富水砂卵石地層盾構刀盤刀具配置的研究

程俊瑞

（中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 4 7 1 0 0 0）

富水砂卵石地層盾構刀盤刀具配置的研究

程俊瑞

（中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 4 7 1 0 0 0）

成都的地層屬于富水砂卵石地層，卵石含量達到8 0%以上，盾構掘進時對刀盤刀具的磨損異常嚴重，更換刀具帶來的施工風險極大，刀盤刀盤刀具的磨損問題嚴重制約著地鐵施工的進度。本文根據成都地鐵1號線施工過程中對刀盤刀具的消耗、刀具的磨損型式進行客觀的分析，提出能夠適應成都地層需要的刀盤刀具配置。

富水；砂卵石地層；盾構；刀盤刀具；配置研究

1 成都在地質和水文方面的條件

（1）地質條件。成都地鐵穿越的地層以砂卵石為主，6 5%～7 5%之間卵石的粒徑在3 0～1 0 0 mm之間，大約有1 0%的卵石粒徑在1 0 0～1 3 0 mm之間。該地的地層巖體相對比較松散、沒有膠結、自穩能力相對較差，并且石塊的單個強度較高，顆粒之間有相對較大的空隙，黏聚力并不明顯，地層中卵石塊在很大程度上可以起到強有力的支撐作用。同時，在沒有水的情況下，顆粒之間可以形成點對點之間的傳力，地層具有良好的反應靈敏度，因而極易造成對原來穩定或平衡狀態的破壞，由此造成塌陷現象。

（2）水文條件。成都地層富水，通常情況下枯水期的埋藏深度都在3～5 m，豐水期深度在1～3 m，最小埋深0.2 m。總結成都前期進行基坑施工的相關經驗，在正式挖之前需要做好降水等準備工作，基于基坑壁具有良好的獨立性，卵石在地層中的骨架作用，相應的會使得基坑由于降水而造成的變形可能性相對較小。但是，在富含地下水的地層中，在挖掘的過程中受水壓的作用相對比較明顯，因此會對盾構尤其是開挖面的穩定性造成不小的影響。另外，在砂卵石地層中，盡管整體的圍巖體所具備的強度非常低，但是單個巖石塊具有很高的強度。

2 刀盤刀具在盾構施工過程中的問題

成都地鐵在施工過程中所選用的盾構主要是由海瑞克公司所生產的泥水和土壓平衡盾構機，這兩種機型在刀盤面板的結構和刀具的相關配置方面基本相同，如表1所示。

通過對成都地鐵實例的整理與分析，現將刀盤刀具在盾構施工過程中的具體問題整理如下：第一，刀盤刀具的磨損情況非常嚴重，砂卵石地層中的磨琢性本來就非常大，在加上受包裹性的影響，使得滾刀、齒刃刀具以及刀盤的磨損情況十分嚴重。如圖1。第二，刀具在磨損之后需要不斷的換刀，而換刀作業在一定程度給盾構施工造成非常嚴重的問題，尤其是對于換刀方式、地點的選擇以及在換刀過程中所采取的各種加固性措施等，換刀人員需要時刻保持清醒，保障安全性的顯著提高，因此降低了施工的效率，增加了施工成本。第三，刀盤中心四幅壁的結構過程中渣土流動不暢的問題普遍存在，且在泥量含量相對較大的情況下極易造成泥餅的形成。第四，刀盤在進行攪動作業時，即使是在降水的條件下，砂卵石地層的穩定性都相對較差，拱頂部時常會出現塌落的嚴重現象，這便在一定程度上給刀具的更換工作帶來很大的困難。第五，清倉過程中需要在刀盤的開口處焊接一定的擋板，但是刀盤轉動可使擋板脫落。

表1 泥水盾構與土壓盾構刀具的配置

3 刀盤刀具磨損的主要形式和原因

（1）盾構中心滾刀的主要磨損形式。中心滾刀安裝在刀盤的中心部位，其運動半徑在7 0～1 1 0 0 mm之間，相同材料的刀圈，正常情況下中心滾刀的刀圈磨損量要比單雙刃滾刀刀圈磨損量要小，因為中心滾刀的運動半徑較小，盾構掘進一定的距離時其運動軌跡要比單雙刃刀的運動軌跡短得多，那么刀圈和砂卵石接觸磨損的距離就小得多，故盾構掘進一定里程的情況下中心滾刀的刀圈在正常磨損情況下要比單雙刃刀刀圈磨損量要小。可是，在實際的施工中我們發現中心滾刀刀具的消耗量甚至比單雙刃滾刀的消耗量還要大，中心滾刀的消耗主要集中在偏磨、漏油報廢，通過對中心滾刀的跟蹤檢查發現：中心滾刀的偏磨、漏油主要是因為刀體磨損嚴重導致漏油，漏油后刀具不能正常轉動而引起刀具偏磨。其磨損主要包括刀圈磨損、刀圈斷裂、滾刀刀體變形、浮動密封損壞及漏油以及軸承損壞等。

