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某地鐵工程盾構機滾刀失效分析
2024-11-01
盧慶亮，袁乃強
（濟南重工集團有限公司）
摘 要：隨著國內軌道交通建設的不斷推進，盾構施工技術的應用越來越廣泛。滾刀作為盾構施工的關鍵零部件，其工作效率和失效形式與施工地質條件有直接關系，并對施工進度和安全性具有重要的影響。以某地鐵工程盾構掘進施工為例,分析該區間段復雜的地質條件,根據實際情況分析盾構機在掘進過程中滾刀的失效形式和失效原因,并對刀圈的硬度和材質選擇進行簡要討論。結果表明，在該地段施工過程中滾刀的失效形式主要為刀圈偏磨、刀圈卷刃、刀圈斷裂、刀圈崩刃、刀圈脫落、刀軸斷裂等。
關鍵詞：盾構機；滾刀；地質條件；失效類型；材質
0 引言
隨著我國經濟的迅猛發展和城鎮化進程的加速推進，我國城市體量急劇增大，城市公共交通壓力巨大，城市居民出行舒適度降低[1-4]。近年來，為了緩解城市巨大的交通壓力，建立城際立體化交通網，具有運行速度快、客流量大、噪音污染少、消耗能量低等優勢的地下快速軌道交通建設受到諸多城市的青睞[5-8]。盾構掘進機大大提高了軌道交通的施工效率和施工質量并降低了建設成本，因此逐漸成為軌道交通建設的主流設備。盾構機刀盤作為切割地層向前推進的關鍵零部件,一般配置切刀(齒刀、刮刀)、先行刀(超前刀)、貝型刀、中心刀(魚尾刀、雙刃或三刃滾刀)、超挖刀、滾刀等。其中，滾刀刀圈主要作用是破巖，一般分為齒形和盤形兩類[9]。本研究分析盾構機在濟南某地段施工中出現的滾刀失效規律，以便在刀具選擇和提高刀具使用壽命方面提供依據。
1 工程概況
1.1 工程概述
該區間長997 m，共投入2臺盾構機同時施工。盾構隧道為標準單洞單線圓形斷面，線間距11.90～17.8m，左、右線覆土厚度9.6～17.4 m，最大坡度7.8‰，最小坡度4‰，最小曲線半徑R=399.932 m。
共計穿越18處建、構筑物及1處河道。隧道地層地質復雜，地下水豐富，需穿越上軟下硬、孤石群、全斷面硬巖、裂隙及空洞地層，巖石為風化閃長巖或輝長巖，單軸抗壓強度最高達264 MPa，地質條件和周邊環境條件的復雜性國內罕見；盾構施工時易出現噴涌、刀具及刀箱異常損壞等情況，掘進功效低、安全風險高。
1.2 工程地質
該區間地質地層復雜，短距離地層變化快，同一斷面地層分布復雜，常出現大粒徑孤石、空洞、強風化閃長巖及中風化閃長巖地層同時存在的情況，對刀具損傷嚴重，需要頻繁進行開倉換刀作業，極大降低了掘進工效。
2 刀具失效及原因分析
2.1盾構機掘進參數配置
風化程度不均孤石群地層：總推力12000～15000kN；扭矩2000～2500kN·M，掘進速度8～10mm/min，貫入度2～3mm/r，轉速1.0～1.6r/min；全斷面硬巖、局部裂隙地層：總推力12000～13000 kN；扭矩1400～1 600kN·M，掘進速度2～3mm/min，貫入度5～6mm/r，轉速1.8～2.0r/min；孤石群、空洞地層：總推力7000～10000 KN；扭矩≤1500kN·M，掘進速度5～10 mm/min，貫入度8～10mm/r，轉速0.5～0.7r/min。
