泥水盾構刀具失效分析及應對措施

董伯讓

（中國鐵建蘭州軌道交通工程指揮部，甘肅　蘭州730000）

泥水盾構刀具失效分析及應對措施

董伯讓

（中國鐵建蘭州軌道交通工程指揮部，甘肅蘭州730000）

盾構施工過程中刀具失效較為常見，本文以穿黃隧道泥水盾構施工為研究案例，對泥水盾構在卵礫石地層掘進過程中，各類刀具的失效情況進行歸納總結，結果表明：滾刀失效形式主要以磨損為主，主要有均勻磨損、弦磨和刃偏磨三種形式；刮刀主要有磨損、刀刃崩斷、刀刃脫落三種失效形式。針對泥水盾構刀具失效情況，從刀具選型、刀具結構改進和盾構施工參數等方面提出了增加刀具可靠性的處理措施，泥水盾構刀具的失效情況得到顯著改善，為后續施工及類似工程提供一定的參考價值。

泥水盾構；卵石地層；刀具失效；應對措施

1　概述

隨著我國地下空間工程的高速發展，盾構機施工由于其諸多優點已被廣泛應用于地下空間地開挖［1-2］。盾構掘進主要通過其刀盤推進及旋轉，帶動刀盤上的各類刀具對巖土進行切割［3-6］。泥水盾構可以通過泥水壓力作用，穩定掌子面，更有利于盾構推進掘進且能有效防止地表沉降。但由于其高水壓作用，導致換刀困難，往往延誤施工工期，造成巨大的經濟損失［7，8］。為此，本文以蘭州地鐵穿黃隧道施工工程為對象，首先分析該泥水盾構刀具失效規律，然后針對刀具失效情況提出相應措施，以便降低刀具失效數量，提高刀具使用壽命，節約工期。

2　工程概況

2.1工程概述

本項目施工區段范圍為：奧體中心站至中間風井區，區間左線長984.791m，右線長982.250m，采用復合式泥水盾構施工。線路起始于奧體中心站的東端，區間沿深安路下穿黃河，下穿黃河段長度約為317m。線路采用雙線同側繞避深安大橋，由大橋上游下穿河底通過。

2.2工程地質

始發段隧道穿越地層主要為全斷面卵石層。隧頂覆土厚度為12.6m，覆土厚度由上至下依次為：雜填土層，厚度1m；卵石層，厚度10m；卵石層，厚度1.6m。

其中卵石層描述如下：灰黃色、青灰色，飽和，局部夾有薄層或透鏡狀砂層，廣泛分布于河漫灘及安寧區二級階地下部。通過查閱顆粒分布資料和現場勘探的方式，得出該層粒徑大于200mm的漂石、卵石的平均含量占64.53%，一般粒徑為20～60mm。漂石含量較少，最大粒徑為500mm，粒徑2～20mm的圓礫平均含量占14.82%，中粗砂充填。卵石、圓礫母巖的主要成份為砂巖、花崗巖、石英巖、硅質巖、鈣質泥巖和燧石等，具有級配不良、磨圓度較好、分選性較差等特點。

2.3水文情況

擬建場地地下水主要賦存于卵石層中，屬孔隙性潛水。水位埋深10.9～12.7m，相應地下水位高程為1519.50～1521.72m，水位具有由西北往東南方向緩慢降低的趨勢。奧體中心站至中間風井區間位于黃河Ⅱ級階地，地下水豐富、含水層厚、滲透系數大，區間隧道開挖可能產生較大涌水現象，對工程施工影響較大。

3　刀具失效狀況及原因分析

3.1泥水盾構刀具配置形式

本設備采用復合式刀盤，支撐方式為中心支撐。刀盤上安裝有滾刀、刮刀等對隧道進行全斷面開挖，開挖直徑為6480mm，可實現正反雙向旋轉開挖。刀盤上配置有滾刀、中心刮刀和邊緣刮刀等刀具，主要配置如下：中心滾刀共8把；正面滾刀共23把；邊緣滾刀共10把（其中偏心滾刀4把）；寬刮刀共36把；邊緣刮刀共8對（左右各4對）。滾刀為龐萬力刀具。目前該盾構機共計掘進378環，累計掘進距離為453.6m。

3.2滾刀失效分析

對工程中的正面滾刀和邊緣滾刀失效情況進行統計發現，本工程項目中的滾刀失效形式主要以磨損為主，進一步對磨損失效形式進行統計歸類，得到了三種主要的滾刀磨損失效形式：均勻磨損、弦磨和刃偏磨，如圖1所示。

圖1　滾刀磨損分類

3.2.1滾刀均勻磨損

滾刀均勻磨損是指滾刀刀圈周邊各部位的磨耗程度基本一致，如圖1（a）所示，滾刀刀圈周邊磨損均勻，該類磨損為理想磨損情況，滾刀在切削過程中能夠正常被動轉動，這種磨損主要發生在正面滾刀上。

3.2.2滾刀弦磨

滾刀弦磨是指滾刀在切削破巖時，滾刀自身不能發生被動轉動，使得滾刀與巖層的接觸位置始終不發生改變，最終導致滾刀偏磨，如圖1（b）所示。當滾刀裝配扭矩過大，就會導致滾刀發生被動轉動更加困難。另外，滾刀要發生被動轉動對巖層的力學強度有一定要求。本工程中開挖地層主要為砂卵石地層，巖層力學強度相對較弱，導致部分滾刀不能正常被動轉動從而引起弦磨。當裝配扭矩過小時，滾刀軸承密封質量難以保證，易導致滾刀軸承密封損壞，此時地層中的細小砂礫或者泥漿等在高水壓環境下容易進入軸承，導致刀具無法轉動或被徹底卡死而引起偏磨。

