砂卵石地層盾構掘進的刀具磨損和改善措施

郭家慶

(中鐵隧道集團成都地鐵2號線盾構項目部,610041,成都∥工程師)

成都地鐵砂卵石地層的石英含量高,致使盾構刀具磨損快。據施工統計,剛開始用普通標準刀具時,每掘進130～200 m就需進行刀具的檢查與更換。因此,如何延長刀具的使用壽命、減少更換刀具的時間,以縮短施工工期、節約施工成本、減少換刀的施工風險、減少因換刀對城市交通的干擾,已成為成都地鐵盾構施工企業的重點研究課題。成都地鐵各盾構施工企業通過多方面的努力,刀具使用水平已有了較大的提高。本文主要是將成都地鐵1號線盾構4標段有關刀具使用的一些經驗與同行共同探討。

1 成都地鐵1號線4標段工程概況

成都地鐵1號線盾構4標段起于省體育館站南端,止于火車南站北端,共分為省體育館站—倪家橋站—桐梓林站—火車南站站3個區間。左線隧道長2 328.20 m,采用1臺德國海瑞克土壓平衡式盾構施工;右線隧道長2 572.23 m,采用1臺德國海瑞克泥水加壓平衡式盾構施工。2臺盾構均從火車南站站始發。

本標段內地表多為第四系全新統人工填土覆蓋,其下為全新統沖積層黏性土、粉土、砂土、卵石土,再下為第四系上更新統冰水、沖積層(為卵石土夾砂層),下伏基巖為白堊系上統灌口組紫紅色泥巖。

據初勘鉆探及探井揭露,漂石最大粒徑為270 mm,一般體積分數為5%～10%,局部富集成層漂石體積分數高達20%～30%;漂石分布隨機性較強,但主要分布于卵石層中下部,一般埋深大于6.5 m;漂石單軸抗壓強度最大為 94.3 MPa,最小為92.8 MPa,平均值為93.7 MPa。

2 盾構的主要施工參數

2.1 推力

盾構所需的理論總推進摩擦阻力為:

式中:

Fm——盾構推進總摩擦阻力;

F1——盾殼和土層的摩擦力;

F2——正面土壓形成的阻力;

F3——盾構機前體與水壓形成的阻力;

F4——盾尾密封形成的摩擦力;

F5——推拉拖車的力。

在本工程的隧道工況條件下,計算得到φ 6 280 mm盾構的總推進阻力為Fm=19 017 kN。考慮盾構掘進時的推力安全系數為1.5,故推力F=1.5 Fm=28 525 kN。

盾構機實際配備推力為34 210 kN,能夠滿足工程實際需要。

2.2 扭矩

按照土壓平衡式盾構的扭矩估算公式:

式中:

T——扭矩;

α——土壓平衡式盾構系數,根據盾構直徑的大小不同一般取值14～23 kN/m2;

D——盾構直徑。

在同樣或類似地質條件下,小直徑盾構α取大值,大直徑盾構α取小值。

研究認為,在砂卵石地層中盾構掘進時,盾構刀盤扭矩一般較大,而且施工中常會出現刀盤瞬間扭矩過大的現象,故有必要結合砂卵石地層的特點對α值進行調整?，F取 α=20 kN/m2,D=6.28 m,由式(2)計算得T=4 953 kN·m。此扭矩值應為盾構機的脫困扭矩值。盾構機實際配備扭矩為 6 000 kN·m,能夠滿足工程實際需要。

3 盾構刀具的磨損和管理

3.1 刀盤結構

土壓平衡式盾構刀盤按照工程地質條件和施工控制要求可分為面板式和輻條式兩種形式。根據成都地區的地質條件,選擇面板式刀盤(刀盤結構見圖1)。面板式刀盤不但具有支撐掌子面的功能,同時具有泥土攪拌功能。此刀盤直徑為6 280 mm,是帶有輪廓的封閉鋼結構件,4條輻射臂連接到主驅動;刀盤上裝有4把432 mm(17英寸)中心雙刃滾刀、32把432 mm(17英寸)單刃滾刀、28把寬齒刀、8把周邊耐磨刮刀;單刃受力刀具的最大間距為100 mm;刀盤開口率為24%。

3.2 滾刀

3.2.1 滾刀起動扭矩的控制

在成都砂卵石地層中,滾刀的起動扭矩是決定一把滾刀能否正常工作的最關鍵因素之一。如果起動扭矩過大,砂卵石地層無法給滾刀足夠的自轉反作用力,滾刀就會產生偏磨(在成都地鐵1號線施工前期,這是滾刀產生偏磨的重要原因之一);如果刀具的起動扭矩太小,用于密封刀具的浮動密封預緊力太小(指普通標準尺寸的刀具),造成滾刀軸承的刀具密封性差。

圖1 土壓平衡盾構面板式刀盤圖

在成都地鐵1號線某盾構機剛施工時,采用通用的432 mm(17英寸)滾刀的起動扭矩(50 Nm)。盾構機掘進130 m后進倉檢查刀具,發現所有的32把正滾刀有13把偏磨(比例達40%)。該工地將起動扭矩下降后,每次檢查刀具時發現偏磨的刀具不到10%。

成都地鐵1號線盾構4標段在開工前就對滾刀進行了起動扭矩的分析,并初步確定滾刀的起動扭矩為20～25 Nm。盾構4標段的海瑞克泥水加壓平衡式盾構機共有13把正滾刀,第一次檢查發現有一把正滾刀偏磨(因為刀具與刀箱之間卡了一塊大卵石,分析認為偏磨是因為大卵石卡住刀無法轉動而造成),沒有發現因為扭矩太大而發生自轉困難的情況。但是,因采用的是標準密封,故密封的效果有所下降,有三把正滾刀進了泥漿,造成刀具損壞。

