砂卵石地層盾構(gòu)刀具的適應(yīng)性分析

朱夢(mèng)柳

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430000）

砂卵石地層盾構(gòu)刀具的適應(yīng)性分析

朱夢(mèng)柳

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430000）

結(jié)合砂卵石地層的特點(diǎn)和施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)砂卵石地層下盾構(gòu)施工中盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)及刀具配置方面的優(yōu)化改良進(jìn)行了分析。

砂卵石；盾構(gòu)；刀具；刀盤；結(jié)構(gòu)；配置；優(yōu)化；改良

1 引言

在長(zhǎng)距離的富水卵石地層中掘進(jìn)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤及刀具都是一個(gè)考驗(yàn)，要求刀盤和刀具具有很強(qiáng)的耐磨性，因卵石對(duì)刀具會(huì)造成很強(qiáng)的沖擊，同時(shí)要求刀具具有足夠的抗沖擊性能。對(duì)刀具和刀盤做有針對(duì)性的優(yōu)化處理關(guān)系到整個(gè)隧道施工的順利進(jìn)行。

2 砂卵石地層盾構(gòu)施工特點(diǎn)

成都地鐵盾構(gòu)機(jī)刀盤大多為面板式復(fù)合型刀盤，既安裝了破巖能力強(qiáng)的滾刀，也安裝了刮削軟土的刮刀。

在砂卵石地層盾構(gòu)施工中采用盤形滾刀，其破巖機(jī)理與盤形滾刀在硬巖地層中的傳統(tǒng)破巖機(jī)理有著顯著的不同，刀具的磨蝕情況也有較大的區(qū)別。

砂卵石地層對(duì)傳統(tǒng)的刀具磨損十分嚴(yán)重，刀具消耗量大、換刀頻繁，并存在大量的滾刀偏磨、刀圈斷裂等非正常磨損。由此帶來的頻繁換刀、地層加固等一系列問題，導(dǎo)致施工成本巨大。

2.1 啟動(dòng)扭矩大

在砂卵石地層中掘進(jìn)，由于開挖面松散，不能提供足夠大的反力克服滾刀本身的啟動(dòng)扭矩以及土倉內(nèi)渣土的摩擦阻力力矩和刀箱內(nèi)渣土的阻力力矩，造成滾刀不轉(zhuǎn)，導(dǎo)致偏磨。

2.2 刀體變形

在整體松散的砂卵地層，不但刀圈的磨損，而且刀體的表面也磨損嚴(yán)重，特別是因富含石英的砂粒和堅(jiān)硬的鵝卵石，對(duì)刀圈和刀體都產(chǎn)生巨大的磨蝕。對(duì)于直徑為6.28m的刀盤，邊緣滾刀的線速度約為0.65m/s，而對(duì)于直徑為12m的刀盤，邊緣滾刀的線速度高達(dá)1.25m/s，若撞擊上漂石或大塊的鵝卵石則造成刀體變形，導(dǎo)致滾刀不轉(zhuǎn)，因抗沖擊應(yīng)力不足而形成偏磨。

2.3 刀圈斷裂

傳統(tǒng)的硬巖滾刀刀圈，多采用合金工具鋼，在提高韌性的同時(shí)也容易造成刀圈的脆性增加，在大的卵石和漂石的高速撞擊下，造成刀圈斷裂。

在該地質(zhì)中施工，滾刀受到較多的刮削磨損和沖擊磨損。刀圈受到磨損的同時(shí)，石英含量很高的砂和卵石也會(huì)直接作用于滾刀刀體表面，從而對(duì)刀體也產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。

滾刀在此地質(zhì)中使用，除了正常的磨損外，還存在大量的非正常磨損（特別是邊緣滾刀），其主要形式是滾刀的偏磨、刀圈斷裂、刀體過度磨損等。

3 砂卵石地層提高盾構(gòu)刀具壽命的改良對(duì)策

3.1 刀圈

根據(jù)滾刀在砂卵地層中的破巖機(jī)理與硬巖中的區(qū)別，對(duì)刀圈的截面尺寸和性能指標(biāo)甚至刀具改裝方面應(yīng)作出相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化：

