地鐵富水漂卵石地層盾構(gòu)滾刀適應(yīng)性研究

薛俊峰

(中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司，重慶 400065)

成都平原廣泛分布的第四系全新統(tǒng)沖洪積地層多具有二元結(jié)構(gòu)，其下蘊(yùn)藏的卵石土是制約地下工程施工的主要因素之一。特別是位于郫縣、溫江附近的地帶，砂卵石層中卵(漂)石粒徑普遍較大，加之地下水運(yùn)移匯聚、薄砂透鏡體隨機(jī)分布造成流砂超方等情況時(shí)有發(fā)生，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)造成了極大威脅[1]。

在此類地層中進(jìn)行盾構(gòu)隧道作業(yè)最顯著的次生危害為刀具磨損，其中邊滾刀相比中心部位磨損更為嚴(yán)重。常規(guī)的解決方案是通過(guò)注入大量的渣土改良劑進(jìn)行潤(rùn)滑間接減小刀具磨耗或者在固定的掘進(jìn)里程后進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)檢查發(fā)現(xiàn)磨損后立即換刀，但此類措施的弊端顯而易見(jiàn)[2]。

在這一背景下，研究滾刀的破巖機(jī)理，分析滾刀在該類地層下的運(yùn)作規(guī)律，改變刀具本身的結(jié)構(gòu)及材料的組成，提高其適應(yīng)性，減小磨損成本，成為新的發(fā)展方向。合理的盾構(gòu)刀具選型、刀具布置，合理的啟動(dòng)推力和扭矩配置，不僅能保證良好的斷面切削效果，還能有效減小刀具不均勻磨損的程度[3]。

1 工程概況

成都地鐵6號(hào)線尚錦路站至紅高路站盾構(gòu)區(qū)間位于郫都區(qū)，該區(qū)間出尚錦路站后沿西區(qū)大道下方敷設(shè)，區(qū)間沿道路走向，呈西北往東南方向，穿越紅光支渠，在西區(qū)大道與紅高路交匯口以直線進(jìn)入紅高路站。線路周邊建筑物較密集，主要為居民住宅、商鋪為主，人口居住較為密集，上方道路交通繁忙。

該擬建工程右線隧道全長(zhǎng)1 281.381 m，左線隧道全長(zhǎng)為1 283.541 m，中心線間距為13.00～15.20 m。中間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，采用礦山法施工。底板埋深16.00～24.50 m，隧道頂板埋深10.00～18.50 m。

地質(zhì)鉆孔揭示地質(zhì)狀況如圖1顯示。

圖1 工程地質(zhì)縱斷面

區(qū)域地貌單元為岷江一級(jí)階地，具有豐富的地表徑流。區(qū)間地下水類型主要有兩種：一是存于黏性土層之上填土層中的上層滯水，二是第四系砂卵石層的孔隙潛水。漂卵石層較厚從上至下卵石密度逐漸增加，隧道斷面水位較高，并形成貫通的自由水通道，易結(jié)成漏斗，匯集于掌子面，影響盾構(gòu)作業(yè)。

施工前期對(duì)盾構(gòu)區(qū)間拱頂以下2 m進(jìn)行篩分試驗(yàn)。依據(jù)直徑統(tǒng)計(jì)分布[4]，報(bào)告顯示：卵石粒徑100～200 mm達(dá)26.55%～29.43%，粒徑200～300 mm達(dá)28.09%～30.42%，粒徑大于300 mm卵石含量達(dá)32.6%～36.1%，卵石最大粒徑達(dá)600 mm。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探及調(diào)查結(jié)果綜合分析，全線均分布有漂石，漂石主要分布在稍密～密實(shí)卵石層，埋深主要為地面10 m以下，粒徑超過(guò)30 cm的大粒徑漂石主要分布于埋深13 m以下?，F(xiàn)場(chǎng)情況如圖2、圖3所示。

圖2 點(diǎn)位基坑側(cè)壁 圖3 地層中大漂石

2 刀盤(pán)配置改造

2.1 盾構(gòu)機(jī)配置

區(qū)間采用兩臺(tái)鐵建重工生產(chǎn)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)。刀盤(pán)整體結(jié)構(gòu)采用面板加輻條的形式，有效開(kāi)挖直徑為6 280 mm。刀盤(pán)開(kāi)口率為38%，增加了大粒徑漂卵石的通過(guò)率。面板上布置有6個(gè)泡沫(膨潤(rùn)土)噴嘴，適應(yīng)該地層渣土改良需求。為增加盾構(gòu)機(jī)對(duì)于富水漂卵石地層的容錯(cuò)性，在刀盤(pán)迎土面焊接耐磨鋼板及耐磨焊網(wǎng)格，在所有滾刀刀箱周?chē)颓械兜蹲澈蠛附幽湍ヤ摪?，并設(shè)置兩個(gè)磨損檢測(cè)點(diǎn)，有效保護(hù)了刀箱和刀座。

