北京新機場線盾構施工刀具磨損特征及優化設計

孫 偉/SUN Wei

（中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250014）

盾構法被廣泛應用于地鐵隧道開挖工程中，盾構施工過程中刀具的磨損狀態對于盾構施工有著嚴重的影響。隨著盾構的持續施工，刀盤刀具發生不可避免的磨損，當刀具磨損超限時，往往會引起刀盤扭矩上升，掘進困難，開挖效率低等問題[1]。為了解決此類問題，國內外學者進行了大量的研究：吳俊等以大連地鐵施工為依托，建立了刀具磨損模型，并根據實測數據對模型進行了驗證[2]；楊俊哲等建立了兩種人工智能模型對神華神東補連塔煤礦斜井盾構刀具磨損速率進行預測，通過對比刀具磨損速率預測值與實際值來驗證人工智能預測模型的可行性與精確度[3]；王振飛等以北京地下直徑線盾構隧道試驗段工程為依托，基于現場實測數據，系統分析了富水砂卵石地層大，直徑盾構施工刀具的磨損規律及磨損原因，并對不同類型盾構刀具在該地層條件下的適應性進行了研究[4]；馬騰利用離散流軟件對盾構施工刀具磨損量進行了分析[5]；趙峻分析了刀盤刀具在盾構推進過程中切削土體的受力特性，建立了一套適用于砂性土地層中深埋泥水平衡盾構刀具磨損計算方法[6]；張明富等在北京地鐵4 號線盾構隧道工程中利用最小二乘法對刀具磨損數據進行分析，建立了刀具磨損量與掘進距離的擬合表達式[7]。

本文以中鐵十四局承建的北京大興機場線07標段2 號風井-3 號風井區間為例，對盾構施工過程中刀具磨損的基本形式進行了總結分析，得出了一些有意義的結論，對后續工程施工有重要的借鑒意義。

1 工程概況

北京新機場線磁各莊站-草橋站區間中2 號區間風井-3 號區間風井盾構區間左線全長3 832.39m，右線全長3 847.44m，線路埋深12～16m，最大坡度5.9‰，最小曲線半徑為1 300m。盾構區間隧道外徑8.8m，管片厚度450mm；采用2 臺外徑9.15m 的土壓平衡盾構同時施工。

圖1 盾構穿越地層情況

如圖1 所示，本區間盾構隧道穿越地層主要為：粉土④2、粉細砂層④3、卵石圓礫⑤、卵石圓礫⑦。卵石圓礫層分布長3 847m，占本區段總長的100%。根據前期地勘資料，盾構隧道埋深范圍內無地下水。卵石圓礫⑤層：一般粒徑5～20mm，最大粒徑不小于140mm，粒徑大于20mm 的含量大于50%。卵石圓礫⑦層：最大粒徑不小于150mm，一般粒徑15～60mm，粒徑大于20mm 顆粒約占總質量的60%。

2 工程重難點

本區間單線長度達到3.8km，長度較長，且隧道穿越地層中砂卵石占比較高。砂卵石地層具有卵石含量高、強度高、流動性差、摩擦系數大、黏聚力小等特點，盾構施工中面臨大直徑卵石排出困難，刀具、刀盤和螺旋輸送機磨損嚴重、刀盤扭矩過大等問題，其中大直徑卵石排出困難和盾構機械磨損最突出[8]。為了保證盾構順利施工，施工之前及過程中采取的多種輔助方法。

在施工前針對區間地質情況，嚴格進行盾構選型，重點關注刀盤布置型式、刀具型式；并在根據隧道長度以及以往刀具磨損經驗在盾構區間范圍內設置了多個檢修井進行換刀作業；在每次換刀后針對刀具的磨損形式，對刀具進行優化設計，保證整個區間盾構施工正常。

3 盾構設備參數及刀具布置

3.1 盾構設備參數

區間采用新購兩臺鐵建重工生產的ZTE9100 型土壓平衡式盾構施工。盾構開挖直徑9 150mm，盾體直徑9 100mm，盾構分為主機和后配套設備，后配套為1 節橋架、7 節車架，主機長度約17m、整機總長約116m。主要性能參數如表1 所示。

3.2 刀盤形式及刀具布置

ZTE9100 盾構刀盤的設計原則：刀盤設計和刀具布置完全能適應本工程地質條件，并且具有高效及減少刀具磨損的特點。

刀盤表面和開口部位焊接有耐磨層，外周焊接25mm 厚的復合耐磨鋼板。盾構刀盤由鋼結構件焊接而成，刀盤主體結構的高強度、高剛性設計可以保證刀盤能在本工程施工期間不變形、不損壞，適宜大扭矩和大推力的作業工況。

