李凯凯，袁文征，喻中孝，闫 阳

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450052）

近年来，盾构法施工在隧道建设中的应用越来越广泛，其主要优势为：机械化程度高、掘进速度快、施工更安全。刀盘是盾构上的关键零部件之一，主要功能是开挖掘进、稳定掌子面以及渣土搅拌等。当掘进硬岩地层时，盾构刀盘上通常会配备具有破岩功能的滚刀。在机械破岩的方法中，滚刀破岩效率高[1-2]，是最常用的破岩刀具。由于安装于刀盘的滚刀需具备可拆卸、更换方便等特点，滚刀和刀盘结构件之间需要设置有刀箱。刀箱与滚刀之间为可拆卸连接，刀箱与刀盘结构件之间多采用焊接的方式相连接。滚刀的使用寿命是影响掘进效率的重要因素[3]，滚刀刀箱作为滚刀的“夹具”，其变形、开裂等异常损坏也会直接影响滚刀的使用寿命，甚至造成滚刀掉落[4]。许多学者对滚刀刀箱进行了研究，张凌等[5]对现有刀箱进行了改造，通过使用楔块锁紧原理，将刀箱内外刀座进行固定，设计了一种新型刀箱，无须焊接，改变了刀箱内外刀座板的安装方式。杨冬建等[6]设计了一种能满足机器人换刀的一体式刀具系统，并通过振动紧固性试验得出该刀具系统的防松性能优于传统的滚刀刀箱。

为了减少滚刀刀箱的异常损坏，延长滚刀使用寿命，提高盾构施工效率，让盾构机更好适应超长距离掘进，本文总结了滚刀刀箱的异常损坏形式，分析了损坏的原因，并提出了刀箱的结构优化方案以及可减少刀箱异常损坏的现场施工建议。此外，针对刀箱中拉紧螺栓易松动的问题，本文利用螺纹旋向相反的原理提出了一种新的机械式螺纹防松装置。

1 盾构刀盘用滚刀刀箱概述

根据分布区域的不同，可将滚刀刀箱分为中心滚刀刀箱、正面滚刀刀箱以及弧形区滚刀刀箱。顾名思义，中心滚刀刀箱布置于刀盘的中心区域，为获得较小的刀间距及较大的中心开口率，中心滚刀往往采用双刃滚刀形式。根据结构特点不同，又可将中心刀箱划分为单楔块式、双楔块式和轴向拉紧式。正面和弧形区滚刀刀箱的结构形式往往相同，对于6m 级以上的常规复合刀盘，多采用拉紧式单刃滚刀刀箱。

1.1 单楔块式中心滚刀刀箱

单楔块式中心滚刀刀箱结构如图1 所示，刀箱中穿插螺纹套，螺栓与螺纹套之间通过螺纹配合，当螺纹套损坏时，可及时更换。滚刀刀座底部的一侧通过螺栓直接与刀箱本体相连，另一侧通过楔形块和螺栓紧固于刀箱本体。单楔块式中心滚刀刀箱在滚刀刀轴方向的长度小，可获得较小的刀间距，但是由于滚刀受到的力直接作用于螺栓上，可靠性较低，因此近几年来，多用于开挖直径较小的四主梁复合刀盘，用于掘进岩石强度较高地层的六主梁或八主梁刀盘的中心刀箱多不采用这种形式。

图1 单楔块式中心滚刀刀箱结构图

1.2 双楔块式中心滚刀刀箱

双楔块式中心滚刀刀箱的结构如图2 所示，刀箱中设置有V 型槽口，槽口中放置有楔块，滚刀刀座正下方设置有拉紧块，刀座和拉紧块之间通过拉紧螺栓相连接，在楔块的作用下达到紧固的目的。此种刀箱的特点是空间利用率高，适用于小直径刀盘，有利于增大开口率和缩小刀间距。但是，由于刀箱本体的V 型槽口机加工工艺性较差，加工精度难以保证，造成刀箱的可靠性较低，在使用过程中，容易出现松动现象。因此，近几年双楔块式中心滚刀刀箱的应用日益减少，尤其是在6m 级以上刀盘中的应用更少。

