重慶地區泥巖條件下TBM滾刀偏磨研究

(重慶交通大學 土木建筑學院， 重慶 400074）

0 前言

重慶地區地鐵建設近年來多處采取全斷面硬巖掘進機( TBM )進行施工，相對于傳統鉆爆法，TBM具有更加快速、安全、對周圍環境影響較小等優勢。TBM通過刀盤旋轉和推進油缸頂推作用，帶動刀具對巖土進行切削和擠壓，破碎巖土，完成掘進過程。

本文依托于重慶地鐵環線鳳鳴山—上橋區間隧道TBM項目，擬建區內地層主要有第四系全新統人工填土層和侏羅系中統沙溪廟組泥巖、砂巖組成。在TBM掘進過程中滾刀非正常磨損嚴重，且較大部分表現為偏磨，施工中頻繁換刀，嚴重影響了施工成本和進度。刀具的是否完好關系到整個隧道掘進效率，刀具非正常磨損一直是TBM掘進施工過程中的難點之一。

由于本項目地質主要為泥巖、砂巖組成，在掘進過程中刀盤內極易出現結泥餅，導致滾刀被泥餅糊住，出現偏磨。本文對該TBM區間滾刀的偏磨情況進行調查分析，深入研究了滾刀偏磨的主要原因，并總結提出減少刀具偏磨損壞的措施，為刀具磨損提供解決依據與對策。

1 TBM破巖機理

TBM在掘進過程中，由于推進油缸的頂推作用，使滾刀緊貼掌子面，當刀盤旋轉時帶動滾刀，掌子面巖石被碾出許多同心圓，當巖石受力超過極限時，同心圓間巖石裂縫貫通，巖片被剝落，最后由皮帶機運出，從而達到破巖掘進的過程。其破巖過程主要分為：擠壓階段、起裂階段、破碎階段。

2 刀具損壞形式

對于全斷面硬巖掘進機( TBM )刀具的磨損形式有正常磨損和非正常磨損。正常磨損是指TBM在掘進過程中，刀具由于磨損到所規定的尺寸而被更換。非正常磨損是指TBM在掘進過程中，刀具由于非正常的損壞，如：刀圈偏磨、刀圈斷裂、刀圈卷刃、軸承密封損壞等其他原因被更換掉。

2.1 正常磨損

正常磨損是指滾刀刀圈磨損均勻，滾刀刀圈的圓周部位的磨損程度大概是均勻一致的，這種磨損形式為在TBM掘進過程中比較常見。對于正常磨損的滾刀，經過更換刀圈修理后，可以從新安裝使用。

2.2 非正常磨損

（1）刀圈偏磨。在 TBM掘進過程中常出現，往往滾刀刀圈被磨損成一條或幾條弦。

（2）刀圈斷裂。由于掘進參數設置不對，使滾刀刀圈因為局部受力過載，從而使刀圈應力集中，發生斷裂。

（3）刀圈卷刃。對于堅硬的圍巖段，由于巖石的抗壓強度較大，從而引起刀圈出現卷刃現象。

（4）刀圈崩刃。在巖石較硬的情況下容易出現刀圈崩刃，因為刀圈和掌子面圍巖之間產生較大的接觸力，從而使得刀圈出現崩刃現象。

（5）軸承密封損壞。在掘進過程中，滾刀軸承由于局部受到較大的力，從而損壞；或者軸承運行時間超過設計的使用壽命，從而引起疲勞損壞；滾刀刀具的密封產生損壞，使得鐵屑或渣石進入滾刀刀具的內部，從而引起軸承過度的磨損產生損壞。

3 滾刀偏磨的主要原因

刀圈偏磨主要表現為滾刀刀圈周邊各部位的磨耗程度不一致，故又稱為不均勻磨損。在掘進過程中，盾構操作手沒有控制好掘進的各種參數，且由于重慶地區富含泥巖，當泥巖經擠壓破碎變為碎屑和粉末狀，同時遇到適量的水后極易結成泥餅，造成滾刀被泥土包裹不能轉動，使刀圈呈現單邊受力磨損的狀態，從而使滾刀產生偏磨。

