硬岩TBM掘进关键技术经验交流课件

中铁隧道股份有限公司佛莞城际FGZH-3标构件分部

刘立权

2017年3月21日

硬岩TBM施工技术硬岩TBM掘进关键技术经验交流中铁隧道股份有限公司佛莞城际FGZH-3标构件分部 硬岩TB1中铁隧道股份有限公司☞探讨内容1

典型地质及TBM配置概况

主要施工技术方案

掘进参数的选择与调整刀具管理

TBM检查、保养与维修经验总结

一

二

三

四五六中铁隧道股份有限公司☞探讨内容1 典型地质及TBM配置概况 2中铁隧道股份有限公司☞

一、典型地质及TBM配置概况21.1工程概况中铁隧道股份有限公司☞一、典型地质及TBM配置概况21.3序号岩性岩性特征分布长度1石英岩灰白色，主要矿物成份为石英、长石等细粒变晶结构，块状构造，岩体表层强风化，风化层厚度1～3m。，K28+085～K28+6305452花岗岩灰白色，主要矿物成份为斜长石、钾长石、石英、黑云母及角闪石，粒状变晶结构，块状结构。岩体表层强风化，风化层厚度1～3m.K28+630～K42+380137503闪长岩灰色及灰白色，主要成份为斜长石、石英、普通角闪石、黑云母，中细粒～中粗粒结构，节理裂隙不发育，岩体完整，岩质坚硬，岩体表层强风化，风化层厚度1～3m。K42+380～K46+36039804碎裂岩糜棱岩灰～灰白色，原岩以花岗岩、闪长岩为主，块状构造，岩体较破碎，为断带物质，结构面较发育。K35+450～K35+480K45+180～K45+370220中铁隧道股份有限公司☞

一、典型地质及TBM配置概况31.2典型地质概况序号岩性岩性特征分布长度1石英灰白色，主要矿物成份为石英、长4岩性石英岩花岗岩闪长岩变砂岩物理性质颗粒密度3（g/cm）2.75～2.892.65～2.812.73～3.012.72抗压指标（Mpa）干燥Ra86.1～21696.7～242127.3～16780.8～197饱和Rb74.9～18485.0～193116.4～13860.4～185抗拉强度σt（MPa）2.5～6.82.1～3.33.4～5.71.4～5.2抗剪强度内摩擦角φ（°）58.5～62.6351～68.5351.5～67.0246.5～66.63内聚力C（MPa）2.98～16.211.44～12.531.8～15.211.3～11.48中铁隧道股份有限公司☞

一、典型地质及TBM配置概况4岩性石英岩花岗岩闪长岩变砂岩物理颗粒密度2.75～2.65～5中铁隧道股份有限公司5☞

一、典型地质及TBM配置概况

1.3

工程重难点

高石英含量硬岩掘进

本工程ⅠⅡ类围岩占89%，以

石英岩、花岗岩、闪长岩为

主，石英含量高，岩石强度

高，完整性好，对TBM设备自

身质量及破岩能力提出很高

的要求。掘进过程中如何减

少刀盘保养时间，降低换刀

频率，实现在高抗压强度、

高石英含量硬岩中TBM持续快

速掘进，是本工程的重点和

难点。中铁隧道股份有限公司5☞一、典型地质及TBM配置概况6时间消耗进度（m）类型2015年2016年总计34567891011121213.6118145.2239.4163231.3275.4282.286.571.5144.2120.8单刀正常磨损531267792146200663311187661057调配91323189433660783230288刀圈断裂/崩块561721411156169713130刀体偏磨2216123199532376挡圈脱落352123925941合计1677187130109221263146581361371121592中心刀正常磨损4372117刀圈断裂/崩块111227调配31116偏磨11114合计14005474213334☞一、典型地质及TBM配置概况6

秦岭隧洞岭南TBM掘进段刀具消耗统计表中铁隧道股份有限公司时间2015年2016年总计34567891011121217中铁隧道股份有限公司☞一、典型地质及TBM配置概况7秦岭隧洞岭南TBM掘进段刀具消耗统计分析饼状图正常磨损

66%刀圈断裂、

崩块

8%

调配18%挡圈脱落

偏磨

3%

5%中铁隧道股份有限公司☞一、典型地质及TBM配置概况7秦岭隧洞8中铁隧道股份有限公司☞一、典型地质及TBM配置概况8中铁隧道股份有限公司☞一、典型地质及TBM配置概况89中铁隧道股份有限公司9☞

一、典型地质及TBM配置概况

强岩爆地层施工

本工程隧洞最大埋深约2000m，分析认为在坚硬完整、干燥无水的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩地段均会发生岩爆。根据地质资料，本标段预计发生岩爆的洞段共计17455m，其中强烈岩爆段3880m，中等13030m，轻微岩爆545m，占标段长度18275m的95.5%。岩爆防治将成施工组织常态，采取有效措施防治岩爆，是施工管理的重点。岩爆视频中铁隧道股份有限公司9☞一、典型地质及TBM配置概况岩爆10中铁隧道股份有限公司☞

