(jìn)度。表1中列出了三個(gè)使用TB880E型掘進(jìn)機(jī)施工工程的刀具更換統(tǒng)計(jì)，可以看出在秦嶺隧道出口和桃花鋪1號(hào)隧道TBM施工中，由于刀圈磨損進(jìn)行的換刀占80%，大大高于秦嶺隧道進(jìn)口施工的57.2%，這說(shuō)明后者裝機(jī)掘進(jìn)的刀具狀態(tài)比較差，掘進(jìn)中刀具產(chǎn)生的故障比較多，對(duì)掘進(jìn)的影響也就會(huì)大。
要減少這種掘進(jìn)進(jìn)行中產(chǎn)生的刀具故障，必須嚴(yán)格控制上機(jī)掘進(jìn)的刀具質(zhì)量，通過(guò)在洞外對(duì)刀具進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)并仔細(xì)地維修，使運(yùn)進(jìn)洞內(nèi)上機(jī)掘進(jìn)的刀具在刀圈磨損到極限尺寸前發(fā)生因檢測(cè)維修不當(dāng)造成的密封漏油、軸承損壞、連接與配合失效等故障占所有檢測(cè)維修刀具總數(shù)的比率小于5%，這就會(huì)大為減少掘進(jìn)中發(fā)生的被動(dòng)性換刀。減少了因換刀停機(jī)的時(shí)間，提高機(jī)器的利用率。這是對(duì)TBM施工刀具整備工作的高要求。
1.2減少刀具消耗，降低掘進(jìn)費(fèi)用
硬巖掘進(jìn)機(jī)施工成本中刀具費(fèi)用占較大比例，石質(zhì)越硬，刀具費(fèi)用比例越高，在秦嶺隧道堅(jiān)硬的片麻巖地段掘進(jìn)，刀具費(fèi)用為掘進(jìn)成本的三分之一。減少刀具消耗，是降低隧道掘進(jìn)成本的主要手段,是TBM施工刀具整備工作的主要任務(wù)之一。減少刀具消耗應(yīng)從以下幾方面著手。
(1)正確使用刀圈，使刀圈的實(shí)際磨損量不小于允許磨損量的90%。刀圈的使用量大，且價(jià)格昂貴，秦嶺隧道出口TBM施工中刀圈費(fèi)用占刀具費(fèi)用的30%。正刀刀圈在半徑方向的允許磨損量為38mm、邊刀和中心刀刀圈為20mm，必須充分利用，減少刀圈消耗。
(2)合理使用軸承，充分發(fā)揮軸承的使用壽命。軸承消耗量大，價(jià)格昂貴，秦嶺隧道出口TBM施工中,刀具軸承費(fèi)用占刀具費(fèi)用的17%。按Wirth公司技術(shù)規(guī)程，刀具軸承的使用壽命為287.7計(jì)算小時(shí)。經(jīng)過(guò)分析、研究與不斷試驗(yàn)、改進(jìn)，秦嶺隧道出口及桃花鋪1號(hào)隧道大部分實(shí)際使用的軸承壽命都達(dá)到了900計(jì)算小時(shí)，大大減少了軸承的消耗。
(3)合理使用密封，充分發(fā)揮密封的使用壽命。密封的消耗量大，價(jià)格昂貴，秦嶺隧道出口TBM施工中，刀具密封費(fèi)用占刀具費(fèi)用的10%。按Wirth公司技術(shù)規(guī)程，每次拆卸維修再組裝刀具時(shí)必須更換新密封。經(jīng)過(guò)分析與試驗(yàn)，秦嶺隧道出口和桃花鋪1號(hào)隧道施工中，大部分密封被重復(fù)使用，部分經(jīng)維修后再使用，大大減少了密封的消耗。
(4）減少掘進(jìn)中刀具的事故性損壞。由于對(duì)機(jī)器調(diào)向過(guò)大、不均勻地質(zhì)段推進(jìn)過(guò)快等原因造成的刀具意外損壞，為數(shù)不少，這時(shí)損壞的刀具往往不是一把，而是多把，一般都很嚴(yán)重，難于修復(fù)，影響大。必須改進(jìn)操作和施工組織與管理，減少這些事故性的損壞和造成的損失。