（1）為了提高刀圈的耐磨性和使用壽命，將刀刃寬增加到28mm或更大。

（2）為了提高刀圈的抗磨性，材料成分中適當(dāng)提高合金元素的含量，同時(shí)控制好鍛造工藝和熱處理工藝，以提高其抗沖擊能力。

（3）由于地質(zhì)的特殊性，必須兼顧刀圈的耐磨性及抗沖擊能力。

3.2 刀體

由于刀體在本地質(zhì)中使用，會(huì)受到嚴(yán)重磨蝕和撞擊，故刀體應(yīng)具備較強(qiáng)的耐磨性和抗沖擊能力：

（1）刀體應(yīng)采取加厚和耐磨處理，如表面堆焊耐磨材料。

（2）改善刀體材質(zhì)，提高其抗沖擊能力。

3.3 啟動(dòng)扭矩

適當(dāng)考慮加裝雙刃滾刀，以便提高轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

3.4 刀具改裝

對(duì)于海瑞克盾構(gòu)機(jī)，通常使用的滾刀規(guī)格為17吋（刀圈外徑431.8mm），為了提高其使用壽命，可適當(dāng)增加極限磨損量，對(duì)滾刀的安裝做適當(dāng)?shù)母难b。

4 砂卵石地層盾構(gòu)刀具改良優(yōu)化歷程實(shí)例分析

4.1 案例1

在2007～2009年成都地鐵工程建設(shè)初期，由于對(duì)成都特殊的富水砂卵石地層認(rèn)識(shí)不足，刀盤刀具沒有進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致隧道施工遇到了較大的困難。主要表現(xiàn)為刀具磨損快、刀盤面板結(jié)構(gòu)磨損嚴(yán)重。早期滾刀換刀掘進(jìn)里程不足100環(huán)。

早期的盾構(gòu)刀具：

（1）復(fù)合刀盤，安裝有滾刀和刮刀；

（2）既有單刃滾刀，也有雙刃滾刀；

（3）滾刀為標(biāo)準(zhǔn)滾刀，刃寬19.05mm，刀轂沒有任何加強(qiáng)；

（4）刮刀刃部堆焊耐磨材料，沒有釬焊硬質(zhì)合金塊；

經(jīng)過一段時(shí)間施工，暴露諸多問題，如圖1所示。

（1）滾刀磨損快，刀圈磨薄磨尖；

（2）滾刀刀轂?zāi)ケ∽冃危?/p>

（3）偏磨、漏油、軸承損毀等非正常失效。

圖1 刀具偏磨情況

結(jié)合砂卵石地層的特點(diǎn)，我們分析了刀具磨損原因，由于卵石含量在70%左右，卵石含量高，加之卵石土工作面上各向異性導(dǎo)致滾刀受力不均，導(dǎo)致早期型號(hào)的刀具出現(xiàn)磨尖、磨薄，甚至崩裂，刀轂也受損嚴(yán)重。

在這段施工時(shí)期，針對(duì)暴露的明顯問題，刀具廠商及施工單位方面做了一些有針對(duì)性的改進(jìn)優(yōu)化措施：

（1）部分使用羊角刀代替中心滾刀，緩解結(jié)泥餅現(xiàn)象，只是在中心羊角刀刀刃與刀體之間加焊了一根耐磨塊，防止被磨掉；

（2）刀圈刀刃厚度從20mm提高為28～30mm不斷加厚，增加耐磨性；

（3）刀轂表面打耐磨焊；

經(jīng)過一系列改進(jìn)，在施工方面取得了一定的效果，基本上刀具能達(dá)到300～400m的壽命。

4.2 案例2

在2010～2014年成都地鐵4號(hào)線施工期間，主要刀具種類為中心羊角刀、中心雙聯(lián)滾刀、盤型滾刀、小刮刀與邊緣刮刀、泡沫保護(hù)刀、導(dǎo)流刀、保徑刀。2號(hào)線施工經(jīng)驗(yàn)分析掘進(jìn)距離極限為380m。此段時(shí)期，除保證基本的施工外，在施工過程中，又陸續(xù)暴露出一些問題：

（1）刀盤中心磨損嚴(yán)重；

（2）刀具配置基本滿足盾構(gòu)施工，尚需優(yōu)化；

（3）刀具U型塊高度高于其周邊面板高度，導(dǎo)致U型塊被磨損，刀具得不到有效保護(hù)，出現(xiàn)刀具端蓋、刀軸磨損；

（4）刀盤中心無開口，易導(dǎo)致中心結(jié)泥餅，推力增大；

（5）刀具配置有待優(yōu)化。

針對(duì)以上問題，在此段施工時(shí)期，陸續(xù)做了如下改進(jìn)：

在刮刀方面：除了將原來的小刮刀改為大刮刀，在合金含量上也做了提高，目前使用的刮刀合金含量在7.1kg左右，掘進(jìn)里程至少可達(dá)1km。

在刀盤結(jié)構(gòu)方面：刀盤周邊焊接一定數(shù)量保護(hù)刀，刀盤面板加焊耐磨層及耐磨網(wǎng)格，有效保護(hù)刀盤結(jié)構(gòu)不受磨損。

