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摘要：本文通过对南京地铁机场线工程安山岩地层盾构掘进过程中滚刀的使用情况进行分析，分析列举了导致滚刀损耗的主要因素，提出应从技术和管理两方面采取改进和控制措施，通过降低施工过程中滚刀的损耗率，保证盾构机掘进施工的连续性，提高工程整体施工进度，最终实现为整个项目增值。
关键词：复合盾构机滚刀损耗 施工效率
中图分类号：U455文献标识码： A
引言
近年来，复合地层中进行掘进施工的隧道施工项目日渐增多，促进了硬岩TBM与软土盾构施工技术的融合，大量在刀盘上同时配备了滚动及滑动切削刀具的所谓复合盾构机应运而生，得到了广泛的运用。然而，复合地层不均匀的土质，往往会严重地影响滚刀的使用寿命和盾构机的掘进效率。研究如何采取有效的改进措施，提高滚刀在复合地层中的施工效率，降低工程成本，已成当今盾构法隧道施工迫切需要解决的难题之一。
1工程概况
南京地铁机场线工程位于南京市江宁区，北起南京南站，南至禄口国际机场，线路全长约34.9km，其中地下段长约16.3km，共有8个盾构区间,采用16台复合土压平衡盾构进行施工。盾构区间平面线路以直线为主，最小平面曲率半径350m，线路最大纵坡29.5‰，最小覆土厚度4.8m，最大覆土厚度26m。隧道管片采用错缝形式拼装，内径5500mm，外径6200mm，环宽1200mm。
隧道在安山岩地层掘进时穿越的岩土类型及参数见下表1：
表1典型区间主要土层岩土物理力学性能参数表
在上述地层中掘进过程中，滚刀的消耗量统计分析见下表2：
表2滚刀消耗量统计分析表
2掘进初期滚刀非正常损坏的主要因素
2.1滚刀磨损消耗剧烈
工程初期，滚刀在由强风化～微风化安山岩构成的地层中损耗速度较快，换刀频繁。一般推进20环左右就须开仓换刀。在坚硬的微风化安山岩中情况则更为严重。当时施工统计数据显示，由于检查及更换刀具而造成隧道暂停掘进的时间占施工时间的比率高达15%～20%。
2.2滚刀转动失效状况多发
滚刀在切削岩土的过程中因摩擦而产生高温，橡胶密封圈因受热导致其失去弹性，密封性能降低。另一方面，滚刀轴承表面因在高负荷下长时间转动会产生金属疲劳破坏，其脱落下来的铁屑对轴承及金属浮动密封圈的密封面产生破坏。[1]由上述两方面原因导致密封失效，外界水土等异物大量进入刀体，最终导致轴承完全损坏，滚刀无法正常转动，形成单边弦磨。
在“上软下硬”的复合地层中，由于开挖面自稳性较差，施工中常常发生局部塌落，造成滚刀的滚动力矩不足。同时，刀盘面板易结泥饼，滚刀易被土体包裹起来，无法正常滚动，形成多边弦磨。
偶有刀圈因弦磨或断裂、脱落，导致刀体直接与开挖面岩石接触造成刀身严重磨损的情况发生，见图1。
图1因转动失效而最终导致滚刀损坏
2.3滚刀外部变形、受损
在“上软下硬”复合地层中施工时，由于开挖面土质软硬变化较大，加之刀圈材质较脆，韧性较低，往往导致刀圈崩裂。
在微风化安山岩地层中掘进的盾构机，滚刀刀圈由于材质硬度低于岩石硬度，发生了卷边的情况。某些滚刀的端盖因受岩石的撞击还产生了变形。滚刀受损情况见图2。
圖2滚刀外部变形、受损
3改进措施
3.1刀圈型式及材质比选