一、典型地质及TBM配置概况10中铁隧道股份有限公司☞一、典型地质及TBM配置概况1011中铁隧道股份有限公司☞

一、典型地质及TBM配置概况11中铁隧道股份有限公司☞一、典型地质及TBM配置概况1112中铁隧道股份有限公司12刀盘前方温度接近40度

后配套温度达

35度☞

一、典型地质及TBM配置概况

高岩温和长距离通风

TBM独头通风距离第一阶段为12300m，

第二阶段最长达8010m，且通风管需穿

越同步衬砌台车。由于隧洞埋深大，

地质资料预测最高地温42℃，考虑TBM

设备散热、刀盘与掌子面摩擦发热，预计洞内温度最高可达45℃～50℃。如何有效解决高岩温和通风问题，是本工程的重点和难点。中铁隧道股份有限公司12刀盘前方温度☞一、典型地质及TB13中铁隧道股份有限公司13

☞

一、典型地质及TBM配置概况

突涌水

本工程通过3号支洞进入主洞施工，3号支洞斜长3885m，洞身高差316.76m。同时主洞掘进为反坡排水施工，地下水向掌子面汇集，若排水不畅，则有可能发生淹没设备的风险。

目前在TBM仅完成1/10掘进长度的情况下隧洞突涌水量已达到49000m3/d，施工排水是本工程施工管理的重点，必须配备数量足够的抽排水设备和进行合理的布置，并加强排水系统的运行管理，确保排水系统始终畅通，才能保证工程的顺利实施。中铁隧道股份有限公司13 ☞一、典型地质及TBM配置概况14中铁隧道股份有限公司14☞

一、典型地质及TBM配置概况

断层破碎带施工本工程TBM将穿越QF4、f7两条断层，其中QF4属区域性断裂，断带宽度190m。TBM在断层破碎带中掘进，主要的工程难点是：围岩变形大，易造成塌方，掘进方向难以控制，TBM撑靴落空无法推进等问题，导致无法正常施工。采取有效措施顺利通过断层破碎带，将是本工程的一个难点。中铁隧道股份有限公司14☞一、典型地质及TBM配置概况15中铁隧道股份有限公司☞

一、典型地质及TBM配置概况151.4TBM主要参数配置中铁隧道股份有限公司☞一、典型地质及TBM配置概况15116中铁隧道股份有限公司☞

一、典型地质及TBM配置概况161.4TBM主要参数配置中铁隧道股份有限公司☞一、典型地质及TBM配置概况16117序号掘进参数掘进能力1最大推力2100T(345bar)2最高转速6.87r/min3最大扭矩恒扭矩0～3.23rpm9743kN·m恒功率3.23～6.87rpm4366kN·m脱困扭矩14614kN·m4最大掘进速度120mm/min中铁隧道股份有限公司☞

一、典型地质及TBM配置概况171.4TBM主要参数配置序号掘进参数掘进能力1最大推力2100T(345bar)2最18中铁隧道股份有限公司18

☞

一、典型地质及TBM配置概况mcnally系统支护系统中铁隧道股份有限公司18 ☞一、典型地质及TBM配置概况19中铁隧道股份有限公司19☞

一、典型地质及TBM配置概况

空调制冷系统中铁隧道股份有限公司19☞一、典型地质及TBM配置概况20中铁隧道股份有限公司20刀盘桥架皮带机主机皮带机

连续皮带机皮带机系统平面示意图支洞皮带机TBM掘进方向☞

二、主要施工技术方案

2.1皮带机方案中铁隧道股份有限公司20刀盘桥架皮带机主机皮带机 连续皮带机21中铁隧道股份有限公司☞

一、典型地质及TBM配置概况213号支洞三河口水库端4号支洞风门3号支洞三河口水库端4号支洞风门2.2通风方案中铁隧道股份有限公司☞一、典型地质及TBM配置概况21322中铁隧道股份有限公司☞

一、典型地质及TBM配置概况20中铁隧道股份有限公司☞一、典型地质及TBM配置概况2023中铁隧道股份有限公司☞

一、典型地质及TBM配置概况23中铁隧道股份有限公司☞一、典型地质及TBM配置概况2324中铁隧道股份有限公司☞

一、典型地质及TBM配置概况24中铁隧道股份有限公司☞一、典型地质及TBM配置概况2425中铁隧道股份有限公司☞

一、典型地质及TBM配置概况25中铁隧道股份有限公司☞一、典型地质及TBM配置概况2526中铁隧道股份有限公司262.1☞

二、掘进参数的选择与调整

掘进参数对设备影响

正确的操作机器可以减少TBM“被卡”几率，减低主轴承损坏风险，最大限度的减少刀具的更换频率，减少机器震动，避免部件过载，预防过度操控机器导致边刀部件、盾体结构及撑靴结构的损坏。中铁隧道股份有限公司262.1☞二、掘进参数的选择与调整27中铁隧道股份有限公司☞