3.2.3滾刀刀刃偏磨

滾刀刀刃偏磨是指刀刃兩側不均勻磨損，與刀圈法線方向成不同角度，刀尖緣呈不規則曲線。這種磨損主要由刀刃兩側受力和磨損距離不同引起的，邊緣滾刀主要發生該種磨損失效形式，具體見圖1（c）所示。

3.3刮刀失效分析

對該工程中的刮刀失效形式進行分析和總結，得出其三種主要的失效形式為：磨損、刀刃崩斷和刀刃脫落，如圖2所示。

圖2　刮刀失效形式

3.3.1刮刀磨損

刮刀磨損主要有兩個部分：首先是刮刀刀刃直接與卵石以及土體作用引起磨損，從磨損的形態來看，表現為切刀刀刃變鈍，這樣會導致刮刀受力顯著增加，刀盤扭矩增加；另一部分為碴土流動對刮刀刀體的磨損，導致碴土對刀具的二次磨損，具體磨損形式如圖2（a）所示。

3.3.2刮刀刀刃崩斷

刮刀刀刃崩斷是指刀刃部分合金體在強沖擊作用下脫離合金母體的一種現象。刮刀切削卵石地層時，若遇到巖石中堅硬的孤石，在沖擊載荷作用下，刀刃處于高壓應力狀態；在刮刀刀刃與孤石接觸不良處承受較高的剪切力，處于拉應力狀態；當拉應力超過合金的強度極限時，即產生裂紋從而引起刀刃的崩斷，如圖2（b）所示。另外，合金材料本身組織結構不均勻，容易存在各種缺陷，也會發生刀刃崩斷現象。

3.3.3刮刀刀刃脫落

刮刀刀刃脫落是指刮刀刀刃合金體在切削過程中完全脫離刮刀母體的一種現象。發生刀刃脫離現象主要是因為焊接工藝沒達到相應技術要求，如焊接時產生的熱應力過大，會在合金與刀體之間產生裂紋，當切割卵石地層時，受到強沖擊載荷下合金極易脫離刮刀刀體，發生刮刀刀刃脫落現象，如圖2（c）所示。

4　應對措施

4.1滾刀改進措施

通過對本工程刀具失效的情況進行分析，對滾刀和刮刀提出以下改進措施。

1）某品牌原裝刀具耐磨性不足，對刀具結構和制造工藝提出改進，并且對中心滾刀刀圈進行加厚處理，增加其耐磨層，提高正常磨損壽命。

2）將邊緣滾刀全部改為雙刃滾刀，減小每個刀刃的受力，增強整體的耐磨性。

3）卵石地層對滾刀沖擊大，選用抗沖擊力更好的滾刀軸承，避免軸承受強沖擊載荷后發生變形導致卡刀。

4）隧道水位較高，泥水倉壓力較大，選用耐水壓高的密封，保證滾刀內不會進泥沙等雜質，避免滾刀卡死。

5）中心滾刀啟動扭矩調整到22～24N·m，其他滾刀扭矩不調整。

4.2刮刀保護措施

1）對硬質合金刃口進行倒圓處理、焊接結構及方式的嚴格控制，焊接后進行噴丸鈍化等處理方法，最大程度防止刀刃缺損、剝離的現象出現，提高其抗沖擊能力。

2）根據地層變化調整刀具后角，提高刮刀的耐磨性能及抗沖擊能力。

3）在刮刀基體上采用耐磨性能優良的進口耐磨焊條，堆3～4mm的耐磨層，提升其耐磨能力。

4）當遭遇力學參數強的地層時，適當減小貫入度和刀盤轉速，減小刮刀載荷，避免刀刃崩斷和刀刃脫落等現象發生。

4.3改進前后刀具對比分析

通過采用上述改進措施后，泥水盾構上刀具的失效情況得到顯著改善，如圖3和圖4所示。當掘進相同環數時，滾刀磨損情況得到顯著改善，滾刀刀圈磨損由多邊磨損轉變為均勻磨損；偏磨情況得到改善；刮刀失效情況也得到明顯改善。刮刀改進前，刀刃崩刃現象嚴重，刀體疲勞失效嚴重；刮刀改進后，刮刀刀體保存較為完好，刀刃以正常磨損為主。

圖3　滾刀改進前后對比

圖4　刮刀改進前后對比

5　結論

本文以蘭州穿黃隧道泥水盾構施工為研究案例，對泥水盾構在卵礫石地層掘進過程中，各類刀具的失效情況進行歸納總結，并提出了相應的處理措施：

1）滾刀失效形式主要以磨損為主，除均勻磨損外，由于砂卵石地層的巖層力學強度相對較弱，導致部分滾刀不能正常被動轉動從而引起弦磨，同時，由于邊緣滾刀刀刃兩側受力和磨損距離不同，還會出現刃偏磨。

2）刮刀失效形式除磨損之外，還有刀刃崩斷和刀刃脫落，這是由于盾構在卵石地層掘進過程中，脫落的卵石易對刮刀造成強沖擊載荷造成的。

3）通過施工對比可知，加厚中心滾刀刀圈、選用雙刃滾刀作為邊緣滾刀和選用抗沖擊滾刀軸承等方式，能夠有效改善滾刀的可靠性；對刃口進行倒圓處理，調整刀具后角以及在刮刀基體上增加耐磨焊等方式能夠有效改善刮刀的可靠性。

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TU94