我们首先采用了碳化钨合金刀圈替换了之前使用的普通刀圈，同时对镶嵌合金齿型式的刀圈与采用整圈合金型式的刀圈的使用效果进行了试验比对。实验结果显示，在安山岩复合底层中，采用镶嵌整圈合金型式的刀圈，最有利于工程效率的提高和施工成本的降低。采用此种刀圈，最大换刀距离得到了大幅提升，同时刀盘扭矩得到了大幅降低。因此在后续工程中，我们大量采用了整圈合金刀圈滚刀。改进效果如表3和图3所示。
表3不同刀刃材料对施工参数影响对比表
图3普通刀圈与2种合金刀圈掘进磨损量比较图
3.2提高滚刀密封装置的可靠性
增强滚刀密封性能可从两方面入手。一是改进密封设置的薄弱点，增加密封数量。针对实际施工中滚刀端盖密封失效率居高不下的情况，我们对滚刀密封端盖进行了改进，额外增加了一道O型橡胶密封圈，减少了砂土进入轴承腔的几率。
二是提高密封可靠性，即选用高性能的密封装置。滚刀轴承外侧的金属浮动密封圈是由专业生产厂商生产研发的。经过认真比选，我们选用了适用压力更高，变形调节能力更强的密封装置，密封效果改善显著。在后期施工过程中，滚刀密封失效的情况大大减少。据统计，通过采取上述两方面措施，虽然滚刀采购成本上升了约3.5%；但是由于滚刀密封装置失效而导致的滚刀停转、偏磨现象发生的比例，则大幅下降了约46%。
3.3施工参数设定的要点
盾构机总推力、滚刀贯入度、刀盘转速等重要施工参数的设定以及土体改良剂的使用等辅助措施的采取，对滚刀的切削效果有着直接而重要的影响。保证滚刀能够在其合理的使用寿命中最大限度地发挥其性能，是贯穿在复合盾构施工全过程中的关键工作之一。
1）掘进时推进油缸的总推力，在克服盾体、刀盘与地层的摩擦力之外，能够作用在滚刀上的“有效推力”，其上限值不能大于刀盘所有滚刀所能承受的推力之和；其下限值必须能够保证滚刀正常转动并具备足够的破岩力。否则过大的推力易造成刀具轴承损坏、刀轴变形，严重的甚至会影响刀盘的主体结构与主轴承的使用寿命；过小则不能使滚刀刀刃对开挖面岩层造成有效的滚压破坏，滚刀磨损加快，掘进速度缓慢。施工过程中的实际总推力见前述表3。依据前人经验，传递到刀盘的有效推力约为总推力的30%～35%，[2]据此推算，每把滚刀所承受的推力约为15吨，小于其所能承受的最大推力25吨。
2）滚刀贯入度指刀盘每转一周，滚刀刀刃切入开挖面岩层的平均深度。在每一环掘进过程中，盾构机掘进速度设定值不变的情况下，刀具运行距离与刀盘转速成正比，与滚刀贯入度成反比。若贯入度过小，刀具运行的距离将加长，刀具磨损将加快。而贯入度过大，有可能造成滚刀的过载损坏以及刮刀的崩落。[3]施工中一般原则是控制贯入度不大于滚刀与刮刀之间的高度差。[2]本工程所采用的盾构滚刀与刮刀的刀具高度差均为30mm。在本工程的安山岩复合地层中掘进时，贯入度一般控制在20mm以内。
3）在上软下硬等复合地层中掘进时，应适度降低刀盘转速，避免因滚刀在软硬地层交界处受到剧烈冲击，发生刀圈断裂、轴承损坏等严重后果。依据本工程施工中总结的经验，一般应控制刀盘转速不超过1.5r/min。
3.4及时更换磨损量超标的滚刀
除密切关注刀具磨损感应装置是否发生报警以外，施工过程中掘进速度、刀盘扭矩、出土温度等数据的变化以及施工中振动、噪声、出土性状等现象，往往都是滚刀状态的“风向标”，都需要我们在施工过程中认真加以观察、记录和分析。
