岩石隧道掘进机刀具损坏形式研究

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1、岩石隧道掘进机刀具损坏形式研究　　：刀具是岩石隧道掘进机施工主要消耗件，对隧道施工的顺利进行和施工成本有很大影响。文章通过对刀具失效形式研究得出TBM刀具损耗的主要形式是正常磨损，并对刀具非正常损坏形式及损坏原因进行了研究，为今后预测TBM施工刀具消耗情况提供参考。　　关键词：岩石隧道；掘进机；TBM刀具；损坏形式；非正常损坏　　随着我国西部大开发和城市地铁等基础设施的大规模建设，未来有大量的长大隧道需要开挖。全断面岩石隧道掘进机（TBM）是集机械、液压、电子、激光技术为一体的大型工厂化隧道施工作业系统。与传统的钻爆法相比，TBM施工具有施工速度快、

2、施工周期短、作业环境好、对生态环境友好、综合效益高等特点，因此在隧道施工中得到广泛的应用。　　1岩石隧道掘进简介　　隧道掘进机主要分为适用于岩石地层开挖的全断面岩石掘进机（TBM）和适用于土质地层开挖的盾构机。其中硬岩掘进机又分为支撑式TBM和护盾式TBM。装有若干滚刀的刀盘在TBM推进系统和刀盘驱动系统的作用下，切入掌子面岩石，不同部位的滚刀在掌子面上留下不同半径的同心圆切槽轨迹，岩渣靠自重掉入洞底，由铲斗铲起的岩渣靠自重经由溜渣槽落入主机皮带机出渣，连续成洞。其中刀盘所需要的推进力由撑靴撑紧隧洞产生的反力承受，刀盘扭矩由刀盘驱动系统提供。　　2T

3、BM刀具破岩机理　　TBM破岩机理为：盘型滚刀受到推进液压缸推力作用压入掌子面岩石，同时受到刀盘驱动扭矩作用沿同心圆做轨迹滚动；当推力超过岩石的抗压强度时，盘型滚刀刀刃下的岩石直接破碎，刀尖贯入岩石，形成压碎区和放射状裂纹；进一步加压，相邻滚刀间岩石内裂纹延伸并相互贯通成碎片，然后再经由溜渣槽、皮带机运出。其破岩过程主要分为以下三个阶段：　　（1）挤压阶段。滚刀在推进力的作用下，贯入岩石表面，岩面产生局部变形和很高的接触应力。在此应力作用下，刀刃与岩石接触部分的岩体产生粉碎区，即应力核心区。　　（2）起裂阶段。沿粉碎区周边的应力大于岩体的抗拉强度或剪

4、切强度时，就会产生张拉裂缝。该裂缝是盘型滚刀能否破岩的先决条件。在刀刃正下方有主裂缝，由于其方向与破岩方向一致，因此不会显著提高破岩效率，但能加大下一个循环中压入阶段的应力范围。　　（3）破碎阶段。当相邻滚刀的间距使得起裂阶段产生的裂缝相互连通时，岩体表面部分就被裂缝分割，并形成碎片而脱离开挖面。　　3全断面岩石隧道掘进机刀具介绍　　全断面岩石掘进机主要利用刀盘上布置的盘形滚刀对岩石进行开挖。刀盘上布置的盘形滚刀主要有中心刀、面刀、边刀三种形式。所用的刀圈一般为等截面刀圈，直径通常为17″（432mm）和19″（483mm）两

5、种。由于中心刀安装在刀盘中心，安装空间有限，一般是装有两个刀圈的双刃滚刀。边刀安装到刀盘过度圆弧处，与刀盘平面轴线成一定角度，面刀安装在中心刀和边刀之间。刀具一般由刀圈、刀轴、刀体、轴承、端盖、浮动密封、卡环、隔环等组成，刀圈通过过盈配合安装在刀体上。刀具有单刃滚刀及双刃滚刀两种结构形式。　　4TBM刀具失效形式及失效原因分析　　刀具的损坏形式主要分为正常磨损和非正常损坏。正常磨损是指刀具磨损到规定的极限尺寸而被换下。非正常损坏是指刀具在磨损到极限尺寸之前因为刀圈偏磨、轴承损坏、刀圈移位等其他原因被换下。　　4.1刀具的正常磨损　　在TBM掘进过程中

6、，刀具的正常磨损是刀具损坏的主要形式。王振春在TB880E型掘进机刀具失效分析一文中通过对秦岭隧道北口TBM施工5244m后刀具失效形式统计得出，正常磨损占刀具总失效形式的80%。在刀具的正常磨损中，刀盘各刀位磨损情况也不相同，距离刀盘中心越远，各刀位刀圈磨损量也越来越大。秦岭隧道出口掘进5621m各刀位消耗报废的刀圈数，包括正常磨损和非正常损坏的刀圈。刀盘各刀位刀盘的消耗量规律与刀圈磨损量规律基本一致，即距离刀盘中心越远，各刀位刀圈消耗量也越来越大。在今后的TBM刀具消耗分析中，可以根据以上研究结果，合理储备各类刀具，估计各刀位刀具的使用寿命，对增

7、强刀具的使用寿命具有很大价值。　　4.2刀具的非正常损坏　　刀具的非正常损坏主要指由刀圈偏磨、刀圈断裂、刀圈卷刃、刀圈移位、轴承损坏、刀体损坏、密封损坏等引起刀具不能正常使用而被提前换下。　　（1）刀圈偏磨。这是刀具非正常损坏的主要形式，是指在掘进过程中刀圈表面被磨成一条或几条弦。刀圈偏磨主要是因为轴承损坏或浮动密封损坏，导致岩屑或铁屑进入刀体，使得轴承不能正常转动，进而刀圈也不能正常转动，引起刀圈的偏磨。　　（2）刀圈断裂。一般是由于在掘进过程中出现大块岩石掉落，砸到刀圈；或者由于刀盘其他零件（如铲齿等）脱落而卡在刀刃与岩壁或两个刀刃之间；或者由于

8、隧道掌子面围岩变化较大都会导致刀圈因为局部过载而使得刀圈所受应力集中，产生断裂。在施工过程中应注意观察前往围