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[摘要]在硬岩地层条件下，掘进存在的问题是刀具磨损严重，掘进速度慢，且在控制不当的情况下易造成刀具非正常损坏，可能对刀盘造成磨损或损坏。依据广州市轨道交通七号线一期工程南村站一中间风机房（不含）区间，盾构掘进穿越硬岩的实例。通过选择合理的刀具及配置，分析施工中刀具的磨损原因并采取应对措施，有计划地更换刀具，建立完善的刀具更换流程并加强管理等，确保盾构茌硬岩中安全顺利推进。
[关键词]硬岩；盾构掘进；刀具选择；刀具更换
一.工程概况
广州市轨道交通七号线一期工程南村站～中间风机房（不含）盾构区间，线路纵断面为下坡，最大坡度为26‰，线路埋深12.04m～36.73m，隧道顶覆土7.86m～32.55m。根据地质勘察资料，隧道主要穿行于<6>全风化泥质粉砂岩、<7>强风化泥质粉砂岩、<8>中风化泥质粉砂岩、<6Z>全风化混合花岗岩、<7Z>强风化混合花岗岩、<8Z>中风化混合花岗岩和<9Z>微风化混合花岗岩等。
区间左线长1678.269m，穿越<8Z>中风化混合花岗岩、微风化混合花岗岩及其混合岩地层为962.57m，占左线线路的57.35%。区间右线长1703.560m，穿越<8Z>中风化混合花岗岩、微风化混合花岗岩及其混合岩地层为776.806m，占右线线路的45.6%。
<8Z>中风化混合花岗岩：灰黄色、褐黄，细粒花岗变晶结构，条带状构造。裂隙发育，岩体破碎，岩芯呈碎块状局部短柱状，岩质较硬。天然单轴极限抗压强度值为11.43～58.30MDa，平均值为26.76Mpa。
<9Z>微风化混合花岗岩：浅灰、灰白色、青灰色，花岗变晶结构，条纹、条带构造。局部裂隙较发育，岩芯呈柱状，局部机械破碎呈碎块状，RQD为50～90%，岩质坚硬。天然单轴极限抗压强度值为26.4～1 07.3Mpa，平均值为73.0Mpa。
二.盾构机情况
根据本工程线路情况及地层特性，经综合考虑比选，选用德国海瑞克公司生产的直径6280mm的复合式土压平衡盾构机。两台盾构机均为液压驱动式土压平衡盾构机，具有高转速、大推力和大扭矩的特点，盾体中盾和尾盾之间采用铰接连接，便于在曲线上掘进。盾构机配备有适用该标段地层掘进的刀具、渣土改良系统、完善的人仓和保压系统、同步注浆系统，且人仓位于中隔板的上部，以方便刀具更换。
在硬岩段掘进中，盾构机布设的刀具为35把滚刀（31把单刃滚刀，4把双刃滚刀），64把齿刀、8把边刮刀和1把超挖刀。滚刀有高度耐磨的切削环，完全满足在硬岩掘进的需要，刀盘的形状采用防堵塞设计，刀具型式和安装位置便于切割岩石。
三.刀具的选择
刀具是盾构施工的重要部件，在盾构施工时，选用什么样的刀具通常取决于盾构机掘进通过的地层条件。在硬岩条件下盾构机破岩主要靠盘型滚刀，刀盘旋转带动刀具扫过开挖面，滚刀对围岩的挤压使得岩层表面形成裂纹继而与掌子面脱落，实现岩层的成功破碎。
3.1滚刀刀圈的材质
滚刀刀圈的材质是滚刀能否胜任掘进硬岩的关键，一般有以下4种类型的刀圈。
（1）耐磨层表面刀圈
适用于掘进硬度40Mpa的紧密地层，硬度80～lOOMpa的断裂砾岩、砂岩、凝灰岩及砂性土等地层。
（2）标准钢刀圈