如发生盾构总推力上升、掘进速度减缓、刀盘扭矩增加、出土温度升高的现象，则可考虑其是否是滚刀需要更换的信号。滚刀更换不及时往往会造成严重的后果乃至质量事故。如磨损滚刀为中心滚刀，不及时换刀将导致刀盘中心部分的岩土不能够被有效破碎及切削，刀盘的贯入度降低，掘进速度减缓，中心刀周边的刮刀损坏、刀盘面板磨损；如磨损滚刀为周边滚刀，且隧道所处的地层为岩石区段，隧道开挖直径缩小则可能导致刀盘外沿磨损甚至盾构卡死。
3.5土体改良与降温
滚刀在切削岩土过程中，切削溫度升高会导致刀具表面发生氧化，产生硬度强度较低的氧化膜，造成滚刀磨损加快。[4]同时，对于粘聚力大、粒径小的土质，容易产生泥饼，使滚刀被泥土包裹而无法转动。盾构在复合地层中掘进时，一方面可以适当降低刀盘转速和掘进速度，同时向刀盘切削面加注水、膨润土浆液或发泡剂等，一方面可以对刀具的切削起到润滑作用，减少发热和刀具的磨损；另一方面，经过改良的土体流动性好，出土顺畅，也能及时将土体带出，避免热量的过度聚集。在施工中，我们经过实验比对，发现在开挖面外围添加泡沫，润滑、减摩效果最突出；在刀盘中心区域加注水，对刀盘的降温效果最为显著。两种方法应相互配合使用。
3.6其他方面
当盾构在硬岩地层中掘进时，盾构机刀盘及本体的剧烈振动有时会导致滚刀的固定楔块与螺栓松动并掉落。同样，如在掘进过程中遇到地层中的大块孤石，刀盘面板上的刮刀等小型刀具也会因受到较大的集中应力而被崩脱，甚至会连同刀架一起脱落。这些脱落的金属件沉积到刀盘的底部，由于刀盘底部的岩石往往风化程度较低，硬度较高，金属件如若卡在岩层与滚刀刀身之间，将会对滚刀造成严重的损坏。因此，一方面施工过程中要时刻关注刀盘扭矩、总推力等各项施工参数，细心观察盾构推进过程中的振动、噪声；另一方面在开仓换刀过程中也要认真检查所有刀具完整情况，以及刀盘底部是否有金属件沉积。
盾构机掘进过程中，所遇到的地质条件、岩土特性不同，其刀具消耗及关注程度和方式也不同。例如，在含石英成分较高的砂层中掘进时，切削下来的岩土对刀盘面板也有较大程度的磨损，需加强对刀盘状况的关注。
总之，全面、系统、细致地考虑到刀具管理全过程的方方面面，才能避免工期、经济等方面的损失，避免质量事故的发生。
4改进措施的效果
本工程经过采取多方面针对滚刀的改进措施后，滚刀的消耗量大幅下降，施工效能大幅提高。统计数据见下表4所示。
表4安山岩地层盾构机换刀情况统计比对表
4结论
在本工程的施工过程中，通过准确把握滚刀在不同地质情况下的适应性，合理选择和使用滚刀，同时细致分析和研究影响复合盾构机刀具切削效能的诸多因素，采取具有针对性的改进措施，最终减少了推进过程中常规换刀的次数，做到了高速度、低成本、高效率地掘进，节约了大量刀具更换的费用，最终实现了工期和经济效益的双赢。
参考文献
[1] 周艳领TBM盘形滚刀的质量控制及其检测维修技术[J].现代隧道技术,2007,44(3),42-49
[2] 竺维彬复合地层中盾构滚刀磨损原因分析及对策[J].现代隧道技术,2006,43(4),72-76
[3] 张珂,王贺,吴玉厚,赵凯军. 全断面硬岩TBM滚刀磨损关键技术分析[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版）2009,25(2),351-354
