成都富水漂卵石地层盾构刀具发展历程与滚刀维修、更换注意事项

        从2006年12月28日成都地铁盾构开始始发至现在将近16个年头了，成都富水漂卵石地层（大于200mm的卵石就是漂石）盾构施工已经非常成熟，无论从盾构机、刀具、掘进技术、管理水平都有一个质的提升，从地表经常坍塌到现在基本不坍塌。但还是有个别单位刀盘有严重磨损现象。根据个人经历，谈谈成都富水漂卵石地层盾构刀具发展历程与滚刀维修、更换注意事项，供读者参考、借鉴。

        1、刀盘的选型

        富水漂卵石地层盾构施工当时在全球尚属首次，成都作为第一个敢吃螃蟹的人，也小心翼翼，只能从试验段开始，对于刀盘选用面板式还是幅条式纠结了许久，最终选用面板式。理念是将螺旋输送机不能输送的卵石排除在外，依靠滚刀破碎后再进入土舱，但对于刀具盾构施工前研究较少。

早期的单刃滚刀

早期的带硬质合金钉的周边刮刀

        2、刀具的磨损

        从现在来看，成都地铁1号线2标试验段开始掘进以来，由于此地层无经验参考（原广州的掘进经验与掘进技术到成都都不适用），掘进速度慢、渣土改良不好、超方严重、原刀具不适用于漂卵石地层等各种原因，导致盾构掘进100多米刀具报废率达90%以上，刀具磨损严重，滚刀出现刀刃断裂、刀具偏磨、刀体严重磨损等，同时刮刀硬质合金钉掉落、刀座磨损严重。

整盘滚刀的磨损情况

        刀具磨损严重最终分析在刀具上主要有以下问题（当然，当时掘进速度慢、渣土改良不好、掘进技术水平低也是磨损严重的原因）：成都漂卵石地层滚刀大部分磨损不是破岩造成的，而是刀刃与漂卵石之间的摩擦造成的，刀刃硬度较低，不耐磨；漂卵石不仅与刀刃产生磨损，也与滚刀刀体、刮刀刀体产生摩擦，由于滚刀刀体、刮刀刀体等强度太低，导致滚刀刀体磨损严重，加上漂卵石对滚刀刀体的挤压、撞击等造成刀体变形，滚刀刀体与端盖之间不能有效旋转，造成刀刃不转从而导致刀刃偏磨；刮刀刀体磨损快，硬质合金钉掉落，刮刀磨损也很严重。

滚刀偏磨，刀体也磨损严重

滚刀偏磨，刀刃硬度低，撞击出现小坑

刀圈断裂，刀体损坏

宽刮刀硬质合金钉掉落

周边刮刀磨损严重，进而导致刀盘磨损

        3、刀具的优化

        针对上述刀具磨损情况及原因分析，通过成都地铁1号线、成都地铁2号线一期工程的刀具优化，尤其是武汉江钻滚刀的改进、聊城天工大硬质合金块刮刀的引进，将滚刀与刮刀提升至可以满足富水砂卵石地层盾构施工的需求，并不断创造盾构长距离掘进记录。主要体现在刀刃硬度由55～56HRC提升至58～59HRC，同时刀刃上由外至内硬度值递减变小，刀刃宽度由19.7mm加宽至30mm；刀体硬度由27HRC提升至45~50HRC；挡圈硬度也有所提升；刀体表面覆焊高强度耐磨焊丝；宽刮刀和周边刮刀由硬质合金钉优化为大硬质合金块。刮刀刀座保护刀的发明极大提高了刮刀刀座的使用寿命，现广泛用于全国盾构中。

        正面大硬质合金块刮刀

                            刀体表面加耐磨焊丝的加宽刀刃滚刀

采用大硬质合金块的周边刮刀

全球第一次应用的刮刀刀座保护刀（2009年使用）

        请注意：（1）、现有钢材滚刀刀刃硬度不要超过60HRC，否则有刀刃断裂的风险，这个问题是有很多案例的；（2）、刀刃上覆焊高强度耐磨焊丝，如果耐磨焊丝不掉落，焊接过程未造成刀刃表面强度降低的条件下是可以用于漂卵石中的，但许多家单位说可以达到，本人认为非常难，因此不建议将刀刃上覆焊高强度耐磨焊丝的滚刀用于漂卵石盾构施工中，有时覆焊耐磨焊丝比未焊耐磨焊丝刀刃更差，这也是有案例的。