二、掘进参数的选择与调整27中铁隧道股份有限公司☞二、掘进参数的选择与调整2728中铁隧道股份有限公司29☞

二、掘进参数的选择与调整

时间-推力曲线图中铁隧道股份有限公司29☞二、掘进参数的选择与调整29中铁隧道股份有限公司25☞

二、掘进参数的选择与调整

时间-转速曲线图中铁隧道股份有限公司25☞二、掘进参数的选择与调整30中铁隧道股份有限公司30☞

二、掘进参数的选择与调整

时间-贯入度曲线图中铁隧道股份有限公司30☞二、掘进参数的选择与调整31中铁隧道股份有限公司☞

二、掘进参数的选择与调整31时间-扭矩曲线图中铁隧道股份有限公司☞二、掘进参数的选择与调整31时间-32中铁隧道股份有限公司☞

二、掘进参数的选择与调整322.1硬岩软掘？？？？中铁隧道股份有限公司☞二、掘进参数的选择与调整322.133中铁隧道股份有限公司☞

二、掘进参数的选择与调整33中铁隧道股份有限公司☞二、掘进参数的选择与调整3334中铁隧道股份有限公司☞

三.硬岩TBM操作技巧343.1.掘进参数的选择原则

（

1）、不能让推进压力的溢流阀处于常开位置，此时的推进压力流经溢流阀直接回油箱，系统发热急剧上升，工作环境温度和湿度升高，不但液压系统性能下降，电气系统绝缘性能恶化，工人的劳动效率急剧下降。在实际推进过程中，采用比溢流阀设定压力值低5bar左右的推进压力掘进。

（

2）、应尽量保持主电机电流平衡，因为主电机电流平衡，刀盘的震动才最小，刀盘的稳定对滚刀的连续作业轨迹十分重要（消除多余的震动与移动）。一个稳定的刀盘和一致并重复的刀轨迹可以提高TBM的进尺和延长刀具及轴承的寿命。中铁隧道股份有限公司☞三.硬岩TBM操作技巧343.1.35中铁隧道股份有限公司☞

三.硬岩TBM操作技巧353.2.TBM掘进模式的选择

施工过程中，有（自动控制推进模式、自动控制扭矩模式和手动控制模式）三种掘进模式:

自动控制推进模式

在均质硬岩、围岩完整性较好条件下，选择自动控制推进模式。此时，设备既不会过载，又能保证有最高的掘进速度。选择此种工作模式的判断依据是：如果在掘进时，推力先达到允许值，而扭矩未达到扭矩稳定范围最大值时，则可判定为硬岩状态，则可选择自动控制推进模式。

自动控制扭矩模式

在均质软岩条件下，一般推力都不会太大，刀盘扭矩变化是主要的，此时，应选择自动控制扭矩模式。选择此种工作模式的判断依据是：如果在掘进时，扭矩先达到稳定范围最大值，而推力未达到允许值或者同时达到允许值，则可判定为软岩状态，加之地质较均匀则可选择自动控制扭矩模式。中铁隧道股份有限公司☞三.硬岩TBM操作技巧353.2.3636

☞

三.硬岩TBM操作技巧

在围岩节理裂隙发育，当围岩稳定性较好、出碴皮带机上没

有较多大块(粒径小于10cm，块石含量在10%以内)时，可选

择以扭矩控制的自动控制模式；当围岩稳定性差、出碴皮带

机上有较大块时，应选择手动控制模式。

手动控制模式

如果不能肯定岩石状态，或岩石硬度变化不均匀或岩石

节理发育，存在破碎带、断层或者裂隙较多时，选择手动控

制模式，靠主司机判断岩石的属性。

在手动控制模式作业过程，如岩石较硬，推进力先达到

额定值，且岩石较完整，此时应根据推进力模式操作，限制

推进压力不超过额定推力的90%。

无论在任何岩石条件下，手动控制模式都适用。中铁隧道股份有限公司36 ☞三.硬岩TBM操作技巧3737

☞

三.硬岩TBM操作技巧

3.3

均质硬岩且发育较完整情况下的操作

(1)开始掘进时的推进速度选择15%左右，待掘进到4~6cm以

后，方可提速，提速时每次以10个百分点上升，当推进压力

稳定在80%左右时，提速应改变成5个百分点上升，直到推进

压力上升至90%左右止。

(2)在完整性较好的硬岩情况下掘进时，皮带机输出碴多为

鳞片状和粉状。此时，推进速度一般不大于35%，几种常用的

扭矩和推进速度如下：

扭矩在30%左右时，推进速度不大于25%，

扭矩在35%左右时，推进速度不大于30%，

扭矩在40%左右时，推进速度不大于35%，

如果不能肯定岩石状态，或岩石硬度变化不均匀岩石

时，推进速度不应选择过高，否则推进主溢流阀总处在高压

卸荷状态，造成油温过高，不利于高压油泵的正常工作。中铁隧道股份有限公司37 ☞三.硬岩TBM操作技巧38中铁隧道股份有限公司38☞

三.硬岩TBM操作技巧

3.4

岩石硬度变化大、节理较发育

(1)在此条件下掘进，因岩石分布不均匀，硬度变化大，有时会出现较大的振动，推力和扭矩的变化幅度大，必须采用手动控制模式，注意推力和扭矩的变化。

(2)操作参数选择：推进力不大于80%。扭矩不大于55%，且扭矩变化范围不超过10%。

(3)推力、扭矩在不断变化，不能选择固定的参数（推力、扭矩）作标准，应注意随时调整推进速度。若遇到振动突然加剧，且振动较大，扭矩的变也很大，观察石碴有不规则的多棱体出现，此时可将主电机转速换到低速，并相应降低推进速度，待振动减少并恢复正常后，再将电机转换到高速掘进。中铁隧道股份有限公司38☞三.硬岩TBM操作技巧39中铁隧道股份有限公司☞