[4] 杨媛媛复合地层中隧道掘进机刀盘刀具选型研究[D].同济大学硕士学位论文,2006年3月
关键词：复合盾构机滚刀损耗 施工效率
中图分类号：U455文献标识码： A
引言
近年来，复合地层中进行掘进施工的隧道施工项目日渐增多，促进了硬岩TBM与软土盾构施工技术的融合，大量在刀盘上同时配备了滚动及滑动切削刀具的所谓复合盾构机应运而生，得到了广泛的运用。然而，复合地层不均匀的土质，往往会严重地影响滚刀的使用寿命和盾构机的掘进效率。研究如何采取有效的改进措施，提高滚刀在复合地层中的施工效率，降低工程成本，已成当今盾构法隧道施工迫切需要解决的难题之一。
1工程概况
南京地铁机场线工程位于南京市江宁区，北起南京南站，南至禄口国际机场，线路全长约34.9km，其中地下段长约16.3km，共有8个盾构区间,采用16台复合土压平衡盾构进行施工。盾构区间平面线路以直线为主，最小平面曲率半径350m，线路最大纵坡29.5‰，最小覆土厚度4.8m，最大覆土厚度26m。隧道管片采用错缝形式拼装，内径5500mm，外径6200mm，环宽1200mm。
隧道在安山岩地层掘进时穿越的岩土类型及参数见下表1：
表1典型区间主要土层岩土物理力学性能参数表
在上述地层中掘进过程中，滚刀的消耗量统计分析见下表2：
表2滚刀消耗量统计分析表
2掘进初期滚刀非正常损坏的主要因素
2.1滚刀磨损消耗剧烈
工程初期，滚刀在由强风化～微风化安山岩构成的地层中损耗速度较快，换刀频繁。一般推进20环左右就须开仓换刀。在坚硬的微风化安山岩中情况则更为严重。当时施工统计数据显示，由于检查及更换刀具而造成隧道暂停掘进的时间占施工时间的比率高达15%～20%。
2.2滚刀转动失效状况多发
滚刀在切削岩土的过程中因摩擦而产生高温，橡胶密封圈因受热导致其失去弹性，密封性能降低。另一方面，滚刀轴承表面因在高负荷下长时间转动会产生金属疲劳破坏，其脱落下来的铁屑对轴承及金属浮动密封圈的密封面产生破坏。[1]由上述两方面原因导致密封失效，外界水土等异物大量进入刀体，最终导致轴承完全损坏，滚刀无法正常转动，形成单边弦磨。
在“上软下硬”的复合地层中，由于开挖面自稳性较差，施工中常常发生局部塌落，造成滚刀的滚动力矩不足。同时，刀盘面板易结泥饼，滚刀易被土体包裹起来，无法正常滚动，形成多边弦磨。
偶有刀圈因弦磨或断裂、脱落，导致刀体直接与开挖面岩石接触造成刀身严重磨损的情况发生，见图1。
图1因转动失效而最终导致滚刀损坏
2.3滚刀外部变形、受损
在“上软下硬”复合地层中施工时，由于开挖面土质软硬变化较大，加之刀圈材质较脆，韧性较低，往往导致刀圈崩裂。
在微风化安山岩地层中掘进的盾构机，滚刀刀圈由于材质硬度低于岩石硬度，发生了卷边的情况。某些滚刀的端盖因受岩石的撞击还产生了变形。滚刀受损情况见图2。
圖2滚刀外部变形、受损
3改进措施
3.1刀圈型式及材质比选
我们首先采用了碳化钨合金刀圈替换了之前使用的普通刀圈，同时对镶嵌合金齿型式的刀圈与采用整圈合金型式的刀圈的使用效果进行了试验比对。实验结果显示，在安山岩复合底层中，采用镶嵌整圈合金型式的刀圈，最有利于工程效率的提高和施工成本的降低。采用此种刀圈，最大换刀距离得到了大幅提升，同时刀盘扭矩得到了大幅降低。因此在后续工程中，我们大量采用了整圈合金刀圈滚刀。改进效果如表3和图3所示。
