摘要：西康鐵路秦嶺隧道出口及西南鐵路桃花鋪1號隧道TBM施工中，在消化引進技術的基礎上，對盤形滾刀的損壞規(guī)律進行了深入的分析，對如何提高盤形滾刀的壽命、降低刀具消耗進行了深入的研究，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，因而提高了掘進速度,降低了掘進成本,形成了技術經濟性能優(yōu)良的盤形滾刀檢測維修技術，可供TBM施工參考。
關鍵詞：隧道 掘進機 刀具 盤形 滾刀 檢測 維修
TBM（隧道掘進機）作為長大隧道施工最有效的大型機械，掘進時使用在刀盤上安裝的盤形滾刀刀刃楔入巖體破碎巖石，刀盤轉動帶動滾刀在掌子面上滾動進行連續(xù)破巖，刀盤被向前推進，滾刀破巖掘進形成洞身。安裝在TBM刀盤上的盤形滾刀是TBM的專有工具，其技術性能的優(yōu)劣是擴大TBM施工適用范圍和降低施工造價的關鍵技術之一，國外各著名TBM生產廠家對刀具都進行了長期的研究，不斷改進TBM刀具的性能，使產品具有競爭力。但刀具性能必須在施工中正確使用才能充分發(fā)揮。施工中要對使用的刀具進行嚴格檢測并及時維修，使上機掘進的刀具性能可靠，減少掘進中刀具故障，以提高機器的利用率，從而提高掘進速度；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速度還可從以上兩個方面來降低隧道掘進成本。尤其在硬巖中掘進其重要性更為明顯。西康鐵路秦嶺隧道出口及西南鐵路桃花鋪1號隧道TBM施工中，在掌握消化引進技術的基礎上，對TBM施工中的刀具技術進行了深入的研究，形成了一套符合我國施工條件、可操作性強的檢測維修技術，并取得了很好的技術經濟效果。筆者參加這兩條隧道施工的刀具使用與研究，本文是對TB880E型掘進機的17＂盤形滾刀檢測和維修技術的總結，可供借鑒。
1TBM施工對刀具整備的技術要求
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，對隧道施工進度與造價有直接影響，且專業(yè)性強，是TBM施工技術的重點之一。
1.1提高刀具可靠性，減少掘進中的停機換刀
TBM施工時其掘進、出渣、支護等工序能平行作業(yè)且連續(xù)進行，因而具有掘進速度快的特點。但由于受地質因素、機器故障、刀具故障、施工管理技術等因素的影響使機器停機待掘進的時間長，運轉掘進的利用率不高。西康鐵路秦嶺隧道出口及西南鐵路桃花鋪1號隧道TBM施工中，TBM的利用率僅為30%，而國外一般都達到40%，高者達到60%。提高TBM的利用率，也就是要提高TBM施工的技術水平，減少各施工工序對機器正常運轉的影響，是當前在我國擴大TBM施工使用范圍降低TBM施工造價的關鍵。
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時間占施工時間的比率為16.3%，也就是每天18h的掘進施工（每天安排6h為TBM施工做整備，18h進行掘進施工）時間內平均有近3h的時間是因刀具的原因使機器停止了運轉。盤行滾刀破巖時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，各部分連接性質被破壞，潤滑油及橡膠密封件的性能降低，使刀具逐漸失去破巖能力，使用一段時間后要進行更換。
因此，更換刀具是TBM施工的一項重要的不可缺少的工作，必然要占用部分施工時間。合理的做法是盡可能主動進行換刀，也就是在每天的施工整備時間內換刀。這就要求準確判斷刀具狀態(tài)，既不盲目更換，增加刀具消耗，又減少給即將進行的掘進留下刀具故障，力求減少在掘進進行中出現(xiàn)刀具漏油、刀圈偏磨、螺栓丟失或松動等不允許存在的現(xiàn)象，從而減少掘進中被迫停機進行刀盤檢查和刀具更換的時間。停機進入刀盤進行檢查再更換一把刀至少要用兩個小時的時間，這就大大減低了TBM的掘進進度。表1中列出了三個使用TB880E型掘進機施工工程的刀具更換統(tǒng)計，可以看出在秦嶺隧道出口和桃花鋪1號隧道TBM施工中，由于刀圈磨損進行的換刀占80%，大大高于秦嶺隧道進口施工的57.2%，這說明后者裝機掘進的刀具狀態(tài)比較差，掘進中刀具產生的故障比較多，對掘進的影響也就會大。 </P
要減少這種掘進進行中產生的刀具故障，必須嚴格控制上機掘進的刀具質量，通過在洞外對刀具進行嚴格檢測并仔細地維修，使運進洞內上機掘進的刀具在刀圈磨損到極限尺寸前發(fā)生因檢測維修不當造成的密封漏油、軸承損壞、連接與配合失效等故障占所有檢測維修刀具總數(shù)的比率小于5%，這就會大為減少掘進中發(fā)生的被動性換刀。減少了因換刀停機的時間，提高機器的利用率。這是對TBM施工刀具整備工作的高要求。
