上海虹梅南路越江隧道工程刀具磨损情况及分析

1.刀具磨损情况

虹梅南路东线隧道从950环起盾构全断面进入⑦层(⑦1-1，⑦1-2，⑦2粉质砂土及细粉砂)，自从进入该土层后，盾构机掘进参数出现异常，刀盘的扭矩不断上升，推进速度逐渐降低，刀盘的总推力也达到了140 000 k N，相应的设备故障情况也有所增加。停机检查，发现刀具严重磨损，部分刀具只剩部分残体。从整体上看，刀盘及刀具呈现出外周及边缘侧板磨损大，距离盾构机中心越近，刀具磨损程度越小的趋势。刀具损坏情况具体表现为以下几个方面。

(1)刀盘最外侧边缘铲刀磨损最为严重，且部分边缘铲刀出现崩块，钨钢刀头缺失，磨损十分严重，无法起到保护边缘刀盘的作用。

(2)刀盘正面刮刀同样出现合金刀刃崩块以及钨钢刀头脱落的现象，且部分刮刀耐磨条全部磨损，刮刀磨损呈现“凹”字形，中间磨损大，两侧磨损小的特点。

(3)距离边缘越近，正面刮刀的磨损状况越严重。刀盘中心部位的刮刀磨损量极小，耐磨条基本完好，完全可以继续用于后续施工。

东线隧道停机换刀的刀具失效形式统计见表5.1。

表5.1　刀具失效情况统计

2.刀具磨损分类

刀具磨损主要可分为正常磨损和非正常磨损两大类。正常磨损为刀刃与土体摩擦造成金属原子或晶体逐步流失、刀刃变短变钝的过程；非正常磨损为刀具切削过程中由于碰撞、冲击导致刀刃块状缺失，因刀体磨损、刀刃和刀体界面连接强度不足导致刀刃的整体脱落。其中，非正常磨损主要包括崩齿、偏磨、穿孔等形式。(www.xing528.com)

由表5.1可知，虹梅南路隧道施工工程中刀具主要以正常磨损为主，其中刮刀正常磨损的比例达到79%，边缘铲刀正常磨损的比例达到83%。但是细细分析正常磨损的数据可以发现，对于刮刀，磨损较少的比例达到了38%，而磨损较严重的比例达到了41%；对于边缘铲刀，正常磨损全部是磨损较严重的类型，其比例达到83%。由此可以发现，从整体上而言，边缘铲刀的磨损程度要高于正面刮刀的磨损程度。

此外，由表5.1还可以发现，边缘铲刀和正面刮刀都发生了非正常磨损，刀具不完整，钨钢刀头缺失，出现崩块。

3.刀具磨损原因分析

在盾构机推进的过程中，刀盘上的刀具对开挖面土体会产生一定的压力，随着刀盘的转动，刀盘与刀盘前方土砂之间会有摩擦，从而产生磨损。影响刀具磨损的因素大致可以分为三类。

(1)地质条件，一般而言，密度大、含砂量高且砂石粒径大的土体对刀具造成的磨损大。虹梅南路东线隧道从950环起盾构全断面进入⑦层(⑦1-1，⑦1-2，⑦2粉质砂土及细粉砂)，此土层中含砂量显著增加，盾构穿越此层土时故障频出，刀具磨损预报系统报警。

(2)刀具本身的材质，显然选择那些高耐磨的合金材料有助于延长刀具的使用寿命。

(3)刀具在刀盘上的安装位置，盾构机边缘铲刀磨损程度要高于正面刮刀的磨损程度，这主要是由于边缘铲刀的安装半径比所有的正面刮刀都要大，随着刀具安装半径的增加，刀具的线速度、切削行程和受力也在增大，而刀具的正常磨损随着刀具的切削行程以及受力的增大而增大，故外圈刀具的磨损程度较内圈刀具严重。

关于虹梅南路东线隧道边缘铲刀和正面刮刀出现的非正常磨损，这主要是由于大直径盾构穿越的地层不均匀，刀具容易受到地层硬度变化而产生的冲击荷载，从而导致刀具崩块、钨钢刀头缺失。