表3不同刀刃材料对施工参数影响对比表
图3普通刀圈与2种合金刀圈掘进磨损量比较图
3.2提高滚刀密封装置的可靠性
增强滚刀密封性能可从两方面入手。一是改进密封设置的薄弱点，增加密封数量。针对实际施工中滚刀端盖密封失效率居高不下的情况，我们对滚刀密封端盖进行了改进，额外增加了一道O型橡胶密封圈，减少了砂土进入轴承腔的几率。
二是提高密封可靠性，即选用高性能的密封装置。滚刀轴承外侧的金属浮动密封圈是由专业生产厂商生产研发的。经过认真比选，我们选用了适用压力更高，变形调节能力更强的密封装置，密封效果改善显著。在后期施工过程中，滚刀密封失效的情况大大减少。据统计，通过采取上述两方面措施，虽然滚刀采购成本上升了约3.5%；但是由于滚刀密封装置失效而导致的滚刀停转、偏磨现象发生的比例，则大幅下降了约46%。
3.3施工参数设定的要点
盾构机总推力、滚刀贯入度、刀盘转速等重要施工参数的设定以及土体改良剂的使用等辅助措施的采取，对滚刀的切削效果有着直接而重要的影响。保证滚刀能够在其合理的使用寿命中最大限度地发挥其性能，是贯穿在复合盾构施工全过程中的关键工作之一。
1）掘进时推进油缸的总推力，在克服盾体、刀盘与地层的摩擦力之外，能够作用在滚刀上的“有效推力”，其上限值不能大于刀盘所有滚刀所能承受的推力之和；其下限值必须能够保证滚刀正常转动并具备足够的破岩力。否则过大的推力易造成刀具轴承损坏、刀轴变形，严重的甚至会影响刀盘的主体结构与主轴承的使用寿命；过小则不能使滚刀刀刃对开挖面岩层造成有效的滚压破坏，滚刀磨损加快，掘进速度缓慢。施工过程中的实际总推力见前述表3。依据前人经验，传递到刀盘的有效推力约为总推力的30%～35%，[2]据此推算，每把滚刀所承受的推力约为15吨，小于其所能承受的最大推力25吨。
2）滚刀贯入度指刀盘每转一周，滚刀刀刃切入开挖面岩层的平均深度。在每一环掘进过程中，盾构机掘进速度设定值不变的情况下，刀具运行距离与刀盘转速成正比，与滚刀贯入度成反比。若贯入度过小，刀具运行的距离将加长，刀具磨损将加快。而贯入度过大，有可能造成滚刀的过载损坏以及刮刀的崩落。[3]施工中一般原则是控制贯入度不大于滚刀与刮刀之间的高度差。[2]本工程所采用的盾构滚刀与刮刀的刀具高度差均为30mm。在本工程的安山岩复合地层中掘进时，贯入度一般控制在20mm以内。
3）在上软下硬等复合地层中掘进时，应适度降低刀盘转速，避免因滚刀在软硬地层交界处受到剧烈冲击，发生刀圈断裂、轴承损坏等严重后果。依据本工程施工中总结的经验，一般应控制刀盘转速不超过1.5r/min。
3.4及时更换磨损量超标的滚刀
除密切关注刀具磨损感应装置是否发生报警以外，施工过程中掘进速度、刀盘扭矩、出土温度等数据的变化以及施工中振动、噪声、出土性状等现象，往往都是滚刀状态的“风向标”，都需要我们在施工过程中认真加以观察、记录和分析。