（2）盾構刮刀、齒刀的磨損形式。在盾構刀盤安裝數量最多的就是刮刀和齒刀，刮刀與齒刀除了切、刮碴土功能以外還有保護刀盤、防止刀盤磨損的作用。目前國內外生產的刮刀齒刀都是在切削面上鑲嵌高強度合金齒、合金拄、合金塊等，現場使用中刮刀、齒刀的磨損形式主要有合金的崩裂與脫落、刮刀兩塊接觸面的磨損以及齒刀邊角的磨損等。

（3）磨損的原因。盾構機的刀盤刀具磨損可以在掘進中通過掘進參數的異常和碴土的溫度判斷出來，通過多次換刀對刀盤刀具的磨損檢查和統計情況，可以判斷刀盤刀具的磨損主要有以下原因：

第一，基于中心滾刀對磨損情況進行分析。2-4和6-8號雙刃滾刀的使用極大地降低了中心區域的開口率，此單位時間內摩擦率與作用面較之前都有了顯著的增加；結泥餅現象的出現造成中心刀具的機動性缺失；在掘進過程中通過將黃泥粉添加到土倉中，使得渣土的黏度顯著增加，渣土本身的流塑性顯著降低，進而造成中心滾刀磨損情況的不斷嚴重。

第二，基于滾刀刀轂對受損情況的分析。在滾刀和刀箱之間經過擠壓進入土倉中的卵石和礫砂，在其相互擠壓額度過程中會與刀轂產生強烈的碰撞作用，極易導致刀轂的損傷，并且還會破壞刀轂的自保功能。

第三，基于結泥餅對磨損情況進行分析。

第四，基于偏磨現象對受損情況進行分析。刀盤最初的設計所采用的滾刀是全斷面的，當滾刀與較硬的卵石接觸時，刀具基于自身較小的開口率和過大的動力矩，極有可能動不了；沒有完全將卵石切碎之前為防止被擠走，需要在刀盤和滾刀的相互作用下進行充分的研磨；富水砂卵石地層不能提供足夠的摩擦力來推動滾刀的轉動，因此當滾刀出現停滯現象時，便極易造成單邊磨損的情況，也就是所謂的偏磨，進而隨著磨損范圍的逐漸擴大，單邊會逐漸形成多邊。

4 刀盤刀具配置優化建議

第一，確定布置刀盤的總體原則。即刀盤中心采用正面齒刀與羊角刀有機結合的方式，以此來促進開口率的顯著增加和中心動態性的改變；邊滾刀以雙刃的為主；刀盤正面主要采用的是滾刀與空軸異型刀；刀盤背板經過一定的耐磨板和網進行加固。第二，在盾構施工過程中滾刀選擇采用3 0 mm的加厚刀圈，刮刀鑲嵌的合金要求大塊、耐磨性好、抗沖擊，提高刀具的磨損性，從而極大的保證盾構能夠達到理想的效果。第三，提高單刃滾刀刀轂的耐磨性能，可在刀具維修時在刀轂上堆焊耐磨網格，提高刀轂的耐磨性。第四，掘進過程中嚴格控制碴土的改良，可通過泡沫和水或膨潤土的適量加注有效的改良碴土的可塑性和流動性。第五，利用先進的硬質合金堆焊技術，在刀盤的外緣設置一定的耐磨合金環，并在其開口部位以及容易磨損的刀座處堆焊一定的耐磨層，還通過在刀盤背面加焊耐磨絲，對保壓參數重新設定，以此來使刀盤刀具的耐磨性、強度以及硬度都較之前顯著增強。

5 結語

綜上所述，本文通過對成都在地質和水文方面條件的科學分析，簡單的介紹了刀盤刀具在盾構施工過程中的問題，并且在此基礎上從盾構中心滾刀的主要磨損形式和盾構刮刀、齒刀的磨損形式以及基于中心滾刀、刀具背板、滾刀刀轂、結泥餅、以及偏磨現象對刀盤刀面磨損的具體情況進行了科學的分析，最后相應的提出了改進刀盤刀具配置設計的重要方法。

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