2.2 刀盤(pán)配置改造

刀具配置上針對(duì)區(qū)間地層富水，卵石粒徑大、含量高、強(qiáng)度大，且易導(dǎo)致刀盤(pán)卡頓掘進(jìn)困難，停機(jī)重啟后砂土流失匯水于掌子面等特點(diǎn)，對(duì)刀盤(pán)的強(qiáng)度等級(jí)、刀具布置進(jìn)行了調(diào)整[5]。正面為21把17吋單刃滾刀，貝殼刀12把，導(dǎo)流刀6把，寬切刀36把。將周邊11把單刃滾刀改為18吋刀圈的雙刃滾刀，有效的減少了中心刀的磨損和解決卵石粒徑大的破除[6]。具體布置見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 刀盤(pán)整體成型圖 圖5 邊緣滾刀布置

3 滾刀適應(yīng)性分析

3.1 富水漂卵石地層滾刀破巖機(jī)理分析

國(guó)內(nèi)國(guó)外專家針對(duì)盤(pán)形滾刀與巖質(zhì)體相互作用關(guān)系已發(fā)表大量研究成果，并通過(guò)理論、試驗(yàn)、建模等各方面進(jìn)行了深入探討。滾刀破巖機(jī)理研究具有代表性的成果主要有接觸理論、彈性解理論、滑移線場(chǎng)理論、拉伸破巖理論等。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐方面，近階段滾刀傳統(tǒng)破巖的討論主要集中于全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)TBM對(duì)硬巖的破碎，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中破巖機(jī)理的相關(guān)討論相對(duì)較少。

傳統(tǒng)破巖具體切割過(guò)程如圖6所示，安裝在刀盤(pán)上的滾刀隨刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，在掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)力的作用下，對(duì)巖石造成擠壓、剪切或拉張，并侵入巖石內(nèi)部。微觀狀態(tài)下，裂紋由接觸面中心點(diǎn)在此作用的基礎(chǔ)上向兩側(cè)發(fā)展，并在端頭端尾首先衍生至巖石表面，與相鄰滾刀形成切割槽逐漸連接，產(chǎn)生破碎巖塊并掉落。影響此類較穩(wěn)定硬巖地層破巖效率的兩大因素主要為向滾刀施加的垂直推力及促使?jié)L刀在巖層中轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩[7]。

圖6 傳統(tǒng)滾刀破巖處理

滾刀破巖模型方面近階段主要基于csm破巖模型、東北大學(xué)破巖模型等。上述破巖理論大多將刀具橫剖面假定為V字型剖面，接觸切割巖體的過(guò)程處理為靜壓力切割并建立相應(yīng)的模型。

而此次施工中遭遇的成都地區(qū)富水漂卵石層與前述傳統(tǒng)硬巖層差別極大，相比破巖處理過(guò)程可能更為復(fù)雜。如圖7所示，盾構(gòu)機(jī)在該地層中掘進(jìn)時(shí)，由于作業(yè)面粒徑分布不均的卵(漂)石間夾雜有大量中細(xì)沙作為填充介質(zhì)，而介質(zhì)中又存在孔隙或地下水運(yùn)移現(xiàn)象，導(dǎo)致滾刀在進(jìn)行切割時(shí)一定程度上受影響，不會(huì)完全造成卵(漂)石的破碎。甚至部分卵石發(fā)生隨機(jī)動(dòng)態(tài)偏移，則將前述傳統(tǒng)破巖機(jī)理運(yùn)用到實(shí)際施工中成效較低。

圖7 富水漂卵石地層滾刀破巖處理

3.2 滾刀適應(yīng)性分析

如圖7所示，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，滾刀由于長(zhǎng)期受到卵(漂)石接觸面反力的沖擊荷載及該地層的摩擦阻力，極易造成不同軌跡且不均勻的偏磨，需要在施工階段進(jìn)行檢查及即時(shí)換刀，以免影響施工節(jié)奏，造成換刀頻率較高。

根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間第一次開(kāi)倉(cāng)換刀結(jié)果證實(shí)了上述推測(cè)，發(fā)現(xiàn)在施工中采取參數(shù)控制、施加強(qiáng)效渣土改良劑等辦法進(jìn)行調(diào)節(jié)后，滾刀磨耗量依然較大。除正常磨損外，多數(shù)刀具存在偏磨、弦磨、斷刃和刀圈脫落等異?，F(xiàn)象，周邊滾刀報(bào)廢居多。