如发生盾构总推力上升、掘进速度减缓、刀盘扭矩增加、出土温度升高的现象，则可考虑其是否是滚刀需要更换的信号。滚刀更换不及时往往会造成严重的后果乃至质量事故。如磨损滚刀为中心滚刀，不及时换刀将导致刀盘中心部分的岩土不能够被有效破碎及切削，刀盘的贯入度降低，掘进速度减缓，中心刀周边的刮刀损坏、刀盘面板磨损；如磨损滚刀为周边滚刀，且隧道所处的地层为岩石区段，隧道开挖直径缩小则可能导致刀盘外沿磨损甚至盾构卡死。
3.5土体改良与降温
滚刀在切削岩土过程中，切削溫度升高会导致刀具表面发生氧化，产生硬度强度较低的氧化膜，造成滚刀磨损加快。[4]同时，对于粘聚力大、粒径小的土质，容易产生泥饼，使滚刀被泥土包裹而无法转动。盾构在复合地层中掘进时，一方面可以适当降低刀盘转速和掘进速度，同时向刀盘切削面加注水、膨润土浆液或发泡剂等，一方面可以对刀具的切削起到润滑作用，减少发热和刀具的磨损；另一方面，经过改良的土体流动性好，出土顺畅，也能及时将土体带出，避免热量的过度聚集。在施工中，我们经过实验比对，发现在开挖面外围添加泡沫，润滑、减摩效果最突出；在刀盘中心区域加注水，对刀盘的降温效果最为显著。两种方法应相互配合使用。
3.6其他方面
当盾构在硬岩地层中掘进时，盾构机刀盘及本体的剧烈振动有时会导致滚刀的固定楔块与螺栓松动并掉落。同样，如在掘进过程中遇到地层中的大块孤石，刀盘面板上的刮刀等小型刀具也会因受到较大的集中应力而被崩脱，甚至会连同刀架一起脱落。这些脱落的金属件沉积到刀盘的底部，由于刀盘底部的岩石往往风化程度较低，硬度较高，金属件如若卡在岩层与滚刀刀身之间，将会对滚刀造成严重的损坏。因此，一方面施工过程中要时刻关注刀盘扭矩、总推力等各项施工参数，细心观察盾构推进过程中的振动、噪声；另一方面在开仓换刀过程中也要认真检查所有刀具完整情况，以及刀盘底部是否有金属件沉积。
盾构机掘进过程中，所遇到的地质条件、岩土特性不同，其刀具消耗及关注程度和方式也不同。例如，在含石英成分较高的砂层中掘进时，切削下来的岩土对刀盘面板也有较大程度的磨损，需加强对刀盘状况的关注。
总之，全面、系统、细致地考虑到刀具管理全过程的方方面面，才能避免工期、经济等方面的损失，避免质量事故的发生。
4改进措施的效果
本工程经过采取多方面针对滚刀的改进措施后，滚刀的消耗量大幅下降，施工效能大幅提高。统计数据见下表4所示。
表4安山岩地层盾构机换刀情况统计比对表
4结论
在本工程的施工过程中，通过准确把握滚刀在不同地质情况下的适应性，合理选择和使用滚刀，同时细致分析和研究影响复合盾构机刀具切削效能的诸多因素，采取具有针对性的改进措施，最终减少了推进过程中常规换刀的次数，做到了高速度、低成本、高效率地掘进，节约了大量刀具更换的费用，最终实现了工期和经济效益的双赢。
参考文献
[1] 周艳领TBM盘形滚刀的质量控制及其检测维修技术[J].现代隧道技术,2007,44(3),42-49
[2] 竺维彬复合地层中盾构滚刀磨损原因分析及对策[J].现代隧道技术,2006,43(4),72-76
[3] 张珂,王贺,吴玉厚,赵凯军. 全断面硬岩TBM滚刀磨损关键技术分析[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版）2009,25(2),351-354
[4] 杨媛媛复合地层中隧道掘进机刀盘刀具选型研究[D].同济大学硕士学位论文,2006年3月