图2 双楔块式中心滚刀刀箱结构图

1.3 轴向拉紧式中心滚刀刀箱

轴向拉紧式中心滚刀刀箱的结构如图3 所示，从图3（b）中可以看出，滚刀刀座放置于刀箱上，刀座右下角放置于刀箱本体的V 型槽口中，左下方放置于刀箱本体与径向楔形块所构成的V型空间中，在径向拉紧螺栓的作用下，通过楔紧的方式紧固。从图3（a）中可以看出，在滚刀刀轴的轴线方向，刀座通过轴向楔形块和轴向拉紧螺栓的共同作用进行轴向定位和夹紧。与前述的单楔块和双楔块式中心刀箱相比，轴向拉紧式刀箱的强度和可靠性更高，适于在高强度岩层中掘进，但是该刀箱所需要的放置空间较大，尤其是在刀轴轴线方向布置的轴向拉紧块，限制了布置更小刀间距。所以，轴向拉紧式中心滚刀刀箱多用于6m 级以上的六主梁或八主梁复合刀盘。

图3 轴向拉紧式中心滚刀刀箱结构图

1.4 拉紧式单刃滚刀刀箱

拉紧式单刃滚刀刀箱的结构如图4 所示，刀箱本体上通过两颗螺钉固定安装有C 型块，滚刀刀轴放置于C 型块中，并在楔形块的楔紧作用下得以紧固。楔形块中穿插有拉紧螺栓，螺栓的预紧力保持滚刀刀轴时刻处于被夹紧状态。

图4 拉紧式单刃滚刀刀箱结构图

拉紧式单刃滚刀刀箱的结构强度高，性能可靠，被广泛应用于除刀盘中心区域以外的正面及弧形区域。但是，该刀箱也存在薄弱之处，如刀箱中的C 型块，在滚刀破岩过程中，C 型块承受较大的交变载荷，易发生变形甚至开裂现象，所以C 型块往往选用42CrMo 等强度较高的材料。

2 盾构刀盘用滚刀刀箱的应用现状

由于盾构掘进地层岩石强度高、软硬不均、地层中存在破碎带、换刀不及时以及掘进参数使用不当等不利因素的影响，滚刀刀箱易出现变形、压溃、开裂等异常损坏情况，严重影响施工的正常进行。刀箱一旦损坏，其修复或更换过程极为困难，通常需要在地面打竖井，通至刀盘前面的掌子面处，为刀箱修复提供作业空间。当地质条件稳定时，也可直接在洞内作业，通过人工在刀盘前面的掌子面处凿出修复刀箱所需的作业空间。

2.1 中心滚刀刀箱的应用现状分析

位于刀盘中心的滚刀所在的轨迹半径小，滚刀在破岩的过程中滑移量大[7]，易出现滑移磨损和刀具不旋转的情况。滑移磨损和刀具不旋转均会导致刀箱受到的推力增大，进而导致刀箱的异常损坏。另一方面，滚刀的理论转数与所在的轨迹半径成正比，由于中心滚刀的轨迹半径小，所以理论转数也较少。总之，滑移量大、转数少是中心滚刀的工况特点。

图5 是济南地铁隧道建设项目某盾构段施工中刀盘中心滚刀发生掉落的现象，从图中可以看出，刀盘中心为单楔块式中心滚刀刀箱，两把双刃中心滚刀均掉落在了刀盘的L 型梁上。此外，图中的滚刀基本完好，并且磨损量较小，可见并没有经过长距离的掘进作业。因此，可以基本确定滚刀掉落的原因是刀座与刀箱本体之间的连接螺栓发生了松动或者断裂。

图5 单楔块式中心滚刀掉落

图6 是珠三角城际轨道交通广佛环线项目某隧道施工中盾构刀盘的中心滚刀，该中心刀箱采用的是双楔块式中心滚刀刀箱。从图中可以看出，刀箱与刀盘结构件之间的焊缝开裂，刀箱一侧已经出现了后退现象。

图6 双楔块式中心滚刀刀箱后退

图7 是在贵阳地铁隧道某盾构区间的施工过程中，刀盘中心刀箱的异常损坏现象。从图中可以看出，刀盘中心区域安装的是轴向拉紧式中心滚刀刀箱，由于出现了螺纹松动现象，导致拉紧螺栓掉落。