        4、滚刀直径的加大

        滚刀的耐磨除增加硬度外，还可以增加磨损的距离，也可以说是增加磨损的刀刃的体积，因此在保持17寸滚刀刀体不变的提前下从成都地铁2号线一期工程的半径增加4mm，成都地铁2号线二期工程的17.6寸，到成都地铁4号线一期工程的18.2寸，盾构掘进距离由435米、643米一直到821米，由于滚刀直径的加大，盾构掘进距离在不断加长，也就是说原17寸滚刀磨损25mm需要更换，18.2寸刀刃磨损到40mm才需要更换，大大提高了盾构掘进距离。现17寸滚刀刀体，18寸滚刀刀圈广泛应用于成都地铁盾构施工中。

        5、滚刀的后发展

        2013年之后，滚刀的创新与发展基本停步不前，只是最近由西南交通大学陈辉教授创新的覆焊滚刀刀圈，在上部砂卵石下部泥岩复合地层中掘进200米、泥岩下掘进1300米，共计1500米，刀刃磨损较小，据说突破了焊接导致刀刃强度降低的难题。成都泥岩条件下使用扁齿硬质合金刀具能够掘进2000米以上，这两项在成都成功应用。

掘进1500米的滚刀

泥岩下掘进2000米的滚刀

        6、滚刀维护注意事项

        现如今还有许多家的滚刀存在偏磨现象，主要原因：一是刀体与端盖之间变形，滚动摩擦过大刀刃无法滚动导致。因此，必须对刀体进行耐磨设计，防止刀体变形；二是刀体与端盖之间密封失效，进泥导致，因此维修滚刀时密封要及时更换；三是刀体与端盖之间缝隙上次使用有泥，维修时未清理，再次使用滚动摩擦过大导致偏磨，因此综合二与三原因滚刀维修时必须更换密封并清理杂物；四是滚刀浮动密封之间摩擦力大，更换浮动密封时两摩擦面之间加点润滑油（这是一个降低浮动密封磨损的小技巧）。

        7、滚刀更换注意事项

        刀盘磨损的前提条件是刀具磨损严重，因此确保刀具磨损正常很重要。除选用优质厂家刀具、按照6中内容维修外，建议滚刀更换有以下几点：

        （1）、漂卵石地层换刀较困难，可根据经验预判刀具可掘进距离并留有20%的余量进行定点换刀，采用整盘滚刀更换的方式，无论磨损量有多大，一次性更换，这样会降低意外开舱换刀的几率；

        （2）、漂卵石地层滚刀失效或刀盘开始磨损的主要现象是刀盘扭矩增大。因此，当刀盘扭矩增大时（与常规扭矩不符，但通过增加推力、增加刀盘扭矩速度还无大的影响），应开舱确认刀具是否正常。

        （3）、盾构始发前刀盘周边适当焊接一定数量的撕裂刀，降低周边滚刀的磨损。

        综上所述，成都富水砂卵石盾构施工刀具的优化与改进，解决了富水砂卵石地层对刀具全面磨损的难题，极大提升了盾构掘进距离，创新了富水砂卵石盾构施工掘进技术，也带动了全国类似地层盾构施工。

        盾构刀具创新说起来很简单，但作为原创技术确实很难，创新有成功也有失败，在现今社会有的不给人犯错误的机会，那么创新也就停步不前。在成都地铁2号线一期工程笔者试用的金刚石复合片刀圈、大硬质合金块刀圈、覆焊耐磨焊丝刀圈在砂卵石地层下都是失败的，只有大硬质合金块宽刮刀、加高的滚刀刀圈和刮刀刀座保护刀是成功的。创新需要具有技术、责任、担当、勇气的管理者。

        为成都地铁盾构施工与管理者点赞！！！