三.硬岩TBM操作技巧39

(4)在不均匀岩石状况下掘进，即使扭矩和推力都未达到额定值，也可能使通过局部硬岩时，使刀具过载，对刀具非常有害，因此，在掘进过程中，要密切观察掘进参数与岩石的变化情况，在扭矩和推力大幅度变化的情况下，应尽量降低推进速度，以保护刀具和改善主轴承受力，必要时可停机到掌子面了解岩石和检查刀具。

总之，无论是何种围岩下的掘进，都应密切注意地质特征变化，合理的调整掘进参数，提高TBM使用效率。中铁隧道股份有限公司☞三.硬岩TBM操作技巧39 (4)40中铁隧道股份有限公司40

☞

四、刀具的管理

1、刀具管理的目的

TBM刀具管理是要把TBM刀具的养、用、管提高到管理的高度上，有统筹、有计划、有反馈、有分析和总结，建立一个良好的、封闭循环的管理系统。加强TBM刀具管理有着十分重要的意义：①有计划的实施刀具的检查和更换，能及时了解、掌握和分析刀具的使用情况，对有效地利用刀具以及对刀盘有效的保护有重要意义；②建立准确、详尽的刀具台账和完善刀具维护、修理工艺，能最大限度地减少刀具方面的投入，对降低刀具的使用成本有重要意义中铁隧道股份有限公司40 ☞四、刀具的管理41中铁隧道股份有限公司☞

四、刀具的管理41③掌握并熟练运用刀具检查、更换的方法，加强对刀盘的监控，能避免刀具非正常原因的大面积损坏，对保证施工顺畅，降低施工风险有重要意义。

正是基于上述方面的重要意义，我们需要总结出合理的、操作性强的刀具管理方法，并把它规范化、制度化，用来指导我们的工作。中铁隧道股份有限公司☞四、刀具的管理41③掌握并熟练运用42中铁隧道股份有限公司42

☞

4.1影响刀具使用寿命的要素1.地质因素1）、岩石的石英含量EQC

岩石中石英等研磨材料的含量和颗粒的大小是影响岩石耐磨性的重要因素，对刀具的使用寿命影响极大。岩石等效石英含量越高，地层磨蚀性越强，对滚刀的磨损越厉害。目前，国际上多采用岩石磨蚀实验测定岩石磨蚀值CAI（Cerchar

abrasivity

index）来表征岩石的耐磨性。中铁隧道股份有限公司42 ☞4.1影响刀具使用寿命的要素43中铁隧道股份有限公司43

☞

4.1影响刀具使用寿命的要素2）、岩石的抗压强度UCS

岩石的抗压强度越高，岩石越难破坏，滚刀破岩时受到的载荷越大，滚刀越容易磨损。中铁隧道股份有限公司43 ☞4.1影响刀具使用寿命的要素44中铁隧道股份有限公司44

☞

4.1影响刀具使用寿命的要素3）、岩石的完整性

岩体的完整性越好，岩体内部的结合力越大，破岩需要去除应力越大，刀具磨损越厉害。岩体的完整程度也会影响破岩效率，根据刀具破岩机理，当岩体完整时，刀具切割岩石时挤压带形成的拉张裂隙完全是在刀具作用力下产生的，这需要刀具作相当的功，导致掘进效率极低，当岩体破碎时，刀具贯入岩石中，不易在两刀具间产生挤压带，同样导致掘进参数低，TBM所适合的岩体完整程度系数在0.25-0.7之间岩体，既完整性较差或较完整的岩体。中铁隧道股份有限公司44 ☞4.1影响刀具使用寿命的要素45中铁隧道股份有限公司☞

4.1影响刀具使用寿命的要素454）、地应力

高地应力导致岩爆，掌子面发生岩爆，大块块石掉落，容易导致滚刀的异常磨损。连续出现的块状的岩石塌落时，较大岩石由掌子面直接砸向滚刀，致使滚刀局部过载，极易造成滚刀刀圈断裂、轴承损坏、密封失效、挡圈断裂等多种形式的刀具损坏。

刀

具

圈

崩

裂中铁隧道股份有限公司☞4.1影响刀具使用寿命的要素45446中铁隧道股份有限公司46

☞

4.1影响刀具使用寿命的要素

2、

机械因素1）、滚刀受到的推力Fn

滚刀受到的推力越大，岩石与刀圈的作用力越大，岩石中的硬质颗粒越容易将刀圈表面材料剥落。围岩变化时，主司机在操作过程中推力过大，在TBM调向或是围岩软硬不均时，使局部滚刀受到的推力过大时，极易造成滚刀损坏。

注：FN为推力，S为刀间距中铁隧道股份有限公司46 ☞4.1影响刀具使用寿命的要素47中铁隧道股份有限公司47☞

4.1影响刀具使用寿命的要素2）、贯入度h

在滚刀载荷允许的情况下，贯入度越深，滚刀与岩体磨损接触时间越短，越不容易磨损，但贯入度过深后，刀具受到的转动扭矩就越大，刀具内部温度过高导致轴承损坏，造成滚刀不能转动，发生偏磨现象。中铁隧道股份有限公司47☞4.1影响刀具使用寿命的要素48中铁隧道股份有限公司☞