图7 轴向拉紧式中心滚刀刀箱拉紧螺栓掉落

2.2 拉紧式单刃滚刀刀箱的应用现状分析

拉紧式单刃滚刀刀箱在使用过程中，也易出现螺纹松动现象，如图8 所示，可以看出刀箱底部的拉紧块发生了错位，无法正常使用。经过分析，其原因应该是拉紧螺栓发生了松动现象，预紧力减小，拉紧块和刀箱本体之间无法完全贴合，在剧烈的震动和冲击下，拉紧块发生了错位现象。

图8 拉紧式单刃滚刀刀箱的拉紧块发生错位

现场曾采用过一些焊接式的螺纹防松方法，如图9 所示，将2 个拉紧螺栓的螺母通过1 根金属杆焊接在一起，防止螺母转动，以达到螺纹防松的目的。这种防松方式虽然可靠，但作业过程繁琐，工人需要在土仓中进行焊接作业，操作空间狭小，作业环境恶劣。当需要更换刀具时，还需要将焊接的金属杆进行人工刨除。此外，在地层条件不稳定的情况下，需要带压进仓换刀时，在仓内进行焊接作业几乎是不可能的。

图9 拉紧式单刃滚刀刀箱的焊接式螺纹防松

拉紧式单刃滚刀刀箱中的C 型块也是极易损坏的零部件之一，C 型块多采用42CrMo 等高强度材料制作而成，热处理后的硬度可达32～38HRC。如图10 所示，是轴向拉紧式滚刀刀箱的常见异常损坏形式之一，从图中可以看出，C 型块发生变形，导致刀箱本体压溃。究其原因可能是多方面的，一方面可能是由于制造误差，C 型块与刀箱本体之间没有紧密贴合，由理想状态下的面接触变为线接触甚至点接触，当滚刀受到掌子面的推力，导致C 型块变形，刀箱本体压溃；另一方面可能是由于拉紧螺栓发生了松动现象，滚刀在破岩的过程中剧烈震动，刀轴不断撞击C 型块，导致其变形。

图10 拉紧式单刃滚刀刀箱压溃变形

3 滚刀刀箱的优化设计

3.1 优化刀箱结构设计

为提高滚刀刀箱的整体强度和可靠性、减小刀箱的异常损坏率，本文针对应用最广泛的拉紧式单刃滚刀刀箱，提出了一种优化的刀箱结构，如图11 所示，其结构形式与原刀箱的主要区别点如下。

图11 优化后的拉紧式单刃滚刀刀箱

1）刀箱的深度（图11 中的W值）有所增大，拉紧螺栓的长度有所增长。滚刀受到的掌子面的推力会通过刀轴直接作用于刀箱本体，增大刀箱本体在W 方向的长度可提升整个刀箱的强度。此外，拉紧螺栓的长度也相应增加。假设拉紧螺栓在预紧后的变形量在弹性变形范围内，根据胡克定律，螺栓的预紧力F满足如下公式

F＝Cλ

其中，C为螺栓的刚度；λ为螺栓伸长量。

螺栓的刚度C与螺栓的有效长度成反比，所以螺栓的有效长度越大，刚度C越小。如图11所示，当刀箱受到剧烈震动和冲击后，楔形块和拉紧块等发生局部压溃或微小变形，拉紧螺栓的伸长量就会减小，假设其伸长量减小Δλ，则螺栓预紧力就会损失CΔλ。换言之，当拉紧螺栓的有效长度增加后，螺栓的刚度C减小，则螺栓预紧力的损失量也会减少。因此，当拉紧螺栓加长后，在同等条件下，滚刀刀轴的夹紧会更可靠。

2）C 型块与刀箱本体一体化设计。如图11所示，将原刀箱中的C 型块与刀箱本体“合二为一”，合并后的刀箱本体可采用30Cr2Ni2Mo 等高强度合金结构钢，与滚刀刀轴相接触的两个面可通过表面淬火的热处理方式提高其硬度。此外，若刀箱本体的材料与刀盘结构件之间的焊接性较差，可先在刀箱本体上焊接过渡层，然后再与刀盘结构件进行焊接，如此可保证焊接的可靠性。C 型块与刀箱本体的一体化设计可有效避免由于加工制造误差导致的C 型块与刀箱本体之间无法紧密贴合的现象。