2.2滾刀失效分析
該區間具有不良地質作用，特殊性巖土(風化巖)，地層變化頻繁、無規律的特點，硬巖巖石強度平均達到143 MPa，個別點最高達到264 MPa。因此，該區間掘進過程中刀具損壞嚴重，開倉換刀頻繁，左線開累掘進707環，右線開累掘進649環，期間共計開倉換刀261次，共計更換刀具1528把。刀具異常損壞形式主要有：刀圈偏磨、刀圈卷刃、刀圈斷裂、刀圈崩刃、刀圈脫落、刀軸斷裂等，如圖1所示。
圖1 刀圈失效形式
掘進過程中刀圈的一條弦或幾條弦出現長時間磨損時就會造成刀圈的偏磨，如圖1（a)所示。刀圈在掘進過程中出現偏磨的原因主要是刀具軸承損壞不能靈活轉動而造成的。根據對該區間段更換刀具的統計結果看(見表1)，出現刀具偏磨的共409把，占26.8%，其中軸承損壞的共376把。造成軸承損壞的原因主要有以下幾點：(1)軸承過載或刀盤冷卻系統不良導致在掘進過程中軸承過熱抱死；(2)刀具密封損壞漏油，造成軸承潤滑不良[10-14]；(3)裝配存在質量缺陷。其次，滾刀啟動扭矩過大也容易造成滾刀時轉時不轉，使刀圈發生偏磨。刀圈偏磨而未及時發現是非常危險的，一把刀由于偏磨而失效會造成相鄰兩把刀過載而失效，從而迅速向外擴展，直 至整個刀盤全部損壞。
表1 更換刀具統計結果
刀圈卷刃是指刀圈在掘進過程中出現的刀圈邊緣卷邊現象，如圖1(b)所示。刀圈出現卷刃的原因主要是在掘進過程中巨大的推力使刀圈與巖石之間摩擦生熱，相當于擋圈回火導致其熱穩定性下降，硬度降低，出現高應力下的壓潰變形。其次擋圈在生產過程中熱處理不充分，刀圈根部硬度大邊緣硬度低也是造成刀圈卷邊的原因。根據對該區間段更換刀具的統計結果看(見表1)，出現刀圈局部崩裂共146把,占9.6%；不均勻地層或地層突然變硬會導致刀具在掘進過程中局部過載從而產生疲勞裂紋，疲勞裂紋快速擴展造成刀圈徑向斷裂[15-17],如圖1(c)所示。其次刀圈和刀體配合過盈量未達到要求也會造成刀圈的斷裂。根據對該區間段更換刀具的統計結果看(見表1),出現刀圈斷裂共251把,占16.4%。
由于該區間的地質情況復雜，巖石硬度大，在巨大的沖擊載荷下，刀刃處于高壓應力狀態，刀刃與孤石在接觸不良處承受較高的剪切力，處于拉應力狀態下，當拉應力超過刀圈合金的強度極限時，即產生裂紋從而引起刀刃崩裂[18],如圖1(d)所示。根據對該區間段更換刀具的統計結果看(見表1)，出現刀圈局部崩裂共364把,占23.8%。
刀圈在滾切巖石過程中，由于刀圈受力較大，刀圈表面掉落整塊的碎片，而整個刀圈沒有斷裂稱為刀圈脫落。如圖1(e)(f)所示。刀圈的脫落是由于在掘進施工過程中破碎巖石的力量較大，特別是在破碎孤石群時，震動較大引起刀具連接螺栓松脫、斷裂或是擋圈沿軸線方向平行位移，一旦擋圈斷裂或脫落就會造成刀圈的整體脫落[10]。根據對該區間段更換刀具的統計結果看(見表1)，出現刀圈局部崩裂共90把,占5.9%。
滾刀的失效形式具有多樣化綜合性的特點，一把滾刀可能存在多種損壞形式疊加的情況，刀圈的失效原因也呈現出多樣性和綜合性的特點，復雜的地質條件和掘進參數的合理性、滾刀刀圈、輪轂、軸和軸承密封等部件的質量、刀盤的強度、剛度和開口率等都與滾刀的失效密切相關。