适用于掘进硬度50～150Mpa的砾岩、大理石、砂岩、灰岩及有石块的地层。
（3）重型钢刀圈
适用于掘进硬度120～250Mpa的硬岩，硬度80～1 50Mpa的高磨损岩层，如花岗岩、闪长岩、斑岩、大理石、蛇纹石及玄武岩等地层。
（4）镶齿硬质合金刀圈
适用于掘进硬度高达150～250Mpa的花岗岩、斑岩、玄武岩及石英等地层。
根据刀具使用情况，标准钢刀圈滚刀可以较好的适用于本标段的地层。
3.2滚刀直径
滚刀按刀圈外径规格一般分为12”、15.5”、17”及19”等系列，见表1。
本标段使用17”单刃滚刀，可以较好的用于掘进硬岩地层。刀圈高于刀盘面板175mm，其刀圈可以更换，根据岩石的强度可以选用破岩能力不同的刀圈。
3.3滚刀厂家的比选
本标段使用了洛阳九久、沪马、庞万力等厂家生产或维修的滚刀，通过对硬岩掘进中刀具的更换数量、刀具的磨损情况等进行分析，选择适合本标段的刀具厂家。并在施工中选择合理的掘进参数，确保盾构在硬岩中顺利掘进。
右线在YDKl7+581.89（对应274环、<7Z>地层）进行了全盘刀具的更换，刀具为洛阳九久生产的刀具。恢复掘进后穿过全断面<7Z>和<7Z>、<8Z>、的混合地层进入<8Z>、<9Z>地层，掘进到363环开仓换刀。在YDKl7+669.405～YDKl7+856.902段，对应环数为361～487环，隧道基本处于全断面中、微风化混合花岗岩地层中，共换刀5次。刀具更换情况见表2。
由表2可知，洛阳九久的刀具在混合岩段掘进63环，刀具更换28把单刃滚刀，磨损严重，平均2.25环/把。沪马刀具在硬岩段掘进62环，刀具更换26把单刃滚刀，2把双刃滚刀，磨损较严重，平均2.21环/把。庞万力刀具在硬岩段掘进62环，刀具更换27把单刃滚刀，2把双刃滚刀，磨损严重，平均2.14环，把。通过对滚刀的磨损情况、经济投入等综合比选后选用沪马刀具厂家生产和维修的刀具。
四.刀具磨损原因分析及应对措施
4.1刀具磨损原因分析
盾构在全断面硬岩中掘进，刀具磨损常见形式有：均匀磨损、偏磨、崩刀圈、刀圈脱落等，通过现场施工观察及分析，刀具磨损原因如下：
（1）掌子面岩面强度大，且石英含量高达40～45%，对刀具磨损量大。同时刀具与硬岩摩擦产生大量的热加速刀具的磨损。 （2）刮刀出现磨损、脱落、崩裂等，特别是刀盘外周的刀具磨损严重，以至于滚刀破岩后岩石无法正常刮落。辅助刀具对滚刀保护基本失去作用，导致滚刀受损严重。
（3）刀具螺帽发生松动现象，甚至螺杆出现脱落，此时继续掘进时，松动的刀具随着刀盘转动，刀轴也会跟着抖动造成刀具无法正常受力破岩，从而影响刀具寿命。
（4）盾构姿态不均衡，茌调节姿态时各分区油缸压差过大，使整个刀盘面受力不均，导致在转动刀盘时刀具在不同位置受到的阻力扭矩不同，刀具旋转不均匀，引起刀圈偏磨。
（5）海瑞克盾构机边缘滚刀（31#-39#）布置较为薄弱，每个边缘轮廓轨迹上只有一把刀具，一旦发生刀具损坏，易引起周边刀具连锁性破坏。
4.2应对措施
（1）盾构茌全断面硬岩中掘进时，采用敞开式掘进模式，加快螺旋机转速，减少土仓内的积土。通过向掌子面注入泡沫，降低刀具温度，润滑刀具，以此减少对刀具的影响。
（2）将刀具螺母全部更换为自锁螺母，垫片更换为阴阳子母垫片，防止在掘进中松动。