3）在拉紧块与刀箱本体之间增设销钉设计。在每个拉紧块和刀箱本体之间设置了2 个定位销钉（图11），一方面，可有效避免拉紧块发生错位现象（图8）；另一方面，在工作人员进行换刀作业时，可有效降低拉紧块装配位置不准确的风险。

3.2 新型螺纹防松装置

上述分析表明，螺纹松动是导致刀箱异常损坏的一大重要原因。针对螺纹防松问题，本文提出了一种新型的螺纹防松装置，如图12 所示。通过设置2 个外六方尺寸相同且旋向相反的螺母（主螺母和辅助螺母），两螺母的外圆周套装有六方套筒，用于限制2 个螺母只能沿着同一方向转动。在安装使用时，首先将主螺母拧紧，然后装小垫片及辅助螺母，将辅助螺母拧紧后，需要再反拧一个角度θ（θ＜60°），以保证两螺母的外六方方位一致，最后安装六方套筒和开口销等零部件。

图12 新型螺纹防松装置

该新型螺纹防松装置的工作原理是：螺栓在使用过程中，当主螺母有松动趋势时，2 个螺母就会相互靠近“抱死”。假设主螺母和辅助螺母的螺纹导程相等，均为L，则在2 个螺母相互靠近的过程中会同时转动一个角度θ/2（θ/2＜30°），也就意味着螺栓的伸长量最多会减少L/12，螺栓的预紧力就会略有减小。预紧力减小可有效降低螺栓在剧烈冲击载荷下发生断裂的风险，可在一定程度上起到缓冲和过载保护作用。

4 现场施工建议

4.1 换刀后及时进行螺栓复紧

滚刀在使用一定时间后会发生磨损，当磨损量达到一定程度后需进行更换。更换滚刀的过程目前仍多采用人工作业的方式，工作人员需在土仓中进行操作，作业空间狭小，视线差。在换刀时，可能出现楔形块和滚刀刀轴之间以及楔形块和刀箱本体之间贴合不紧的情况，甚至其间存在一些石子等夹杂物。所以在破岩过程中，滚刀由于震动剧烈会发生松动情况。因此，新装的滚刀在短距离掘进一段时间（掘进2m 左右）后，在地质条件允许的情况下，应对拉紧螺栓及时进行复紧，消除各零部件之间的间隙，以保证滚刀夹紧可靠。

4.2 定期或不定期进仓检查

盾构掘进的具体地质情况具有不可预见性，在掘进一定距离（或一段时间）后，在地质情况允许的条件下，应及时进仓检查，若发现刀具有严重磨损或异常损坏时，及时更换刀具。除此之外，当掘进的推力或者扭矩突然增大时，应当及时查明原因，必要时进仓检查，查看是否有刀盘变形开裂、刀具掉落、刀箱损坏等不良情况发生，以免造成严重后果。

5 结语

1）总结了常见滚刀刀箱的结构形式及滚刀夹紧原理，对比分析了各种类型刀箱的优缺点及适用范围。分析得出，轴向拉紧式中心滚刀刀箱和拉紧式单刃滚刀刀箱中滚刀受到的力不直接作用于螺栓上，在同等条件下，具有较高的可靠性。

2）通过举例总结了各种滚刀刀箱在现场应用过程中的异常损坏形式和造成其损坏的原因，分析得出刀箱结构强度低、螺栓松动是造成刀箱异常损坏的主要原因。

3）针对应用最广泛的拉紧式单刃滚刀刀箱，通过将刀箱本体和C 型块“合二为一”、增大刀箱的深度以及在拉紧块和刀箱本体之间增设销钉等方式，对其进行了优化设计。利用两个螺母螺纹旋向相反的原理，设计了一种新型的螺纹防松装置，可有效解决在剧烈震动、冲击工况下螺纹易松动的问题。

4）为减少刀箱的异常损坏，提出了两点现场施工建议：①在换刀后及时对拉紧螺栓进行复紧；②在条件允许情况下，定期或不定期进行开仓检查。