4.1影响刀具使用寿命的要素48中铁隧道股份有限公司☞4.1影响刀具使用寿命的要素4849中铁隧道股份有限公司49

☞

4.1影响刀具使用寿命的要素

3、

几何因素1）、刀刃间距S

滚刀间距越小，相邻滚刀间的岩石越容易被剥落，滚刀磨损越小。实验表明，刀间距的大小与TBM能开挖岩石的抗压饱和强度是成正比关系的。中铁隧道股份有限公司49 ☞4.1影响刀具使用寿命的要素50中铁隧道股份有限公司50

☞

4.1影响刀具使用寿命的要素2）、刀刃宽度T

滚刀间距越小，相邻滚刀间的岩石越容易被剥落，滚刀磨损越小。中铁隧道股份有限公司50 ☞4.1影响刀具使用寿命的要素51中铁隧道股份有限公司51

☞

4.1影响刀具使用寿命的要素3）、滚刀半径R0

滚刀的半径越大，允许的磨损量越多，轴承能够承受的载荷越大，滚刀寿命越长。滚刀的直径由17英寸和19英寸发展到现在的20英寸。大直径滚刀的优点是：允许较大的磨损量，降低滚动阻力系数，允许使用较大的轴承，从而具有更大的承载力。中铁隧道股份有限公司51 ☞4.1影响刀具使用寿命的要素52中铁隧道股份有限公司52

☞

4.1影响刀具使用寿命的要素4）、滚刀安装半径Ri

滚刀安装的半径越大，刀盘旋转时滚刀运动的线距离越长，滚刀的磨损量越大。在TBM施工过程中，刀圈每转一圈，距离刀盘中心点越远的滚刀运行距离相对于其他位置滚刀要长，滚刀磨损也就越快，随着滚刀编号有小到大、滚刀位置由内到外失效频率远远超过面刀或中心刀。中铁隧道股份有限公司52 ☞4.1影响刀具使用寿命的要素53中铁隧道股份有限公司53

☞

4.1影响刀具使用寿命的要素

4、

材料因数1）、材料的硬度HV

滚刀刀刃的硬度越高，耐磨性越好，但在受到冲击载荷时容易崩刃，反而加快滚刀磨损。

对刀圈端面的表面硬度测试结果为：56.8、56.2、57.0、57.7HRC。范围为56-57.7HRC。刀圈材料的横断面硬度均匀性测试为：取刀圈试样全截面，在不同部位，由表层向内或在芯部每隔3-4mm测试一个点，每个部位测试五个点，整个截面硬度范围均在54.5-57HRC.中铁隧道股份有限公司53 ☞4.1影响刀具使用寿命的要素54零件名称CMnSiSPCrMo刀轴0.410.850.230.0260.0170.930.18端盖0.420.780.610.0130.0130.930.20刀体0.440.610.250.0270.0200.760.17螺栓0.380.690.180.0150.0200.230.06中铁隧道股份有限公司54

☞

4.1影响刀具使用寿命的要素2）、材料的韧性J

滚刀刀刃的韧性越高，硬度越低，抗冲击性越强，耐磨性减弱，因此需要两者兼顾。

TBM刀圈用钢中的合金元素除C外，还有Cr

和Mn，属热作模具钢。合金元素Cr

和Mn具有增大钢的淬透性，提高钢的高温强度和耐磨性的作用。零件名称CMnSiSPCrMo刀轴0.410.850.23055中铁隧道股份有限公司55

☞

4.1影响刀具使用寿命的要素

5、

其它因数1）刀具的装配①

刀圈与刀体的配合应采用过盈配合，安装刀圈必须加热；刀具圆锥滚子采用预紧装配设计，消除轴承游隙并产生一定的弹性变形，预紧程度的大小通过装配时测量刀具转动扭矩来衡量；刀具装配完毕后必须进行密封试验，即向刀具轴承腔内压入空气，然后保压一定时间，观察压力是否稳定，从而判断密封是否存在泄露。因此刀具的装配质量，极大影响刀具的使用寿命。②扭矩的调整不及时，若滚刀的启动扭矩过大，地层不能提供足够的扭矩使滚刀转动，造成滚刀弦磨，若启动扭矩过小，轴承过于松动，对滚刀受力不利。中铁隧道股份有限公司55 ☞4.1影响刀具使用寿命的要素56中铁隧道股份有限公司56

☞

4.1影响刀具使用寿命的要素2）滚刀的更换

滚刀出现刀圈磨损超限、刀圈偏磨、刀圈断裂、轴承损坏、密封失效、刀体漏油等情况时，未及时更换；相邻滚刀磨损量相差超过15mm时，使刀盘上的滚刀过渡较急剧，非平滑过渡。滚刀受力不均衡而未及时进行高差调整和更换滚刀；更换新刮渣板，临近的边刀刀圈磨损量又超磨未及时更换等。在类似上述TBM刀具更换不合理的情况下，一方面加剧滚刀本身的快速磨损，另一方面使得相邻滚刀处于负荷过载快速异常磨损状态从而导致失效，且产生“链式反应”迅速向外扩展，严重时可能导致刀盘的滚刀全部失效。中铁隧道股份有限公司56 ☞4.1影响刀具使用寿命的要素57中铁隧道股份有限公司57