(5）減少刀體、刀蓋、刀軸等大件的消耗。這些大件造價(jià)高，使用中往往發(fā)生變形和磨損，能否繼續(xù)使用，較難判定。必須制定正確的檢定標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法，并要用校正、刷鍍等方法進(jìn)行恢復(fù)性修理，減少這些零件的消耗。
2刀具軸承的壽命與密封的失效
TB880E型隧道掘進(jìn)機(jī)上的刀具有中心刀6把、正滾刀62把、邊刀3把、擴(kuò)孔刀2把，共4種73把，按一定規(guī)律布置并安裝在刀盤上。正滾刀的結(jié)構(gòu)及在刀盤上的安裝方式如圖1所示。邊刀與正刀基本相同。軸承與密封是刀具上的兩種重要裝置，對(duì)刀具掘進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性和刀具的消耗具有特別重要的影響。
2.1軸承的壽命與維修
Wirth公司規(guī)定正刀與邊刀軸承的壽命為287.7小時(shí)，刀具在不同的刀位上的運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)乘以刀位系數(shù)，得出的計(jì)算小時(shí)達(dá)到該值時(shí)就要更換軸承。這一壽命是按90%的可靠度通過(guò)試驗(yàn)得出的。按圖2所示軸承壽命幅度看出，即10%的軸承壽命低于這一值，90%的軸承壽命高于這一值，所有軸承壽命的平均值為這一值的4倍。按此可作出如下分析：①由于有10%的軸承壽命低于這一值，就會(huì)有20%的刀具在此之前由于軸承損壞而損壞，刀具由此就會(huì)有20%的不可靠，這是很不利的，必須盡量減少；②90%的軸承壽命大于這一值，還可使用，按此更換軸承就有大量的軸承被浪費(fèi)。
研究認(rèn)為Wirth公司對(duì)軸承定時(shí)更換的方法是不合適的。通過(guò)定期進(jìn)行檢測(cè)和解體檢查，根據(jù)軸承扭矩值的變化、潤(rùn)滑油的變化、滾動(dòng)體表面尤其是軸承內(nèi)圈滾動(dòng)面的疲勞損壞面積的大小判定軸承的預(yù)期壽命，對(duì)刀具進(jìn)行檢測(cè)與維修，確保軸承在預(yù)期內(nèi)可靠。秦嶺隧道出口和桃花鋪1號(hào)隧道施工中，大部分刀具軸承的壽命達(dá)到900h，既減少了軸承的消耗，又提高了刀具的可靠性。
2.2密封失效與維修
Wirth公司規(guī)定凡使用過(guò)的刀具在拆卸維修時(shí)必須更換安裝新密封，原密封報(bào)廢，消耗量很大。盤形滾刀的密封由金屬環(huán)和橡膠圈組成，這種密封試驗(yàn)壽命高達(dá)5000h。分析認(rèn)為刀具密封失效的主要原因是橡膠圈變質(zhì)失去彈性造成的，是溫度變化引起的。由于地質(zhì)條件的變化和工作刀位的不同，刀具的工作溫度在有些條件下比較高，損壞了橡膠圈的密封性能。另一個(gè)原因是潤(rùn)滑油中有金屬顆粒，損壞了密封面。二者都具有偶然性。
采用以下方法維修密封：①拆卸維修組裝刀具時(shí)必須更換橡膠圈；②維修拆卸刀具時(shí)，若發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油中含有金屬末或油量已減少，則金屬環(huán)同時(shí)更換；③更換下來(lái)的金屬環(huán)應(yīng)送專業(yè)工廠維修，大部分可修復(fù)后再使用。這不僅提高了刀具密封的可靠性，而且大大減少密封的消耗。
