卵礫石地層隧道盾構(gòu)刀具選型研究

2013-09-05 03:46:58張士龍

鐵道建筑 2013年4期

張士龍

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

張士龍

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

從國外引進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)刀具配置不能適應(yīng)我國部分城市砂卵石地層卵石粒徑大和石英含量高的特點(diǎn)，刀具磨損及沖擊崩裂嚴(yán)重。本文總結(jié)我國砂卵石地層中盾構(gòu)刀具布置的常用形式及其效果，結(jié)合南京緯七路過江隧道穿越砂卵石地層中盾構(gòu)刀具選型與布置，提出盾構(gòu)刀具布置不僅要遵循幾何對稱和力學(xué)對稱原則，而且要遵循等磨損原則，注意不同刀具之間的協(xié)同作用;砂卵石地層中，正面刮刀(切削刀)和貝型先行刀組合，再輔以其他刀具;在刀具配置中，要慎重考慮貝型先行刀的布置間距和貝型先行刀與刮刀高差的取值。

卵礫石地層盾構(gòu)刀具布置幾何對稱等磨損

隨著城市地鐵、地下道路和過江通道的修建，盾構(gòu)機(jī)被越來越多地應(yīng)用［1］。由于我國的盾構(gòu)技術(shù)剛起步，目前使用的盾構(gòu)機(jī)大部分是從德國和日本進(jìn)口［2］。由于德國和日本砂卵石地層分布較少，其盾構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于砂卵石地層尚不夠成熟。

砂卵石地層是一種咬合不穩(wěn)定地層，粒徑不均，卵石粒徑大、石英含量高、內(nèi)摩擦角大，不適用普通切削，但受擾動后極易自行崩塌，穩(wěn)定性低于多裂隙巖層。在北京、沈陽、成都和南京廣泛分布的砂卵石地層中進(jìn)行隧道施工，盾構(gòu)機(jī)常常出現(xiàn)刀盤刀具設(shè)計(jì)與地層條件不適應(yīng)的情況，有些導(dǎo)致嚴(yán)重工程后果。

本文介紹盾構(gòu)刀具的一般布置形式，總結(jié)我國砂卵石地層中盾構(gòu)刀具布置的常用形式，對南京緯七路過江隧道穿越砂卵石地層盾構(gòu)刀具布置與地層適應(yīng)性進(jìn)行分析。

1 刀具布置一般形式

從優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮，盾構(gòu)刀具按一定的力學(xué)和幾何學(xué)規(guī)律分散布置在刀盤上，從而達(dá)到布局、結(jié)構(gòu)和負(fù)載的合理性［3］。切削刀具主要按阿基米德螺旋線和同心圓的幾何規(guī)律在刀盤上布置，目前采用最多的是阿基米德螺旋線布置法，如圖1所示。

阿基米德螺旋線極坐標(biāo)表達(dá)式為［4］

圖1 阿基米德螺旋線

式中，ρ為極徑，ρ0為極徑初始值，α為常因數(shù)，θ為極角。假設(shè)盾構(gòu)中心刀最大切削直徑為d3，刀盤上切削刀具寬度為b1，則

式中，c為初始切削刀與中心刀的重疊量，計(jì)算如下

式中，ΔN為切削刀的布置數(shù)目N'取余。假設(shè)盾構(gòu)外徑為d1，刀盤切削外徑為d2，周邊刮刀寬度為 b2，如圖2所示，則為

式中，N'一般按照四舍五入取整，Δb為刀具切削軌跡之間搭接重疊量，若無重疊量則Δb=0。

圖2 刀盤尺寸及刀具開挖半徑示意

切削刀一般布置在刀盤輻條或者刀盤面板邊緣，以便切削下來的土進(jìn)入土倉。由于盾構(gòu)刀盤的正反轉(zhuǎn)，切削刀應(yīng)成正負(fù)對稱布置。而且，同一刀盤上切削刀的運(yùn)行距離與其分布半徑成正比，即相同運(yùn)行時間內(nèi)，外周切削刀比內(nèi)周切削刀的運(yùn)行距離較長，其磨損較大。按照等磨損布置原則，外周切削刀布置間距一般小于內(nèi)周切削刀的布置間距。比如在切削直徑1/2圓周內(nèi)采用單螺線布置，其余外周采用雙螺線布置，如圖3所示。這種以切削刀布置為主，輔以中心魚尾刀、周邊刮刀和超挖刀的刀具布置形式在進(jìn)口盾構(gòu)機(jī)上較常見，適用于黏土、砂土等軟土地層。

圖3 刀盤切削刀布置示意

2 砂卵石地層刀具布置

北京、成都及沈陽等城市地鐵隧道區(qū)間和南京過江隧道均為典型的砂卵石地層，卵石粒徑大，石英含量高，刀具的磨損及沖擊崩裂嚴(yán)重，依靠切削刀單一切削模式不能滿足工程需要，使用了貝型先行開挖刀，并在膠結(jié)型砂卵石地層使用了滾刀。