☞

4.1影响刀具使用寿命的要素3）掘进参数的影响

掘进参数包括掘进推力、刀盘转速、刀盘扭矩、贯入度等。长大隧道围岩变化过于频繁，TBM选择的掘进参数不合理，例如推力过大，虽然短期内掘进速度很快，但长时间刀盘刀具所承受的载荷也比较大，过大的负荷会使轴承受到挤压损坏，继而影响滚刀的自转，最终造成滚刀的偏磨或断裂。刀盘的转速过快，导致TBM刀盘震动过大，运行轨迹不平稳、块石掉落和温度较高等恶劣情况下刀圈横向受力就会发生刀圈崩刃现象。中铁隧道股份有限公司57 ☞4.1影响刀具使用寿命的要素58中铁隧道股份有限公司58☞

4.2刀具的选用

1、刀具的关键零部件

1）、盘形滚刀技术是TBM的核心技术

之一，要求刀具承载力高，耐磨性好

和硬度高，并有很好的冲击韧度，盘

形滚刀的刀具零件中，刀圈、刀具轴

承、金属浮动环密封是关键零件。刀

圈的材料成分和热处理工艺是刀圈的

核心技术，难以掌控。刀具轴承通常

选用TLMKEN和SKF的圆锥滚子轴承，

轴承腔内必须注入专用耐高温润滑脂

或润滑油。中铁隧道股份有限公司58☞4.2刀具的选用59中铁隧道股份有限公司59☞

4.2刀具的选用

金属浮动环密封是确保刀具轴承正常运转的关键，经

常出现由于密封失效而使刀具发生偏磨的现象，因此，对

金属浮动环密封的材料和加工工艺有很高的要求。刀轴、

刀体、端盖一般不容易损坏，轻微损伤经修复后可重复使

用，但刀具发生偏磨不能及时停机可能会使刀体由于偏磨

而报废。刀圈、轴承、密封则为消耗件，消耗量较大，刀

圈正常磨损、刀圈发生偏磨或较大崩裂都需更换新刀圈，

轴承经刀具拆开后判断是否可重复使用，密封则一般一次

性使用或检查修磨后重复使用。中铁隧道股份有限公司59☞4.2刀具的选用60中铁隧道股份有限公司60

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4.2刀具的选用

2、刀具的力学性能

由于隧道施工地层复杂多变，特别体现在秦岭隧道上，为有效解决刀圈在复合地层容易断裂、崩刃等问题，刀圈在锻打过程中，需要保留保留刀圈内部组织的完整性，使其呈封闭曲线，刀圈的流线与刀圈的运动轨迹相一致，从而提高了刀圈的耐磨性、抗冲击性。根据不同的地层选择合适的刀圈材料。一般标准钢材适用较软地层和复合地层，重型钢适合磨损性岩层及硬岩层。不同尺寸的盘形滚刀，不同的冶炼技术和热处理工艺，刀圈的力学性能也不一样。中铁隧道股份有限公司60 ☞4.2刀具的选用61型号(英寸)刀圈外径（mm)额定载荷（KN)扭矩范围（Nm)适用刀盘（m)6.5165406-101.5-2.68205806-121.5-2.6102541008-141.5-2.61231012512-182.0-2.61435720012-202.6-3.01743225010-403.8以上1948231022-407以上2050835022-407以上中铁隧道股份有限公司61☞

4.2刀具的选用

某厂家生产的盘形滚刀力学性能型号刀圈外径额定载荷扭矩范围适用刀盘6.5165406-1062中铁隧道股份有限公司62

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4.2刀具的选用

3、刀具的对比试验

盘形滚刀作为TBM的破岩工具，它的技术性能和施工中的正确使用与隧道的掘进速度和掘进成本密切相关。从TBM掘进施工的实践说明，对于大直径的TBM在硬岩地层中掘进，用于刀具的费用约占掘进施工费用的三分之一。

因此，使用TBM进行隧道掘进施工时，刀具是要优先慎重考虑的重要环节之一。为了选择出技术性能好、性价比高的刀具，从而提高TBM的掘进速度和降低工程成本，需对国内外的几家刀具生产厂家提供的刀具进行试用对比试验。中铁隧道股份有限公司62 ☞4.2刀具的选用63中铁隧道股份有限公司63☞

4.2刀具的选用

主要实验方法是，在一定的岩层段段将国内外各刀具厂家的试验刀具分批次装在刀盘边刀刀位上，直到刀具磨损到刀位最大磨损极限值再拆下放在低刀位上，直到刀具磨损到刀位最大磨损极限值，记录其拆、装桩号及时间；在3个及以上试验厂家的刀具均做过试验后，对其进行经济分析比较。中铁隧道股份有限公司63☞4.2刀具的选用64中铁隧道股份有限公司64