（3）在保证盾构姿态的情况下尽量控制各分区的油缸压力差在50bar以内，在全断面硬岩地层每一环盾构姿态调整量应控制在5mm以内。
（4）关注掘进参数的变化，参数异常时，选择合适地点，尽快开仓检查刀具和掌子面情况。掘进参数的选择以保护刀具为原则，按高转速、低扭矩选取参数，掘进参数控制范围：推力800-1200T，刀盘转速1.7～2.2r/min，刀盘扭矩1600-2800KN·m，掘进速度≤25mm/min。
（5）勤检查刀具，及时对松动的螺栓进行复紧，偏磨和磨损超限的刀具及时更换，避免造成周围刀具的磨损损坏。
（6）坚持在土仓隔板处巡视触听土仓中的异常声响，及时发现并尽早清除土仓中的异物，也是保护刀具非正常损坏的重要措施。
五.刀具管理
建立严格的刀具检查管理制度，制定定期和不定期刀具检查制度，是盾构机在硬岩掘进的必要保障，刀具管理要有专业的人员来管理和维护。-
5.1建立定期和不定期刀具检查制度
（1）定期刀具检查制度
一是刀具更换完成后，推进1-2环，检查刀具的情况并对刀具螺栓进行复紧；二是每掘进10环进行刀具的常规磨损检查，根据刀具检查结果，制定刀具维护、更换方案。
（2）不定期刀具检查制度
在盾构掘进过程中，盾构值班土建工程师和盾构司机根据掘进参数的异常和刀盘发出的异常声响等情况，对刀具进行检查，根据刀具检查结果，制定刀具维护、更换方案。
（3）刀具检查内容
刀具的检查包括螺丝是否松动、断丝，刀圈是否破裂、脱落，刀具是否偏磨并用卡尺检查磨损量等。
5.2刀具更换标准
（1）正面滚刀刀圈磨损量在15～20mm时须换刀，边缘滚刀刀圈磨损量为5～10mm时须换刀。
（2）边缘刮刀及齿刀出现崩齿或刀具上的合金堆焊层磨损较严重时须更换。
（3）换刀时如发现刀具偏磨、刀圈崩裂等，必须进行更换。
5.3刀具更换
刀具更换流程：出土停机→打开舱门→通风、冲洗刀具→观察掌子面及渗漏水情况→注双液浆封环→工具准备→刀具磨损测量→拆、装刀→检查安装质量→整理工具→关闭仓门→恢复掘进。
根据掘进过程中渣土的含水量，确定是否在盾尾后5-6环注双液浆封环，开仓后先通风、冲洗刀盘刀具。同时观察掌子面情况和土仓后方来水情况，水量大时在盾尾后方补注双液浆封环截水。通知地面人员准备换刀工具和刀具，检查、测量刀具磨损情况并详细记录。将磨损情况反馈到项目部，根据磨损情况制定换刀方案，同时通知换刀人员准备拆装刀。对于断丝或卡死刀箱的情况，准备丝杆、水下焊机、氧气乙炔等。刀具更换完成后，全面检查一遍并对刀具螺栓再次复紧，然后将工具全部整理出来，关闭仓门恢复掘进。
盾构机换刀目前大多数采用“背装式”，该方式更换刀具较快，且易于操作。
（1）对于磨损超限的边缘刀，可以放在正面刀使用的，调换到正面刀位置，以合理利用刀具。
（2）选择专业的队伍加快换刀速度，换刀结束后，由项目机电部安排有经验的机电工程师对刀具进行检查，确保刀具的安装质量合格。
（3）换刀工具安排专人进行维修保养，对于换刀时采用的照明灯具提前检查更换。
（4）刀具安装前，用风镐进行凿刀槽，保证有足够的长度和深度；对变形的刀箱进行修复处理，确保刀具安装到位。
（5）对于刀具断丝或卡死刀箱的情况，采用焊接螺帽取丝、丝杆拖拉等进行处理，必要时对刀具采取报废处理，利用水下焊、氧气乙炔进行割除，见图5.2。