3.1 施工操作原因

（1）循環水壓力不足，刀盤冷卻水的噴射出口被刀盤內渣土堵塞，導致渣土得不到改良，流塑性變差，從而易結泥餅，糊住滾刀，導致滾刀出現偏磨。

（2）外循環水溫度過高，易引起渣土的快速干結，且由于刀盤在與巖體摩擦使刀盤內溫度升高， 加速了渣土干結，導致刀盤結泥餅，使滾刀偏磨。

（3）在施工中未進行渣土改良或改良不好，導致渣土流塑性較差，導致結泥餅。

（4）未定時開倉清理刀盤堆積泥餅。

3.2 地質原因

由于該區間隧道所屬地層主要為砂質泥巖和部分砂巖，為沉積巖層，巖層富含黏土礦物顆粒，經過TBM掘進機刀具和刀盤的擠壓破碎，導致泥巖變為碎屑和粉末狀，當遇到適量的水后極易結成泥餅，導致滾刀偏磨。

3.3 滾刀軸承和密封原因

當滾刀出現軸承損壞、軸承進泥沙、軸承不轉、滾柱破碎、軸承圈損壞、密封橡膠圈變形或失去彈性、密封環變形、潤滑油失效等，極易導致滾刀停止轉動，出現偏磨。

4 防止滾刀偏磨的措施

4.1 泥巖渣土改良

對于重慶地區砂質泥巖地層，由于掘進開挖出來的渣土中黏性礦物含量較高，刀盤內極易結泥餅，對于該地層進行特別的渣土改良，以降低土體間的黏聚力、減少刀盤中開挖土體壓實結密的可能性、減少掘削土體與刀盤的黏著力，提高渣土的軟流塑狀。

4.2 選擇合理的掘進參數

掘進時合理的掘進參數能較大限度的提高刀具的使用壽命，TBM 滾刀都有其特定的荷載承受力和啟動扭矩，超過其荷載承受力會對刀具造成沖擊損傷，造成其失效。在硬巖進行掘進時，需采用高轉速、低貫入度，避免因推力過大將刀具損傷。對掘進參數和刀具磨損情況進行監控、對比分析、總結，得出合適的掘進參數。

4.3 控制循環水溫度

控制循環水溫度不要太高，如在循環水箱加冰，增加循環水冷卻塔等，保證刀盤冷卻水在合適溫度。

4.4 保持刀盤冷卻水噴口通暢

控制循環水壓力，避免出現刀盤冷卻水噴出口沒有堵塞，在掘進時開啟刀盤冷卻水，增加渣土流塑性，使開挖渣土能及時運出。

4.5 定時清理刀盤

對于在掘進過程中刀盤結泥餅較嚴重區間段，建議在拼裝管片的時間段退出皮帶機，工人對刀盤內泥餅進行清理，如用高壓水槍沖洗或用鍬清除，并檢查滾刀是否被泥餅糊死。

4.6 定期檢查刀具磨損情況

除了在掘進過程中對刀盤的清理，應組織人員定期對刀具進行檢查及更換，加強對刀具的監控跟蹤。

在掘進過程中可以隨時觀察渣樣及渣溫，并進行記錄總結，判斷刀具的磨損狀況，如發現異常應及時停機檢查。

4.7 建立刀具管理臺賬

對刀具的使用狀態進行記錄，及時掌握、了解刀具使用狀態，總結刀具磨損規律，最大限度的減少刀具使用成本，也為類似工程提供經驗。

5 結語

本文介紹了巖石隧道掘進機破巖原理，并對TBM刀具的損壞形式進行了研究。由于重慶地區在全斷面硬巖掘進機掘進過程中，開挖后泥巖容易在刀盤內形成泥餅，最終極易導致滾刀出現偏磨現象。故本文結合施工現場情況系統性的分析了滾刀偏磨原因，并提出防止刀具出現偏磨的具體措施，建議在掘進過程中定期對刀盤和刀具進行檢查和清理，在施工中應重視刀具管理，這樣可以有效降低刀具的非正常磨損，增加刀具的壽命，節約成本。

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