在滾刀方面：采用滾刀前突安裝。

對(duì)于海瑞克盾構(gòu)機(jī)，對(duì)U形塊尺寸進(jìn)行改造，可根據(jù)實(shí)際情況確定前突安裝量。以前突安裝10mm為例，則極限磨損量為：正面滾刀由原來的25mm增加至35mm，提高使用壽命40%，邊緣滾刀由原來的15mm增加至25mm，提高使用壽命67%，并且刀具的成本基本沒有改變。只是增加了刀圈增大的成本，由原來的17吋變?yōu)?7.6吋，如圖2～4所示。

圖2 修改前

圖3 修改后

圖4 對(duì)比

按此改裝可能會(huì)導(dǎo)致一些問題是后期需要考慮進(jìn)一步優(yōu)化的：

①隧道開挖直徑增大了20mm，導(dǎo)致出渣量和注漿量相應(yīng)增加，這點(diǎn)在掘進(jìn)施工中必須加以注意和重視。

②U形塊向前突出10mm，前突外露部分會(huì)加快磨損，應(yīng)做相應(yīng)的耐磨處理（表面堆焊耐磨層）或加焊耐磨。

經(jīng)過以上改進(jìn)后，掘進(jìn)效果明顯提升，滾刀換刀掘進(jìn)里程可達(dá)600～800m，如圖5所示。

圖5 4號(hào)線5標(biāo)中～長(zhǎng)區(qū)間（掘進(jìn)750m）

在2015～2016年施工期間，針對(duì)渣土改良效果不佳、中心部位結(jié)泥餅以及開倉換刀方面時(shí)間長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)大等問題，在成都地鐵10號(hào)線施工期間，我們對(duì)盾構(gòu)機(jī)又提出一些新的改進(jìn)思路：

刀具配置：取消1#-4#中心雙聯(lián)滾刀，不再安裝其它刀具，增加刀盤中心區(qū)域結(jié)構(gòu)開口率，緩解中心結(jié)泥餅現(xiàn)象。在原刀箱周邊面板焊接一定數(shù)量的保護(hù)塊，防止刀箱結(jié)構(gòu)磨損；

泡沫系統(tǒng)：連接橋處增加泵，形成單管單泵，減少堵管現(xiàn)象，增大改良劑注入能力；

刀盤：刀盤前方增加兩個(gè)膨潤(rùn)土管路；或?qū)筛菽芨臑榕驖?rùn)土管，改善渣土改良效果；

5#臺(tái)車后面增加小平臺(tái)，供二次注漿使用，方便快捷提高二次補(bǔ)注漿效率；

開倉換刀方面，封開口目前采用木模板加鋼筋焊接方式，可按照開口情況定做一套模板，采用螺栓連接方式與刀盤背面鏈接，減少開倉不必要的時(shí)間，提高換刀效率。

5 結(jié)束語

經(jīng)過成都近幾年盾構(gòu)施工，通過不斷總結(jié)、不斷改進(jìn)，力爭(zhēng)使設(shè)備更好的適應(yīng)地層，從而達(dá)到更好更高效的施工效果。對(duì)于刀具的配置選用，陸續(xù)經(jīng)歷了幾次的嘗試和優(yōu)化，使換刀掘進(jìn)里程由最初的160m達(dá)到800m，大大的提高了施工效率，節(jié)約了施工成本，當(dāng)然這其中包含了對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的不斷總結(jié)提高。

[1]王樹華.成都砂卵石地層盾構(gòu)機(jī)耐磨性及刀具適用性研究.隧道建設(shè)，2012，2.

[2]王振飛，張成平，張頂立，孫毅.富水砂卵石地層大直徑盾構(gòu)刀具的磨損與適應(yīng)性.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013.

[3]劉志宇.成都砂卵石地層盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具在掘進(jìn)中的改進(jìn).建筑知識(shí).

[4]徐鵬程，張濤，鄭瑞兵.無水砂卵石地層盾構(gòu)刀具磨損狀態(tài)和規(guī)律的技術(shù)研究.

[5]土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在富水砂卵石地層掘進(jìn)的刀具配置.

說明：上述參考文獻(xiàn)只是舉例用的，就沒有在正文中相應(yīng)文字上順序標(biāo)注參考文獻(xiàn)的序號(hào)。

U455.3

A

1004-7344（2016）21-0237-02

2016-7-9

朱夢(mèng)柳（1984-），男，助理工程師，項(xiàng)目副經(jīng)理，主要負(fù)責(zé)設(shè)備改良技術(shù)研究、設(shè)備的使用與養(yǎng)護(hù)、臨時(shí)用電的布設(shè)與應(yīng)用、業(yè)務(wù)、管理等工作。