（6）将磨损超限的刀具送到专业的刀具维修厂家进行维修，保证刀具的装配扭矩合理配置和各部件的质量；
（7）为每一把刀建立刀具维修、使用及更换台账。
结语：
在硬岩地层中掘进，刀具磨损严重，更换频率高，施工难度大。施工中根据实际地质情况选择标准钢刀圈的刀具，分析刀具磨损的原因，并采取减少刀具磨损的应对措施。同时加强对刀具的管理，建立定期和不定期的刀具检查制度，完善刀具更换流程，有计划地更换刀具等，确保盾构在硬岩中安全顺利推进。
[关键词]硬岩；盾构掘进；刀具选择；刀具更换
一.工程概况
广州市轨道交通七号线一期工程南村站～中间风机房（不含）盾构区间，线路纵断面为下坡，最大坡度为26‰，线路埋深12.04m～36.73m，隧道顶覆土7.86m～32.55m。根据地质勘察资料，隧道主要穿行于<6>全风化泥质粉砂岩、<7>强风化泥质粉砂岩、<8>中风化泥质粉砂岩、<6Z>全风化混合花岗岩、<7Z>强风化混合花岗岩、<8Z>中风化混合花岗岩和<9Z>微风化混合花岗岩等。
区间左线长1678.269m，穿越<8Z>中风化混合花岗岩、
<8Z>中风化混合花岗岩：灰黄色、褐黄，细粒花岗变晶结构，条带状构造。裂隙发育，岩体破碎，岩芯呈碎块状局部短柱状，岩质较硬。天然单轴极限抗压强度值为11.43～58.30MDa，平均值为26.76Mpa。
<9Z>微风化混合花岗岩：浅灰、灰白色、青灰色，花岗变晶结构，条纹、条带构造。局部裂隙较发育，岩芯呈柱状，局部机械破碎呈碎块状，RQD为50～90%，岩质坚硬。天然单轴极限抗压强度值为26.4～1 07.3Mpa，平均值为73.0Mpa。
二.盾构机情况
根据本工程线路情况及地层特性，经综合考虑比选，选用德国海瑞克公司生产的直径6280mm的复合式土压平衡盾构机。两台盾构机均为液压驱动式土压平衡盾构机，具有高转速、大推力和大扭矩的特点，盾体中盾和尾盾之间采用铰接连接，便于在曲线上掘进。盾构机配备有适用该标段地层掘进的刀具、渣土改良系统、完善的人仓和保压系统、同步注浆系统，且人仓位于中隔板的上部，以方便刀具更换。
在硬岩段掘进中，盾构机布设的刀具为35把滚刀（31把单刃滚刀，4把双刃滚刀），64把齿刀、8把边刮刀和1把超挖刀。滚刀有高度耐磨的切削环，完全满足在硬岩掘进的需要，刀盘的形状采用防堵塞设计，刀具型式和安装位置便于切割岩石。
三.刀具的选择
刀具是盾构施工的重要部件，在盾构施工时，选用什么样的刀具通常取决于盾构机掘进通过的地层条件。在硬岩条件下盾构机破岩主要靠盘型滚刀，刀盘旋转带动刀具扫过开挖面，滚刀对围岩的挤压使得岩层表面形成裂纹继而与掌子面脱落，实现岩层的成功破碎。
3.1滚刀刀圈的材质
滚刀刀圈的材质是滚刀能否胜任掘进硬岩的关键，一般有以下4种类型的刀圈。
（1）耐磨层表面刀圈
适用于掘进硬度40Mpa的紧密地层，硬度80～lOOMpa的断裂砾岩、砂岩、凝灰岩及砂性土等地层。
（2）标准钢刀圈
适用于掘进硬度50～150Mpa的砾岩、大理石、砂岩、灰岩及有石块的地层。
（3）重型钢刀圈
适用于掘进硬度120～250Mpa的硬岩，硬度80～1 50Mpa的高磨损岩层，如花岗岩、闪长岩、斑岩、大理石、蛇纹石及玄武岩等地层。