從以上實例可知,起動扭矩直接關系到刀具的使用情況。成都地鐵1號線盾構4標段將滾刀的起動扭矩調到30～40 Nm后,基本上未發生偏磨的刀具,也很少發生刀具軸承進泥沙的情況。

3.2.2 滾刀刀體的選擇與二次保護

從刀具工廠采購的新刀都是標準件,對刀體只要求有足夠的強度與剛度,但并無特別的耐磨性要求。而在本工程中,除了砂卵石以外的其它地層對滾刀的刀圈都有較高的耐磨性要求,因刀體的加工量比較大,且硬度太高加工困難,故各廠家的刀體硬度都很低。有些廠家的刀體硬度只有H RC 35～40。因此,在采購新刀時,要選用硬度較高的刀體,以保證第一次使用時不會使刀體報廢。如刀體硬度達不到使用要求,應在使用前增加保護,防止新刀的軸及軸承受損害,使其能二次使用。在第二次使用時,可以在刀體外加焊耐磨焊層,如圖2所示。

圖2 滾刀的刀體外加焊耐磨層

3.2.3 中心滾刀的替代

中心滾刀可用重型撕裂刀來替代,其有以下幾個優點:①成本比中心滾刀要低;②重型撕裂刀的壽命可以估算,不會有中心滾刀偏磨的風險;③更換方便。

3.3 邊刮刀及齒刀

3.3.1 邊刮刀的配置

在成都的砂卵石地層中,因為砂卵石的比重大,故其相對滑動能力差,致使邊刮刀受力比較大。為防止其脫落,要加強邊刮刀的固定。

海瑞克泥水加壓平衡式盾構機的邊刮刀與海瑞克土壓平衡式盾構機的邊刮刀在配置與選型上有著很大的區別:泥水加壓平衡式盾構機使用的是2種邊刮刀,都是3孔的扇形刮刀;土壓平衡式盾構使用的是3種邊刮刀。兩種盾構的邊刮刀外型差別也比較大。土壓平衡式盾構的刮刀比泥水加壓平衡式盾構的刮刀要“強壯”,使用效果要好。外型尺寸的差距使土壓平衡式盾構機的邊刮刀比泥水加壓平衡式盾構機邊刮刀的使用壽命長;泥水加壓平衡式盾構機的邊刮刀是3孔,固定螺栓有3顆,其固定效果比土壓平衡式盾構機邊刮刀螺栓的固定效果要差,在使用過程中由于刀盤的轉動對刀具有一定的沖擊,會使螺栓斷裂、邊刮刀脫落。

目前邊刮刀的的結構都是耐磨面鑲高強度合金齒,在砂卵石地層中使用時,合金齒的損壞大部分不是磨損,而是掉落。這與邊刮刀母體的硬度有很大的關系。因合金齒之間有一定的間隙,使用時細砂會把母體磨損,導致合金齒的掉落。

3.3.2 齒刀的配制

泥水加壓平衡式盾構機與土壓平衡式盾構機的齒刀如圖3所示。

在實際使用中,發現泥水加壓平衡式盾構機用的齒刀比土壓平衡式盾構機用的新型邊刮刀壽命要少一半。經分析,其原因為:①泥水加壓平衡式盾構機的齒刀比較小,抗卵石沖擊能力差;②泥水加壓平衡式盾構機的齒刀前角太大,不適用于砂卵石地層。

圖3 盾構機的齒刀

4 盾構機刀具的保護措施

4.1 齒刀的保護

在盾構機出洞到站對刀盤面板修理時,要在刀盤、刀座周圍焊上足夠的耐磨層,以保護刀具。

加焊耐磨層時應注意刀盤面板渣土的流動性,如果耐磨層突出部分的位置不正確,就易在刀盤上結餅,造成盾構無法正常推進。刀盤、刀具的具體保護方案要根據前方施工地層的情況(如渣土的含泥量、大小卵石的比例等)來確定。但刀盤的中心部分要少作堆焊,以減少結泥餅的風險。

4.2 優化掘進參數,減少刀具磨損

在對刀盤、刀具的耐磨性進行加強的同時,應優化掘進參數,這是延長刀具使用壽命的重要措施。在砂卵石地層中,刀盤的結構與開口、刀具的配置確定后,應選用大的貫入度,這是減少磨損的一個重要方法。

4.3 改良渣土

在加強刀具耐磨性、提高滾刀可靠性、合理布局刀具的同時,改良渣土以減少掘進磨損是提高刀具使用壽命的重要措施。

常用的渣土改良方法可分為以下幾種:

1)加水改良。這種方法比較經濟,但是效果一般,在渣土改良要求不是很高的地層可以使用。

2)加入化學添加劑(如泡沫劑、肥皂液等)。這種改良渣土的方法針對性特別強,如果選用正確都能達到較好的效果,但其價格比較昂貴。

3)加入黏土(如澎潤土等)進行渣土改良。這種方法的施工過程比較麻煩,在用量大時會影響施工速度。

在成都砂卵石地層施工中,應高度重視渣土改良工作。在成都地鐵1號線盾構4標段的施工過程中,主要采用泡沫與泥漿改良相結合的方法。

5 結語

在成都砂卵石地層,渣土對盾構機刀具的磨損非常嚴重。為減少盾構刀具的磨損,首先要選用耐磨性好的刀具材質;其次要合理選擇刀具的外形尺寸,以減少磨擦;同時要合理利用各種添加劑對渣土進行改良。

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