1.2減少刀具消耗，降低掘進費用
硬巖掘進機施工成本中刀具費用占較大比例，石質越硬，刀具費用比例越高，在秦嶺隧道堅硬的片麻巖地段掘進，刀具費用為掘進成本的三分之一。減少刀具消耗，是降低隧道掘進成本的主要手段,是TBM施工刀具整備工作的主要任務之一。減少刀具消耗應從以下幾方面著手。
(1)正確使用刀圈，使刀圈的實際磨損量不小于允許磨損量的90%。刀圈的使用量大，且價格昂貴，秦嶺隧道出口TBM施工中刀圈費用占刀具費用的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，價格昂貴，秦嶺隧道出口TBM施工中,刀具軸承費用占刀具費用的17%。按Wirth公司技術規(guī)程，刀具軸承的使用壽命為287.7計算小時。經過分析、研究與不斷試驗、改進，秦嶺隧道出口及桃花鋪1號隧道大部分實際使用的軸承壽命都達到了900計算小時，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，價格昂貴，秦嶺隧道出口TBM施工中，刀具密封費用占刀具費用的10%。按Wirth公司技術規(guī)程，每次拆卸維修再組裝刀具時必須更換新密封。經過分析與試驗，秦嶺隧道出口和桃花鋪1號隧道施工中，大部分密封被重復使用，部分經維修后再使用，大大減少了密封的消耗。
(4）減少掘進中刀具的事故性損壞。由于對機器調向過大、不均勻地質段推進過快等原因造成的刀具意外損壞，為數(shù)不少，這時損壞的刀具往往不是一把，而是多把，一般都很嚴重，難于修復，影響大。必須改進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準和檢測方法，并要用校正、刷鍍等方法進行恢復性修理，減少這些零件的消耗。2刀具軸承的壽命與密封的失效
TB880E型隧道掘進機上的刀具有中心刀6把、正滾刀62把、邊刀3把、擴孔刀2把，共4種73把，按一定規(guī)律布置并安裝在刀盤上。正滾刀的結構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，對刀具掘進運轉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，刀具在不同的刀位上的運轉小時乘以刀位系數(shù)，得出的計算小時達到該值時就要更換軸承。這一壽命是按90%的可靠度通過試驗得出的。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，就會有20%的刀具在此之前由于軸承損壞而損壞，刀具由此就會有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。
研究認為Wirth公司對軸承定時更換的方法是不合適的。通過定期進行檢測和解體檢查，根據(jù)軸承扭矩值的變化、潤滑油的變化、滾動體表面尤其是軸承內圈滾動面的疲勞損壞面積的大小判定軸承的預期壽命，對刀具進行檢測與維修，確保軸承在預期內可靠。秦嶺隧道出口和桃花鋪1號隧道施工中，大部分刀具軸承的壽命達到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)定凡使用過的刀具在拆卸維修時必須更換安裝新密封，原密封報廢，消耗量很大。盤形滾刀的密封由金屬環(huán)和橡膠圈組成，這種密封試驗壽命高達5000h。分析認為刀具密封失效的主要原因是橡膠圈變質失去彈性造成的，是溫度變化引起的。由于地質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。另一個原因是潤滑油中有金屬顆粒，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必須更換橡膠圈；②維修拆卸刀具時，若發(fā)現(xiàn)潤滑油中含有金屬末或油量已減少，則金屬環(huán)同時更換；③更換下來的金屬環(huán)應送專業(yè)工廠維修，大部分可修復后再使用。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。
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