卢庆亮，袁乃强
（济南重工集团有限公司）
摘 要：随着国内轨道交通建设的不断推进，盾构施工技术的应用越来越广泛。滚刀作为盾构施工的关键零部件，其工作效率和失效形式与施工地质条件有直接关系，并对施工进度和安全性具有重要的影响。以某地铁工程盾构掘进施工为例,分析该区间段复杂的地质条件,根据实际情况分析盾构机在掘进过程中滚刀的失效形式和失效原因,并对刀圈的硬度和材质选择进行简要讨论。结果表明，在该地段施工过程中滚刀的失效形式主要为刀圈偏磨、刀圈卷刃、刀圈断裂、刀圈崩刃、刀圈脱落、刀轴断裂等。
关键词：盾构机；滚刀；地质条件；失效类型；材质
0 引言
随着我国经济的迅猛发展和城镇化进程的加速推进，我国城市体量急剧增大，城市公共交通压力巨大，城市居民出行舒适度降低[1-4]。近年来，为了缓解城市巨大的交通压力，建立城际立体化交通网，具有运行速度快、客流量大、噪音污染少、消耗能量低等优势的地下快速轨道交通建设受到诸多城市的青睐[5-8]。盾构掘进机大大提高了轨道交通的施工效率和施工质量并降低了建设成本，因此逐渐成为轨道交通建设的主流设备。盾构机刀盘作为切割地层向前推进的关键零部件,一般配置切刀(齿刀、刮刀)、先行刀(超前刀)、贝型刀、中心刀(鱼尾刀、双刃或三刃滚刀)、超挖刀、滚刀等。其中，滚刀刀圈主要作用是破岩，一般分为齿形和盘形两类[9]。本研究分析盾构机在济南某地段施工中出现的滚刀失效规律，以便在刀具选择和提高刀具使用寿命方面提供依据。
1 工程概况
1.1 工程概述
该区间长997 m，共投入2台盾构机同时施工。盾构隧道为标准单洞单线圆形断面，线间距11.90～17.8m，左、右线覆土厚度9.6～17.4 m，最大坡度7.8‰，最小坡度4‰，最小曲线半径R=399.932 m。
共计穿越18处建、构筑物及1处河道。隧道地层地质复杂，地下水丰富，需穿越上软下硬、孤石群、全断面硬岩、裂隙及空洞地层，岩石为风化闪长岩或辉长岩，单轴抗压强度最高达264 MPa，地质条件和周边环境条件的复杂性国内罕见；盾构施工时易出现喷涌、刀具及刀箱异常损坏等情况，掘进功效低、安全风险高。
1.2 工程地质
该区间地质地层复杂，短距离地层变化快，同一断面地层分布复杂，常出现大粒径孤石、空洞、强风化闪长岩及中风化闪长岩地层同时存在的情况，对刀具损伤严重，需要频繁进行开仓换刀作业，极大降低了掘进工效。
2 刀具失效及原因分析
2.1盾构机掘进参数配置
风化程度不均孤石群地层：总推力12000～15000kN；扭矩2000～2500kN·M，掘进速度8～10mm/min，贯入度2～3mm/r，转速1.0～1.6r/min；全断面硬岩、局部裂隙地层：总推力12000～13000 kN；扭矩1400～1 600kN·M，掘进速度2～3mm/min，贯入度5～6mm/r，转速1.8～2.0r/min；孤石群、空洞地层：总推力7000～10000 KN；扭矩≤1500kN·M，掘进速度5～10 mm/min，贯入度8～10mm/r，转速0.5～0.7r/min。
2.2滚刀失效分析
该区间具有不良地质作用，特殊性岩土(风化岩)，地层变化频繁、无规律的特点，硬岩岩石强度平均达到143 MPa，个别点最高达到264 MPa。因此，该区间掘进过程中刀具损坏严重，开仓换刀频繁，左线开累掘进707环，右线开累掘进649环，期间共计开仓换刀261次，共计更换刀具1528把。刀具异常损坏形式主要有：刀圈偏磨、刀圈卷刃、刀圈断裂、刀圈崩刃、刀圈脱落、刀轴断裂等，如图1所示。
图1 刀圈失效形式
掘进过程中刀圈的一条弦或几条弦出现长时间磨损时就会造成刀圈的偏磨，如图1（a)所示。刀圈在掘进过程中出现偏磨的原因主要是刀具轴承损坏不能灵活转动而造成的。根据对该区间段更换刀具的统计结果看(见表1)，出现刀具偏磨的共409把，占26.8%，其中轴承损坏的共376把。造成轴承损坏的原因主要有以下几点：(1)轴承过载或刀盘冷却系统不良导致在掘进过程中轴承过热抱死；(2)刀具密封损坏漏油，造成轴承润滑不良[10-14]；(3)装配存在质量缺陷。其次，滚刀启动扭矩过大也容易造成滚刀时转时不转，使刀圈发生偏磨。刀圈偏磨而未及时发现是非常危险的，一把刀由于偏磨而失效会造成相邻两把刀过载而失效，从而迅速向外扩展，直 至整个刀盘全部损坏。
表1 更换刀具统计结果
刀圈卷刃是指刀圈在掘进过程中出现的刀圈边缘卷边现象，如图1(b)所示。刀圈出现卷刃的原因主要是在掘进过程中巨大的推力使刀圈与岩石之间摩擦生热，相当于挡圈回火导致其热稳定性下降，硬度降低，出现高应力下的压溃变形。其次挡圈在生产过程中热处理不充分，刀圈根部硬度大边缘硬度低也是造成刀圈卷边的原因。根据对该区间段更换刀具的统计结果看(见表1)，出现刀圈局部崩裂共146把,占9.6%；不均匀地层或地层突然变硬会导致刀具在掘进过程中局部过载从而产生疲劳裂纹，疲劳裂纹快速扩展造成刀圈径向断裂[15-17],如图1(c)所示。其次刀圈和刀体配合过盈量未达到要求也会造成刀圈的断裂。根据对该区间段更换刀具的统计结果看(见表1),出现刀圈断裂共251把,占16.4%。
