段戊龙

中铁十二局集团第二工程有限公司，山西 太原 030032

盾构法施工是当前隧道钻进施工的主要应用方式之一，在我国得到了较为广泛的推广和应用，当前该项施工技术可应用在各种复杂地层的钻进施工中，且表现出较高的施工效率和施工安全性[1]。但是盾构机在硬土地层中钻进时，常出现盾构刀具受损严重的现象，使盾构钻进施工的成本大幅度增加。在此情况下，对盾构刀具损坏机理进行深入分析，总结盾构刀具的磨损规律，采取科学的防治措施，不仅有助于提升施工效率，还能够显著降低盾构施工成本，针对这方面的研究具有较为积极的意义。

1 盾构机刀具的主要配置

盾构机在进行施工时，主要配置的刀具类型包括滚刀、焊接式先行刀、切刀、边缘刮刀、超挖滚刀、保护刀、外周耐磨块等，各种刀具在盾构过程中所具有的作用存在着较大的差异。（1）滚刀在盾构机中主要承担开挖面硬岩土层的挖掘施工，也是盾构机中最先与开挖面接触的刀具，其在安装时通常比盾构机的刀盘高度高出175mm；（2）焊接式先行刀在盾构机中起保护切刀的作用，其安装高度相较于切刀高出20mm，相较于滚刀高出15mm；（3）切刀和边缘刮刀主要发挥切削和装载的功能，开挖面土层经滚刀破碎后，产生的渣土经切刀和边缘刮刀处理，然后进入渣槽中；（4）保护刀主要焊接在刀盘注入口的上端部位，该刀具可有效保护刀盘注入口，降低其受损程度；（4）外周耐磨块也被称为外周保护刀，其能够对刀盘外圆周进行有效保护，通过在刀盘外圆周均匀布置外周耐磨块，形成环状保护刀盘外圆周[2]。

2 盾构机滚刀的工作原理

从盾构机刀具配置的实际情况来看，盾构机在硬土地层中施工时，受损较为严重的刀具主要为滚刀，受损类型可分为单边磨损、多边磨损、崩刃等。盾构机滚刀的受损情况与滚刀的工作原理密切相关，其工作原理如下：盾构机滚刀在推力作用下直接压上需要开挖的硬质土层，刀盘在旋转工作的过程中，滚刀自身会绕轴线呈自转状态，同时还会绕刀盘的中心轴呈现公转的状态[3]。如果在此运行过程中，盾构机对开挖面施加的推力较大，超出开挖面的强度数值时，则滚刀能够顺利破碎开挖面，将刀刃插入开挖面中，并在开挖面上形成1块压碎区域；然后在此基础上，盾构机进一步加大推力，相邻滚刀作用下的开挖面会形成1个贯通面，使得开挖面中的硬质土层崩落，至此盾构机滚刀便顺利完成1次切削加工。

3 硬土地层施工中盾构机滚刀受损类型及原因

硬土地层的泥石结构相对较为稳固，盾构机滚刀在进行开挖作业时，为保证顺利完成开挖，必须施加更大的推力，在较大的推力作用下，滚刀的受损程度无疑将增大，进而可能出现单边磨损严重、多边磨损严重、崩刃等情况。下面对以上受损类型的具体引发原因展开分析。

3.1 滚刀均匀磨损

在正常盾构施工作业过程中，滚刀在与开挖面长时间接触的过程中，刀具会受到磨损，正常情况下滚刀不同位置的受损程度应保持均匀，即滚刀的刀圈周边位置受到的磨损程度基本相同，这种现象属于盾构机滚刀施工作业的正常现象，在长时间盾构施工作业之下，盾构机滚刀都会表现出这种受损状态[4]。

3.2 滚刀单边磨损

从盾构机滚刀旋转切削作业的情况来看，刀盘的转动带动滚刀自传，如果滚刀在实际工作时，盾构机的盾构贯入度不足，导致刀盘提供的轴向转动力矩不足，则会使滚刀的自转受到影响，可能出现滚刀单边破损的情况。此外，如果出现机械故障，也可能引起滚刀自转停止，进而出现滚刀刀圈单边磨损严重的情况，这种状况对滚刀造成的损害较大，属于盾构施工作业中的重点防范问题[5]。