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4.2刀具的选用

4、刀具的选用要素

应正确做好滚刀性价比的衡量，选择材质较好价格中等的滚刀，满足刀圈具有较好的耐磨性、轴承密封具有较高的高温、高压能力要求。刀具的选择要考虑以下几个要素：①优质的加工材料，先进的冶炼技术和硬化热处理工艺，能保证刀具的强度和寿命；②滚刀轴承的承载力高，不仅能承受高强度的工作负荷，还能延长使用寿命；③刀轴表面要经过特定的热处理工艺，使其表面不受伤害；④刀具的密封套件，可以抵抗高温，并能承受5公斤以上的气压，减少轴承受到外部环境污染的可能性。中铁隧道股份有限公司64 ☞4.2刀具的选用65中铁隧道股份有限公司65

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4.3刀具的修理

1、刀具的拆卸

从刀盘上跟换下的刀具，需及时清理，将表面黏糊渣土清理，尤其内六角螺栓孔及浮动密封腔内需要进行仔细清理，清理完后进行仔细检查。更换刀圈的步骤如下：①切割刀圈；②清洁刀圈的安装面，刀体安装位置的清洁及检查，挡圈槽的清洁，抽检刀圈及刀体的关键尺寸；③刀圈加热温度控制在200℃以内以及保温时间不低于2小时；④焊接刀具的挡圈；⑤拆除端盖；中铁隧道股份有限公司65 ☞4.3刀具的修理66中铁隧道股份有限公司66

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4.3刀具的修理⑥拆除刀轴和轴承；⑦清洗刀体并检查刀体内侧轴承结合面；检查刀体内侧与浮动密封的结合面；检查刀体外侧与刀圈的接触面⑧检查刀体通常情况一个刀体可装三次刀圈，新装刀圈要测量刀圈内径与刀体外径的过盈量。中铁隧道股份有限公司66 ☞4.3刀具的修理67中铁隧道股份有限公司67

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4.3刀具的修理

2、刀具的装配

滚刀的装配步骤如下：①.将加热的刀圈套入刀体，并砸入挡圈，待冷却后焊接挡圈；②.刀体安装轴承外圈配合面涂抗咬合剂，将轴承外圈砸入，并用压床加压（压力不超过10吨），轴承外圈内侧涂抗压合剂；③.加热轴承内圈、下端盖（加热温度不超过120℃）；④.刀轴下端安装密封圈，并在刀轴表面涂抗咬合剂，将下端盖套入刀轴，再用压床定位下端盖（压力不超过10吨）；中铁隧道股份有限公司67 ☞4.3刀具的修理68中铁隧道股份有限公司68

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4.3、刀具的修理⑤.清洗刀体内腔及内密封环；⑥.下端盖及内密封环安装浮动金属密封；⑦.放入下端轴承，并用压床定位，压入下端内密封环，清洁密封环各表面；⑧.刀轴组件放在压床上，将刀体组件套入刀轴组件；⑨.压入上端内密封环的浮动密封，将上端轴承放入刀轴，清洁内密封环，套入上端盖及锁紧螺母，用压床加压上端盖，并边紧螺母边测扭矩（34-41N.M），完成校调后吊下；⑩.气压测试及注油脂。中铁隧道股份有限公司68 ☞4.3、刀具的修理69中铁隧道股份有限公司中铁隧道股份有限公司70中铁隧道股份有限公司70☞

4.3刀具的修理

3、滚刀修理的检验标准①.测试扭矩在20-60N.M；②.刀具密封不漏油，油脂中无可见大的金属颗粒；③.加压到5-10psi，保持5分钟以上，压力无泄漏。中铁隧道股份有限公司70☞4.3刀具的修理①.测试扭矩在7171

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4.3刀具的修理测试扭矩的步骤如下：①垂直放置刀具，螺纹端在上面。②将扭矩环放在刀圈上，使六角螺栓朝上放置，并紧固。把扭力扳手放在扭矩环螺栓上，然后径向往外伸展开。③将刀具夹在台上，或者压着刀具，并往轴承上施加一些力，已测试刀具的转动。④用扭力扳手转动刀具一圈，并读取扭矩读数，慢慢的转动刀体，但保持持续转动。

中铁隧道股份有限公司71 ☞4.3刀具的修理72中铁隧道股份有限公司72

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4.3刀具的修理⑤按下图的实际计算的扭矩读数：实际扭矩=扳手扭矩*C/B中铁隧道股份有限公司72 ☞4.3刀具的修理实际扭矩=扳73中铁隧道股份有限公司73

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4.4刀盘管理

2、刀盘的检查刀盘的检查步骤如下：①用电子测温仪测量刀盘温度，并由刀盘工程师记录在刀盘检查记录表上；②开启除尘风机进行刀盘内通风，用高压水清洗刀盘，达到能清晰检查各部件和降低刀盘温度的目的；③用特定的量尺测量所有刀具的磨损（除特殊情况外，只在白班维保期间进行此项工作），并认真记录相关数据；中铁隧道股份有限公司73 ☞4.4刀盘管理74中铁隧道股份有限公司74

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4.4、刀盘管理④刀具螺栓是否松动、掉落；⑤铲斗齿的完好情况（是否有螺栓掉落，铲斗齿是否有丢失或磨损严重）；⑥转动刀具（至少半圈）判断刀具扭矩是否正常，刀圈是否有崩刃、偏磨、断裂及挡圈脱落现象，刀具是否有发烫，漏油等现象⑦旋转接头运转情况及加注锂基脂；⑧刀盘喷水效果；⑨刀盘是否有磨损、损伤，焊接处是否有开焊等异常现象。⑩刀具班长在离开刀盘时检查有无遗落工具、其他检查人员没有离开刀盘，确认一切正常后班长在所有人离开刀盘后最后离开。中铁隧道股份有限公司74 ☞4.4、刀盘管理75中铁隧道股份有限公司中铁隧道股份有限公司76中铁隧道股份有限公司76