由于该区间的地质情况复杂，岩石硬度大，在巨大的冲击载荷下，刀刃处于高压应力状态，刀刃与孤石在接触不良处承受较高的剪切力，处于拉应力状态下，当拉应力超过刀圈合金的强度极限时，即产生裂纹从而引起刀刃崩裂[18],如图1(d)所示。根据对该区间段更换刀具的统计结果看(见表1)，出现刀圈局部崩裂共364把,占23.8%。
刀圈在滚切岩石过程中，由于刀圈受力较大，刀圈表面掉落整块的碎片，而整个刀圈没有断裂称为刀圈脱落。如图1(e)(f)所示。刀圈的脱落是由于在掘进施工过程中破碎岩石的力量较大，特别是在破碎孤石群时，震动较大引起刀具连接螺栓松脱、断裂或是挡圈沿轴线方向平行位移，一旦挡圈断裂或脱落就会造成刀圈的整体脱落[10]。根据对该区间段更换刀具的统计结果看(见表1)，出现刀圈局部崩裂共90把,占5.9%。
滚刀的失效形式具有多样化综合性的特点，一把滚刀可能存在多种损坏形式叠加的情况，刀圈的失效原因也呈现出多样性和综合性的特点，复杂的地质条件和掘进参数的合理性、滚刀刀圈、轮毂、轴和轴承密封等部件的质量、刀盘的强度、刚度和开口率等都与滚刀的失效密切相关。
3 刀圈性能测试和分析
3.1 刀圈取样
对以上6把具有典型失效形式的滚刀分别制备硬度、成分试样进行进一步分析，取样参照图2所示。首先，将刀圈两头各铣去30 mm左右，去除热影响区；第二步，切刀圈10 mm厚，如图2A处所示作为硬度试样，保证试样上下平面平行且Ra不低于12.5。第三步，从图2B区域取成分试样。
图2 取样示意图
3.2 刀圈化学成分和硬度分析
通过对刀圈工况条件和刀圈失效形式及原因的分析，可以判断：刀圈材料应具备高屈服强度，从而避免在高工作应力下出现刀圈崩刃；同时，刀圈材料也应该具备高硬度和耐磨性，以此防止刀圈出现过度磨损；此外，刀圈材料还应具备出色的冲击韧性，有效地防止刀圈断裂。
对6个刀圈进行光谱分析，结果如表2所示，可以得出：6个刀圈所用材料全部为中、高碳钢，高碳含量能保证刀圈具有较好的强度和硬度；此外，6个刀圈材质中均含有较高的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强度；较高的Cr含量可以提高刀圈的强度和硬度，提高其高温机械性能；Si元素的加入能够提高刀圈材料的弹性极限和屈服极限，保证刀圈具有良好的韧性；Mo元素能够提高刀圈的耐磨性和强度；V元素则可以细化刀圈的内部组织和晶粒。6个刀圈硬度试验结果如表2所示，所有试样硬度均大于500 HBW，其中6号刀圈硬度超过651 HBW。
表2 刀圈试样化学成分表
3.3 滚刀的材质要求
根据该地段盾构机施工过程中滚刀出现的失效形式分析和对失效滚刀力学性能测试结果可以看出，滚刀刀圈应该具备优异的性能要求，特别是刀圈的硬度、屈服强度和冲击韧性，这就要求刀圈制造过程中材料的选择应具备以下条件：(1)高硬度，增强刀圈的耐磨性，减少刀圈在恶劣地质条件下的磨损；(2)良好的冲击韧性，避免裂纹的产生和迅速扩展，防止刀圈断裂；(3)高屈服强度，提高刀圈的抗应力应变能力，减少由于应力过高导致的变形和崩裂；(4)良好的热稳定性，特别是抗回火性能，使刀圈在热装和长时间摩擦生热过程中具备稳定的性能[19]材料的加工性能也是非常关键的，有利于提高产品合格率和成本控制。
4 结语
滚刀作为盾构机施工中重要的零部件，滚刀失效对施工效率和安全性具有很大的负面影响，频繁的刀具更换降低了施工效率，提高了建设成本。从该地段施工过程中刀具更换情况来看，滚刀的失效形式主要包括刀圈偏磨、刀圈卷刃、刀圈断裂、刀圈崩刃、刀圈脱落、刀轴断裂等，其中因为刀具偏磨而换刀最为严重，主要是因为掘进过程中滚刀轴承损坏导致；刀圈崩刃和刀圈断裂也是滚刀失效的重要因素，这与该地段 地质条件复杂、岩石硬度大有着密不可分的关系。从分析结果来看，同一个失效的刀圈往往存在多种失效形式，也是受到多种综合因素而导致的失效。
从刀圈的材质分析来看，取样的6个刀圈所用材料全部为中、高碳钢，高碳含量能保证刀圈具有较好的强度和硬度，同时刀圈中添加了含量较高的Mn、Cr、Mo、Ni、Si、V等合金元素保证了刀圈具有出色的硬度、强度、抗冲击韧性和热稳定性。
本文摘编自《隧道现地下工程灾害防治》2020年6月，第2卷第2期，参考文献略。
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