3.3 滚刀多边磨损

盾构机滚刀出现多边磨损的情况大多与引起滚刀单边磨损的原因相关。在实际盾构施工作业过程中，滚刀刀圈单边受到较为严重的磨损后，在偏磨角产生的外部应力作用下，会使盾构机的滚刀出现瞬时性旋转，然后出现第二边磨损、第三边磨损，乃至多边磨损。

3.4 滚刀崩刃

为保证滚刀的切削性能，通常需要在刀具的刃口位置镶嵌少量硬质合金，以此提升刀具的硬度，但随之产生的缺点也较为明显，刀具的韧性较差。在滚刀与硬土地层碰撞接触的过程中，瞬间将产生较大的冲击力，该作用力可能对刀具的刃口部位造成损伤，严重时便会出现崩刃故障。

4 硬土地层施工中盾构机刀具受损防治措施

在盾构挖掘施工中，硬土地层属于一种较为常见的地质类型，其会在很大程度上加剧盾构机滚刀的受损程度，为有效降低其受损程度，对盾构机刀具采取必要的防治措施十分必要。基于盾构机滚刀的各类型受损情况，主要可采取以下受损防治措施。

4.1 把握盾构机滚刀的换刀时机

在盾构施工中，为保证整体掘进作业效率，同时形成对刀盘和其他刀具的有效保护，应在盾构施工作业过程中有效控制滚刀的磨损量，准确把握盾构机滚刀的换刀时机[6]。当前关于滚刀磨损量的预测、推算主要可通过以下两种方式来实现：

（1）在盾构机滚刀受到较为严重的磨损时，如果维持盾构机的总推力不变，此时会发现盾构机掘进速度明显降低，且总扭矩数值明显升高，根据这些参数信息能够较为准确地估算出滚刀的磨损状况，进而判断是否需要行换刀。

（2）研究发现，盾构机在正常运转工作状态下，盾构机的单一滚刀受到的磨损情况与盾构机的施工工艺、地质条件、刀盘转速等众多因素有直接联系，可根据这些基础性参数，应用式（1）和式（2）推算盾构机滚刀的磨损量，该计算方法的准确性较高。

式中：δ为磨损量；k为磨损系数；D为切削轨迹直径；N为刀盘转速；L为推进距离；υ为掘进速度；a为刀具每转掘进长度。

此外，在实际掘进作业中，应适当提高开仓频率，做到勤检、勤看、勤换、勤查，同时注意加强渣土取样，根据出渣情况，判断刀具磨损情况，并对出渣温度进行检测，避免渣温过高引起刀具轴承故障。

4.2 优化盾构机滚刀掘进参数

从盾构机滚刀的运行工作原理来看，其在实际掘进过程中所受荷载大小与贯入度具有较为紧密的联系，贯入度越大，其所受到的荷载越大，当荷载超过滚刀承受能力时，便可能对滚刀造成较大的损害。因此，在实际掘进施工中，首先应调查了解滚刀能够承受的最大荷载，然后在此基础上控制贯入度数值，降低作用在滚刀上的总推力，延长其实际使用寿命，同时顺利完成掘进施工任务。

4.3 改良开挖面渣土土体性能

在硬土地层施工中，当滚刀作用在开挖面上时，由于土质较硬，容易形成“砂轮效应”，进而对滚刀产生较为严重的磨损，降低其使用寿命。在此情况下，可通过添加泡沫剂的方式，改良开挖层渣土的土体性能，使渣土具备更高的流塑性，促进挖掘施工的顺利进行。为保证土体获得较好的改良效果，需注意结合土体情况配置合适浓度的泡沫剂原液，同时在掘进施工作业中结合推进速度，对泡沫剂的注入量进行适当调整[7]。

5 结束语

由于盾构机刀具在硬土地层施工作业时容易产生磨损，严重时还会增加掘进成本，降低掘进效率，为有效保障整个施工作业过程的高效性、经济性，加强盾构机刀具受损防治工作至关重要。基于盾构机刀具工作原理以及受损原因，在进行掘进作业时，主要可通过把握盾构机滚刀的换刀时机、优化盾构机滚刀掘进参数、改良开挖面渣土土体性能等措施来进行防治。