刀具切削按原理分為4種:①流水型切削;②剪切型切削;③斷裂型切削;④剝落型切削，見圖4。砂卵石地層對應(yīng)的切削模式為剝落型切削。

目前在砂卵石地層中，盾構(gòu)刀盤主要有3類刀具配置方式:①正面刮刀+周邊刮刀組合，在北京地鐵和沈陽地鐵工程中被采用;②正面刮刀+周邊刮刀+滾刀組合，廣泛應(yīng)用于成都地鐵，北京地鐵也有應(yīng)用;③正面刮刀+周邊貝型刀+先行刀或正面刮刀+周邊貝型刀+中心魚尾刀+先行刀組合，在北京地鐵應(yīng)用較多。工程應(yīng)用表明，第①類及第②類刀具配置方式工程效果較差，刀具磨損嚴(yán)重。因此，在松散砂卵石地層中，配置貝型先行刀成為盾構(gòu)機(jī)刀具配置的重要參考。基于貝型先行刀 +正面刮刀的刀具配置模式，黃清飛［5］提出了犁松原理。

圖4 四種不同切削模式

對于卵礫石地層，刀盤刀具設(shè)計(jì)與地層條件不適應(yīng)是導(dǎo)致嚴(yán)重工程后果的主要因素，對刀盤或刀具改造后工程效果表明:因刀具過度磨損導(dǎo)致的嚴(yán)重工程事故問題完全可以依靠合理的刀盤設(shè)計(jì)和刀具配置來避免。

工程應(yīng)用表明:對于卵礫石地層，正面刮刀(切削刀)和貝型先行刀的組合方式，再輔以其他周邊刀具，如中心魚尾刀、周邊刀，是刀具布置的較好選擇。在刀具布置方面，除了要考慮刀具布置的幾何對稱性，還要考慮刀具的等磨損原則。同時，還要注意不同刀具之間的協(xié)同切削。由工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)刀盤外圈刀具的磨損量由下式計(jì)算

式中，δ為磨損量，mm;K為磨耗系數(shù)，mm/km;D為盾構(gòu)刀盤外徑，m;wd為刀盤轉(zhuǎn)動速度，r/min;L為掘進(jìn)距離，km;v為掘進(jìn)速度，m/min。

3 刀具布置與地層適應(yīng)性分析

隨著盾構(gòu)掘進(jìn)地層的不同，刀具的布置也應(yīng)不同，即刀具布置的地層適應(yīng)性需要在施工中驗(yàn)證。下面結(jié)合南京緯七路過江隧道盾構(gòu)刀具磨損情況，對刀具的優(yōu)化布置進(jìn)行探討。

南京緯七路過江隧道主要穿越地層上部由第四系全新統(tǒng)新近沉積松散粉細(xì)砂組成，中部由第四系中密～密實(shí)粉細(xì)砂組成，下部由上更新統(tǒng)密實(shí)礫砂、圓礫等組成，第四系地層下伏基巖為白堊系鈣質(zhì)泥巖夾鈣質(zhì)細(xì)砂巖。本工程盾構(gòu)隧道穿越地層以粉細(xì)砂和礫砂地層為主。

南京緯七路過江隧道工程采用2臺φ14.93 m泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)，刀盤采用輻條—面板式結(jié)構(gòu)，開口率約35%，刀具由189把刮刀(切削刀)(包括118把固定刀和71把常壓可更換刀)、16把先行刀、6對周邊大鏟刀、6對小鏟刀和2把仿形刀組成，刮刀高出面板200 mm，先行刀高出面板250 mm，先行量50 mm。盾構(gòu)刀盤形式見圖5，各類刀具詳圖及介紹如下:

圖5 南京緯七路長江隧道刀盤結(jié)構(gòu)

1)固定刮刀:焊接在刀盤主輻臂上，不可常壓更換，共118把，結(jié)構(gòu)形式如圖6(a)所示。

2)可更換刮刀:可更換切削刀通過特殊構(gòu)造設(shè)計(jì)，作業(yè)人員在主輻臂內(nèi)可實(shí)現(xiàn)常壓更換，總數(shù)71把，中心7個圓柱刀每軌跡一把，其余每軌跡2把，可更換刀具形式如圖6(b)所示。

3)先行刀:盾構(gòu)所配置的16把先行刀焊接于刀盤主輻條上，總高度250 mm，高出其他刀具50 mm，先行刀結(jié)構(gòu)形式如圖6(c)所示。

4)周邊刮刀:布置在刀盤副輻臂邊緣，成對布置，盾構(gòu)掘進(jìn)時將底部沉積大粒徑土渣刮入土倉。周邊刮刀結(jié)構(gòu)形式如圖6(d)所示。

南京緯七路長江隧道盾構(gòu)既有刀盤刀具在部分?jǐn)嗝娴[砂層中掘進(jìn)約270 m時出現(xiàn)刀盤及周邊刀嚴(yán)重磨損、刀具合金大面積脫落失效等現(xiàn)象，并且先行刀刀頭整個上部完全磨損，根據(jù)堆焊痕跡可估計(jì)磨損約90 mm，剩余高度約165 mm，低于刮刀高度，完全失效。由此可知，16把先行刀的數(shù)目過少，不符合等磨損刀具布置原則。

圖6 各類盾構(gòu)刀具結(jié)構(gòu)形式(單位:mm)

根據(jù)等磨損和刀具切削協(xié)同作用原則，貝型先行刀的間距應(yīng)取為其厚度的6倍。根據(jù)目前先行刀常規(guī)設(shè)計(jì)厚度，對應(yīng)間距可取為300～400 mm，同時根據(jù)國內(nèi)砂卵石地層先行刀設(shè)計(jì)應(yīng)用工程經(jīng)驗(yàn)，先行刀與刮刀高差建議取為40～50 mm。這些建議在南京地鐵10號線和3號線的盾構(gòu)刀盤刀具配置中得到了應(yīng)用。