3 刀圈性能測試和分析
3.1 刀圈取樣
對以上6把具有典型失效形式的滾刀分別制備硬度、成分試樣進行進一步分析，取樣參照圖2所示。首先，將刀圈兩頭各銑去30 mm左右，去除熱影響區；第二步，切刀圈10 mm厚，如圖2A處所示作為硬度試樣，保證試樣上下平面平行且Ra不低于12.5。第三步，從圖2B區域取成分試樣。
圖2 取樣示意圖
3.2 刀圈化學成分和硬度分析
通過對刀圈工況條件和刀圈失效形式及原因的分析，可以判斷：刀圈材料應具備高屈服強度，從而避免在高工作應力下出現刀圈崩刃；同時，刀圈材料也應該具備高硬度和耐磨性，以此防止刀圈出現過度磨損；此外，刀圈材料還應具備出色的沖擊韌性，有效地防止刀圈斷裂。
對6個刀圈進行光譜分析，結果如表2所示，可以得出：6個刀圈所用材料全部為中、高碳鋼，高碳含量能保證刀圈具有較好的強度和硬度；此外，6個刀圈材質中均含有較高的Mn Cr、Mo、Ni、Si、v等合金元素，其中Mn元素主要提高刀圈材料的淬透性和強度；較高的Cr含量可以提高刀圈的強度和硬度，提高其高溫機械性能；Si元素的加入能夠提高刀圈材料的彈性極限和屈服極限，保證刀圈具有良好的韌性；Mo元素能夠提高刀圈的耐磨性和強度；V元素則可以細化刀圈的內部組織和晶粒。6個刀圈硬度試驗結果如表2所示，所有試樣硬度均大于500 HBW，其中6號刀圈硬度超過651 HBW。
表2 刀圈試樣化學成分表
3.3 滾刀的材質要求
根據該地段盾構機施工過程中滾刀出現的失效形式分析和對失效滾刀力學性能測試結果可以看出，滾刀刀圈應該具備優異的性能要求，特別是刀圈的硬度、屈服強度和沖擊韌性，這就要求刀圈制造過程中材料的選擇應具備以下條件：(1)高硬度，增強刀圈的耐磨性，減少刀圈在惡劣地質條件下的磨損；(2)良好的沖擊韌性，避免裂紋的產生和迅速擴展，防止刀圈斷裂；(3)高屈服強度，提高刀圈的抗應力應變能力，減少由于應力過高導致的變形和崩裂；(4)良好的熱穩定性，特別是抗回火性能，使刀圈在熱裝和長時間摩擦生熱過程中具備穩定的性能[19]材料的加工性能也是非常關鍵的，有利于提高產品合格率和成本控制。
4 結語
滾刀作為盾構機施工中重要的零部件，滾刀失效對施工效率和安全性具有很大的負面影響，頻繁的刀具更換降低了施工效率，提高了建設成本。從該地段施工過程中刀具更換情況來看，滾刀的失效形式主要包括刀圈偏磨、刀圈卷刃、刀圈斷裂、刀圈崩刃、刀圈脫落、刀軸斷裂等，其中因為刀具偏磨而換刀最為嚴重，主要是因為掘進過程中滾刀軸承損壞導致；刀圈崩刃和刀圈斷裂也是滾刀失效的重要因素，這與該地段 地質條件復雜、巖石硬度大有著密不可分的關系。從分析結果來看，同一個失效的刀圈往往存在多種失效形式，也是受到多種綜合因素而導致的失效。
從刀圈的材質分析來看，取樣的6個刀圈所用材料全部為中、高碳鋼，高碳含量能保證刀圈具有較好的強度和硬度，同時刀圈中添加了含量較高的Mn、Cr、Mo、Ni、Si、V等合金元素保證了刀圈具有出色的硬度、強度、抗沖擊韌性和熱穩定性。
本文摘編自《隧道現地下工程災害防治》2020年6月，第2卷第2期，參考文獻略。
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