（4）镶齿硬质合金刀圈
适用于掘进硬度高达150～250Mpa的花岗岩、斑岩、玄武岩及石英等地层。
根据刀具使用情况，标准钢刀圈滚刀可以较好的适用于本标段的地层。
3.2滚刀直径
滚刀按刀圈外径规格一般分为12”、15.5”、17”及19”等系列，见表1。
本标段使用17”单刃滚刀，可以较好的用于掘进硬岩地层。刀圈高于刀盘面板175mm，其刀圈可以更换，根据岩石的强度可以选用破岩能力不同的刀圈。
3.3滚刀厂家的比选
本标段使用了洛阳九久、沪马、庞万力等厂家生产或维修的滚刀，通过对硬岩掘进中刀具的更换数量、刀具的磨损情况等进行分析，选择适合本标段的刀具厂家。并在施工中选择合理的掘进参数，确保盾构在硬岩中顺利掘进。
右线在YDKl7+581.89（对应274环、<7Z>地层）进行了全盘刀具的更换，刀具为洛阳九久生产的刀具。恢复掘进后穿过全断面<7Z>和<7Z>、<8Z>、
由表2可知，洛阳九久的刀具在混合岩段掘进63环，刀具更换28把单刃滚刀，磨损严重，平均2.25环/把。沪马刀具在硬岩段掘进62环，刀具更换26把单刃滚刀，2把双刃滚刀，磨损较严重，平均2.21环/把。庞万力刀具在硬岩段掘进62环，刀具更换27把单刃滚刀，2把双刃滚刀，磨损严重，平均2.14环，把。通过对滚刀的磨损情况、经济投入等综合比选后选用沪马刀具厂家生产和维修的刀具。
四.刀具磨损原因分析及应对措施
4.1刀具磨损原因分析
盾构在全断面硬岩中掘进，刀具磨损常见形式有：均匀磨损、偏磨、崩刀圈、刀圈脱落等，通过现场施工观察及分析，刀具磨损原因如下：
（1）掌子面岩面强度大，且石英含量高达40～45%，对刀具磨损量大。同时刀具与硬岩摩擦产生大量的热加速刀具的磨损。 （2）刮刀出现磨损、脱落、崩裂等，特别是刀盘外周的刀具磨损严重，以至于滚刀破岩后岩石无法正常刮落。辅助刀具对滚刀保护基本失去作用，导致滚刀受损严重。
（3）刀具螺帽发生松动现象，甚至螺杆出现脱落，此时继续掘进时，松动的刀具随着刀盘转动，刀轴也会跟着抖动造成刀具无法正常受力破岩，从而影响刀具寿命。
（4）盾构姿态不均衡，茌调节姿态时各分区油缸压差过大，使整个刀盘面受力不均，导致在转动刀盘时刀具在不同位置受到的阻力扭矩不同，刀具旋转不均匀，引起刀圈偏磨。
（5）海瑞克盾构机边缘滚刀（31#-39#）布置较为薄弱，每个边缘轮廓轨迹上只有一把刀具，一旦发生刀具损坏，易引起周边刀具连锁性破坏。
4.2应对措施
（1）盾构茌全断面硬岩中掘进时，采用敞开式掘进模式，加快螺旋机转速，减少土仓内的积土。通过向掌子面注入泡沫，降低刀具温度，润滑刀具，以此减少对刀具的影响。
（2）将刀具螺母全部更换为自锁螺母，垫片更换为阴阳子母垫片，防止在掘进中松动。
（3）在保证盾构姿态的情况下尽量控制各分区的油缸压力差在50bar以内，在全断面硬岩地层每一环盾构姿态调整量应控制在5mm以内。
（4）关注掘进参数的变化，参数异常时，选择合适地点，尽快开仓检查刀具和掌子面情况。掘进参数的选择以保护刀具为原则，按高转速、低扭矩选取参数，掘进参数控制范围：推力800-1200T，刀盘转速1.7～2.2r/min，刀盘扭矩1600-2800KN·m，掘进速度≤25mm/min。