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四、刀盘管理

3、刀具的更换1）、刀盘检查表由检查人员负责填写，检查人员填写后将检查表交刀盘负责工程师，刀具工程师根据检查表，结合掘进情况、地质条件及前次检查表、换刀记录等资料做统计和分析，形成刀盘换刀计划经TBM主管工程师复核后报机电总工审批，刀具工程师按总工审批下发换刀通知单，一式四份：一份刀具工程师留底，一份送TBM掘进工区主任，一份存机设部，一份下发刀具班。但当刀具检查现场发现有特殊情况发生时，刀具工程师可以根据实际特殊情况做出判断更改有关换刀事宜，并立即把情况或建议提交TBM主管工程师及总工，以最终确定刀具更换方案。中铁隧道股份有限公司76 ☞四、刀盘管理77序号刀位号原装刀具状况新装刀具状况原刀具号安装日期安装桩号工作时间(h）掘进距离(m)换刀原因新刀具号安装日期安装桩号磨损情况（mm)备注12、4#001#2015/1/6284902.42.118刀圈断裂001#2015-2-2828492.120新刀217#125#2015/1/6284902.42.118刀圈断裂137#2015-2-2828492.120新刀323#109#2015/1/6284902.42.118调配106#2015-2-2828492.120新刀437#130#2015/1/6284902.42.118刀圈断裂125#2015-2-2828492.120新刀540#106#2015/1/6284902.42.118刀圈断裂130#2015-2-2828492.120新刀644#137#2015/1/6284902.42.118刀圈断裂109#2015-2-2828492.121过渡刀734#105#2015/1/62849010.19.531刀圈断裂105#2015-3-1528499.530新刀821#112#2015/1/62849017.212.853调配138#2015-3-2328502.859过渡刀922#123#2015/1/62849017.212.853调配143#2015-3-2328502.858过渡刀1023#106#2015-2-2828492.1214.810.735调配139#2015-3-2328502.856过渡刀1124#118#2015/1/62849017.212.853调配142#2015-3-2328502.8510过渡刀1245#142#2015/1/62849017.212.853调配118#2015-3-2328502.854过渡刀1346#138#2015/1/62849017.212.853调配112#2015-3-2328502.853过渡刀1447#143#2015/1/62849017.212.853调配123#2015-3-2328502.854过渡刀1548#139#2015/1/62849017.212.853调配106#2015-3-2328502.853过渡刀中铁隧道股份有限公司刀具更换统计台账（2015.03）序刀位号原装刀具状况新装刀具状况原刀具号安装日期安装桩号工作78中铁隧道股份有限公司78

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4.4、刀盘管理2)

刀具存在以下情况时需更换：①.相邻圆轨迹的滚刀具最大允许高差一般不超过15mm

；以引汉济渭工程为例，中心刀1#-8#为15mm，单刀9#-40#为15mm，41#-49#为12mm，边刀50#-51#为8mm；②.出现滚刀磨损到极限【中心刀25mm、滚刀35mm（41#-44#为25mm、45#-49#为19mm）、边刀12mm】

、偏磨、崩刃、挡圈掉落或开裂、漏油等情况；③.当某个区域个别刀具达到磨损极限且周围刀具磨损量也较大时，可将整个区域的刀具全部更换，若这个区域相邻的两把刀的磨损量大于15mm时，可在这个区域的两边更换过渡刀，满足相邻刀具的磨损量差值小于15mm。中铁隧道股份有限公司78 ☞4.4、刀盘管理79刀具配件消耗台账（2015.08）序号日期更换刀具刀位号单刀中心刀更换数量（把）刀圈（个）轴承（套）刀体（个）中心刀刀圈（个）中心刀轴承（套）中心刀刀体（个）正常磨损刀位极限调配偏磨刀圈崩刃其它正常磨损偏磨刀圈崩刃其它单刀中心刀18192015-8-152015-8-1628#-35#、36#-48#19#、27#、19#16231112131414202015-8-1714#、16#、28#、15#-18#、20#、22#-27#、31#、32#、34#、41#-51#1575128146212015-8-2044#、18#、33#、35#、36#、37#、45#、46#、47#431194222015-8-2144#、27#、29#-32#、38#-51#88312012232015-8-2318#、19#、21#、24#、26#、28#、34#、41#-46#、24#、49#77115724252015-8-242015-8-2524#、48#24#1112118月合计9353431911231002214114644840总计24924511552641571337401438723657202410中铁隧道股份有限公司刀具配件消耗台账（2015.08）序号日期更换刀具刀位号单刀80中铁隧道股份有限公司☞

4.4刀盘管理803)刀具安装①刀座接触面、螺栓、螺帽、楔块、压块表面必须用水清洗干净，如清洗不干净时需用钢丝刷等清理干净，然后再用水清洗干净，最后用高压风吹干或用干布擦干；