如圖8、圖9所示，編號(hào)為S31的雙刃滾刀發(fā)生偏磨(磨損量在45 mm左右)，編號(hào)為S32、S34、S34、S35、S36、S39B等的單刃滾刀發(fā)生嚴(yán)重偏磨并報(bào)廢。其中左線推進(jìn)至855環(huán)里程總計(jì)更換刀具92把；右線推進(jìn)至855環(huán)里程總計(jì)更換刀具95把。左線報(bào)廢總計(jì)25把，中心刀4把(各2把)；右線總計(jì)報(bào)廢刀具23把。

圖8 編號(hào)S31雙刃滾刀

圖9 部分單刃滾刀

針對(duì)常規(guī)復(fù)合盾構(gòu)，如果掘進(jìn)中大量滾刀作為主體破巖刀具，為了防止?jié)L刀偏磨或過(guò)載，貫入度應(yīng)控制在臨界范圍內(nèi)，同時(shí)由于刀盤(pán)扭矩取決于負(fù)載，在驅(qū)動(dòng)功率設(shè)計(jì)一定的情況下，過(guò)大的啟動(dòng)扭矩將直接影響到刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的范圍及自轉(zhuǎn)反力。但富水漂卵石地層具有較大的相對(duì)松散性，掘進(jìn)中掌子面易于坍塌的特性，以此類推造成了多種相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)研究工作仍十分困難，規(guī)律性較低。

同時(shí)，在成都地區(qū)砂卵石地層中, 滾刀的啟動(dòng)扭矩是決定滾刀能否正常工作的關(guān)鍵因素之一[8]。現(xiàn)階段若不改變盾構(gòu)機(jī)本身的參數(shù)配置，通過(guò)進(jìn)行對(duì)比研究來(lái)控制確定適宜的啟動(dòng)扭矩，從而減緩滾刀偏磨，仍是比較科學(xué)的手段之一。

在開(kāi)倉(cāng)換刀階段通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，多因素疊加亦會(huì)導(dǎo)致滾刀嚴(yán)重偏磨的情況發(fā)生。其中，常規(guī)密封不當(dāng)不足造成的滾刀損壞性偏磨；盾構(gòu)穿越某區(qū)域大漂石含量較高，造成部分卵石長(zhǎng)期卡停于開(kāi)口處造成的偏磨；區(qū)段地層卵石含量差導(dǎo)致的不均勻沖擊造成的偏磨等都是較不穩(wěn)定且難以控制的因素。

4 破巖評(píng)價(jià)

4.1 富水漂卵石地層破巖效率

為了能更好的反映某地層滾刀破巖效率并進(jìn)行評(píng)價(jià)，引入了破巖比能耗這一概念。滾刀破巖比能耗表示其破壞或切削單位體積巖石所消耗的能量，目前對(duì)盾構(gòu)TBM滾刀破巖效率評(píng)價(jià)大多采用量化計(jì)算破巖比能的方法，其中巖石破碎體積為影響破巖比能耗的關(guān)鍵因素[9]。

對(duì)于滾刀破巖比能耗可由下式進(jìn)行計(jì)算[10]：

式中：ηSE為單滾刀所消耗能量(MJ/m3)；Fn為法向推壓力(kN)；Fr為切向滾動(dòng)力(kN)；h為平均貫入度(mm)；l為平均滾壓距離(mm)；V為巖石破碎體積(cm3)。

式中：ηSEi為單滾刀所消耗能量(MJ/m3)。SEZ為多把滾刀整體比能耗(MJ/m3)；n為計(jì)算數(shù)量。

巖石在滾刀作用下的破壞體積與其破壞方式關(guān)系密切，但針對(duì)此類富水漂卵石地層來(lái)說(shuō)，由地層本身因素造成的盾構(gòu)滾刀破壞方式多樣，導(dǎo)致破巖效率評(píng)價(jià)整體復(fù)雜，開(kāi)展地層與刀具接觸耦合作用機(jī)理及滾刀破巖方式的多因素綜合作用的研究為主要突破口。

4.2 破巖仿真模擬

修改對(duì)應(yīng)的適配參數(shù)，研究滾刀在多種因素破巖效率影響下對(duì)施工的作用及滾刀產(chǎn)生偏磨的主要因素，并對(duì)滾刀配置優(yōu)化提供一定的依據(jù)。

滾刀大多是由強(qiáng)度高、耐磨性好的鋼材制造而成，如硬質(zhì)合金。該仿真所要模擬的是邊滾刀表面在破巖時(shí)所受的摩擦力情況，故邊滾刀的變形可以忽略不計(jì)。