（5）勤检查刀具，及时对松动的螺栓进行复紧，偏磨和磨损超限的刀具及时更换，避免造成周围刀具的磨损损坏。
（6）坚持在土仓隔板处巡视触听土仓中的异常声响，及时发现并尽早清除土仓中的异物，也是保护刀具非正常损坏的重要措施。
五.刀具管理
建立严格的刀具检查管理制度，制定定期和不定期刀具检查制度，是盾构机在硬岩掘进的必要保障，刀具管理要有专业的人员来管理和维护。-
5.1建立定期和不定期刀具检查制度
（1）定期刀具检查制度
一是刀具更换完成后，推进1-2环，检查刀具的情况并对刀具螺栓进行复紧；二是每掘进10环进行刀具的常规磨损检查，根据刀具检查结果，制定刀具维护、更换方案。
（2）不定期刀具检查制度
在盾构掘进过程中，盾构值班土建工程师和盾构司机根据掘进参数的异常和刀盘发出的异常声响等情况，对刀具进行检查，根据刀具检查结果，制定刀具维护、更换方案。
（3）刀具检查内容
刀具的检查包括螺丝是否松动、断丝，刀圈是否破裂、脱落，刀具是否偏磨并用卡尺检查磨损量等。
5.2刀具更换标准
（1）正面滚刀刀圈磨损量在15～20mm时须换刀，边缘滚刀刀圈磨损量为5～10mm时须换刀。
（2）边缘刮刀及齿刀出现崩齿或刀具上的合金堆焊层磨损较严重时须更换。
（3）换刀时如发现刀具偏磨、刀圈崩裂等，必须进行更换。
5.3刀具更换
刀具更换流程：出土停机→打开舱门→通风、冲洗刀具→观察掌子面及渗漏水情况→注双液浆封环→工具准备→刀具磨损测量→拆、装刀→检查安装质量→整理工具→关闭仓门→恢复掘进。
根据掘进过程中渣土的含水量，确定是否在盾尾后5-6环注双液浆封环，开仓后先通风、冲洗刀盘刀具。同时观察掌子面情况和土仓后方来水情况，水量大时在盾尾后方补注双液浆封环截水。通知地面人员准备换刀工具和刀具，检查、测量刀具磨损情况并详细记录。将磨损情况反馈到项目部，根据磨损情况制定换刀方案，同时通知换刀人员准备拆装刀。对于断丝或卡死刀箱的情况，准备丝杆、水下焊机、氧气乙炔等。刀具更换完成后，全面检查一遍并对刀具螺栓再次复紧，然后将工具全部整理出来，关闭仓门恢复掘进。
盾构机换刀目前大多数采用“背装式”，该方式更换刀具较快，且易于操作。
（1）对于磨损超限的边缘刀，可以放在正面刀使用的，调换到正面刀位置，以合理利用刀具。
（2）选择专业的队伍加快换刀速度，换刀结束后，由项目机电部安排有经验的机电工程师对刀具进行检查，确保刀具的安装质量合格。
（3）换刀工具安排专人进行维修保养，对于换刀时采用的照明灯具提前检查更换。
（4）刀具安装前，用风镐进行凿刀槽，保证有足够的长度和深度；对变形的刀箱进行修复处理，确保刀具安装到位。
（5）对于刀具断丝或卡死刀箱的情况，采用焊接螺帽取丝、丝杆拖拉等进行处理，必要时对刀具采取报废处理，利用水下焊、氧气乙炔进行割除，见图5.2。
（6）将磨损超限的刀具送到专业的刀具维修厂家进行维修，保证刀具的装配扭矩合理配置和各部件的质量；
（7）为每一把刀建立刀具维修、使用及更换台账。
结语：
在硬岩地层中掘进，刀具磨损严重，更换频率高，施工难度大。施工中根据实际地质情况选择标准钢刀圈的刀具，分析刀具磨损的原因，并采取减少刀具磨损的应对措施。同时加强对刀具的管理，建立定期和不定期的刀具检查制度，完善刀具更换流程，有计划地更换刀具等，确保盾构在硬岩中安全顺利推进。