盾構刀盤類型為輻條式刀盤，主要由輪緣、輻條和布設在輻條上的刀具組成。6 根輻臂支撐的厚壁法蘭連接主驅動裝置并且作為刀盤輻臂的基座，以傳遞足夠的扭矩和推力，刀盤可以雙向旋轉。為了保證刀盤的整體結構強度和剛度，刀盤的中心部位采用整體鑄鋼鑄造，刀盤正面堆焊耐磨網格，刀盤上切刀為螺栓連接，可以實現刀具更換。刀盤上設有攪拌棒，可以隨著刀盤一起轉動，輔以土倉壁上的固定攪拌棒可起到攪拌碴土的功能，對土倉中的廢棄土體進行強制攪拌，使注入在開挖面上或土倉中的添加材料（加泥、水、氣泡）與切削下來的土體在土倉中進行充分的攪拌，提高土體的塑性流動性，使在滯留土倉中的廢棄土體具有良好的流動性和止水性。

表1 盾構設備主要參數情況

刀盤直徑為9 150mm，刀盤的開口率約為60%，正面裝配有貝殼刀，如圖2 所示，刀盤的中心部分開口率大，有利于中心部分碴土的流動并進入土倉，可以有效地防止中心泥餅的產生。刀盤刀具統計如表2 所示。

圖2 刀具布置圖

表2 刀具數據情況

3.3 刀具形式

為了保證盾構順利切削土體，并提高刀具的耐磨性。針對北京新機場線地層對刮刀、撕裂刀具體形式進行設計，如圖3 所示。

圖3 盾構刮刀設計圖

3.4 檢修井設置

區間共設置6 處檢修井，左右線各3 處，檢修井位置及檢修井處地層，3 處檢修井分別距離始發井780m、1 665m、2 512m，四盤刀具掘進長度分別為：780m、885m、847m、1 320m。通過檢修過程中對前三盤刀具磨損形式的總結，不斷對刀具形式進行優化，保證第四盤刀具能夠順利掘進至接收井。

4 刀具磨損分析

4.1 刮刀磨損形式分析

刀具磨損的產生主要是由合金刀具與巖土體相互接觸作用的結果，最終物體表面出現材料損失的現象[9]。本區間盾構初裝刀具在盾構施工過程中刮刀的磨損較為明顯，根據刮刀的位置不同，可將刮刀分為外周刮刀及內側刮刀，外周刮刀除刀具上部合金塊磨損外，刀具側邊也發生較為嚴重的磨損，刀具母體磨穿，螺栓孔暴露，如圖4 所示。

圖4 外周刮刀磨損

內側刮刀主要磨損發生在頂部合金塊，單把刮刀頂部合金塊不同位置合金塊不同位置，磨損量有所差異，頂部五塊合金塊由三角形磨損至“山”字形，如圖5 所示。

圖5 中間刮刀磨損形式

4.2 刮刀設計優化

針對刮刀的磨損形式，在三次換刀時對刮刀的形式進行了優化，對于外側刮刀在外側增加了合金塊，提高盾構施工過程中刀具側面的耐磨性，如圖6 所示。

圖6 優化后的刮刀設計圖

4.3 撕裂刀磨損形式分析

刀具損傷主要分為2 種類型，刀具摩擦磨損和刀具斷裂損傷[10]。本區間盾構撕裂刀合金塊磨損較為平均，崩塊、掉塊現象較少，部分刀具母體兩側磨損差異較大，朝向刀盤外方向合金塊下方存在明顯凹槽；刀具母體側面磨損較為不平均，磨損形式為人字形凹槽，外側刀具母體磨損量明顯大于內側；刀具合金塊磨損同樣不對稱，如圖7 所示。

圖7 撕裂刀磨損情況

4.4 撕裂刀設計優化

為了提高撕裂刀的耐磨性，延長了中間合金塊的長度，同時在刀具側邊增加了合金塊，保證刀具母體耐磨性，如圖8 所示。

圖8 優化后的撕裂刀設計圖

4.5 優化后刀具施工情況

使用優化后的刀具，進行最后1 320m 隧道的掘進。掘進過程中，盾構施工正常，未發生因刀具問題而長時間停機的問題；盾構接收時，刀具磨損正常，如圖9 所示，未發生大范圍磨損量較大的情況說明對刀具的優化是合理的。

圖9 貫通時撕裂刀情況

5 結語

本文以北京新機場線07 標段為例，通過分析總結施工過程中刀具磨損形態，得出了刀具磨損的相關規律，并在施工過程中對刀具的形式進行了優化，得出如下結論。

1）撕裂刀合金塊磨損較為平均，崩塊、掉塊現象較少，但是部分刀具母體兩側磨損差異較大，朝向刀盤外方向合金塊下方存在明顯凹槽，刀具母體側面磨損較為不平均，磨損形式為人字形凹槽，外側刀具母體磨損量明顯大于內側，刀具合金塊磨損同樣不對稱。

2）外周圈刮刀，刀具合金塊磨損較為嚴重，其磨損不規則，靠外一側，磨損嚴重，螺栓孔被磨穿，磨損量較大；內側刮刀刮刀合金塊磨損后的形式呈山字形，偶爾發生蹦齒、掉齒，內側刮刀兩側基本無磨損。

3）在磨損嚴重的位置增加合金塊，可有效提高刀具的耐磨性，延長盾構單次掘進距離，提高盾構施工效率。O