鑒于邊滾刀材料本身與巖體剛度差距大，巖石的破碎機(jī)制對(duì)滾刀產(chǎn)生塑性變形的影響較小，基本可以忽略不計(jì)，故將滾刀的材料模型設(shè)置為近似剛體。滾刀刀圈彈性模量205 GPa，材料密度7.9 g/cm3，泊松比0.3。

滾刀載荷取決于巖石材料選型，巖層材料模型的選擇則直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，巖石模型選取的關(guān)鍵在于本構(gòu)關(guān)系的確定以及其物理力學(xué)參數(shù)的選擇。

富水漂卵石巖石本構(gòu)關(guān)系呈非線性性質(zhì)，并與加載路線、應(yīng)力歷史以及應(yīng)力水平等密切相關(guān)。由于上部人工填土層、粘性土層對(duì)整個(gè)破巖過(guò)程的影響相對(duì)較小，故本次模擬采用的巖石材料模型參數(shù)取用本區(qū)間隧道所穿越的砂卵石亞層的巖土物理指標(biāo)，具體如表1所示。

表1 紅尚盾構(gòu)區(qū)間穿越砂卵石亞層基本力學(xué)物理指標(biāo)

針對(duì)滾刀破巖效率影響多因素的主要分析方向有安裝傾角、刀圈刃寬、刀刃角等[11]。

利用ANSYS和LS-DYNA軟件建立滾刀有限元模型及巖石材料的有限元模型，將安裝傾角、刀圈刃寬、刀刃角及刀盤(pán)圓弧過(guò)渡半徑等因素作為變量，并模擬其破巖過(guò)程，得到相應(yīng)的仿真結(jié)果，仿真過(guò)程如圖10所示。

圖10 破巖過(guò)程仿真

4.3 仿真模擬結(jié)果

設(shè)置分別將滾刀刀圈刃寬、滾刀安裝傾角、滾刀刀圈刀刃角作為變量的破巖模型，通過(guò)計(jì)算得到的仿真結(jié)果如圖11所示。

由結(jié)果圖示可看出，滾刀刃寬設(shè)置較小時(shí)，相對(duì)刃寬設(shè)置較大時(shí)比能耗的增幅高，則較小的刃寬設(shè)置對(duì)減小偏磨不利，增加刃寬可以增加刀具的耐磨性。同時(shí)安裝傾角與比能耗的大小呈正相關(guān)，當(dāng)安裝傾角達(dá)到45°時(shí)，后期增幅相對(duì)減小。比能耗隨刃角的函數(shù)變化趨勢(shì)同刃寬類似，但影響因素相對(duì)較小[12]。

圖11 比能耗隨刃寬、安裝傾角、刃角的變化趨勢(shì)

綜上所述，針對(duì)區(qū)間具體的地層地質(zhì)條件，對(duì)滾刀做出適應(yīng)改造，在允許范圍內(nèi)適當(dāng)增加滾刀安裝傾角和刃寬，將刃寬25 mm改為30 mm，則初步認(rèn)定此次改造可以更好地適配類似的卵漂石地層。

5 結(jié)束語(yǔ)

刀具磨損與地層直接相關(guān)。一般來(lái)講，盾構(gòu)在富水砂卵石地層中掘進(jìn)對(duì)刀盤(pán)邊滾刀磨損最為嚴(yán)重，通過(guò)降低刀座的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將原設(shè)計(jì)17吋單刃滾刀改進(jìn)為18吋雙刃滾刀，不增大刀盤(pán)開(kāi)挖直徑。由于刀盤(pán)開(kāi)挖直徑不變，地層擾動(dòng)范圍和超挖量未增加，管片壁后注漿量也保持原設(shè)計(jì)量。

同時(shí)，滾刀的啟動(dòng)扭矩直接關(guān)系到刀具的磨損情況。正確的啟動(dòng)扭矩配置，使邊滾刀耐磨性增加，同時(shí)延長(zhǎng)了刀具使用壽命，減少換刀次數(shù)，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。在成都地鐵6號(hào)線項(xiàng)目盾構(gòu)區(qū)間實(shí)際施工過(guò)程中，每公里減少兩次換刀，每次換刀成本約100萬(wàn)元，每公里節(jié)約成本約200萬(wàn)元，為項(xiàng)目創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

本文作者在卵石取樣及換刀過(guò)程中發(fā)現(xiàn)可提高適應(yīng)性的一些突破口——如在滾刀刀軸處設(shè)計(jì)一種緩沖連接可能會(huì)較好的減緩此類地層中漂卵石的沖擊。