密實(shí)砂礫地層盾構(gòu)刀具磨損分析及優(yōu)化措施

劉騰龍，任麗娜，賈金建，龐培彥，魯義強(qiáng)

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

近年來，國內(nèi)外都大力發(fā)展城市軌道交通，城市地鐵隧道施工項(xiàng)目越來越多，盾構(gòu)因其使用快速、安全、環(huán)保等原因而被廣泛應(yīng)用[1]。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中由于刀具磨損而造成的經(jīng)濟(jì)損失占施工總成本的很大一部分，所以對(duì)刀盤刀具掘進(jìn)過程中磨損情況進(jìn)行分析就尤為重要。目前行業(yè)內(nèi)多數(shù)研究成果主要集中于刀具在砂層、砂卵石地層中磨損原因的分析，有一定的指導(dǎo)作用，但是缺少對(duì)刀具整體磨損數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)比，沒能得出刀具在相應(yīng)地層中的整體磨損規(guī)律或趨勢。本文從國外某地鐵項(xiàng)目施工的實(shí)際情況出發(fā)，先對(duì)盾構(gòu)在均質(zhì)密實(shí)砂礫地層中掘進(jìn)時(shí)滾刀實(shí)際磨損數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出刀盤上不同刀位的刀具（#）與相應(yīng)磨損量之間的線性關(guān)系，并對(duì)其磨損原因進(jìn)行分析，然后從不同角度對(duì)整盤刀的磨損情況進(jìn)行對(duì)比從而得出磨損規(guī)律，最后針對(duì)性地提出優(yōu)化措施。

圖1 地質(zhì)剖面圖

1 工程概況

本項(xiàng)目區(qū)間長度為270m，共188環(huán)，地面高程102～106mRL，地下水高程為99.5～103.5mRL，約地面以下1.5m。隧道最大埋深約16m。隧道主要穿越密實(shí)砂礫層地層，部分穿越海相粘土、沖積砂土、沖積粘土、河口沉積土；其中密實(shí)砂礫層以粗砂礫為主，標(biāo)貫值（SPT）50～100，為密實(shí)層，如圖1 所示。土壤磨耗測試(SAT)的值為5～31，大部分處于高磨蝕性范圍內(nèi)。

2 刀盤選型及刀具配置

針對(duì)此項(xiàng)目工程地質(zhì)實(shí)際情況，該工程盾構(gòu)刀盤采用了如圖2 所示四主梁+四輔梁的復(fù)合式結(jié)構(gòu)。

圖2 刀盤正面結(jié)構(gòu)

本工程采用的土壓平衡盾構(gòu)刀盤開挖直徑為6 670mm。刀盤整體開口率約為37%，配置6 把18 寸雙聯(lián)中心滾刀，刀高187.7mm，29 把18 寸單刃滾刀，刀高187.7mm，40 把刮刀200 寬刮刀，刀高140mm，8 把邊緣刮刀，刀高140mm，23 把焊接撕裂刀，刀高160mm 以及2 把超挖刀。

3 刀盤刀具磨損情況及磨損規(guī)律研究

刀盤開挖過程中，全盤布置的滾刀是主切削刀具，起著開挖掌子面的最為重要的作用。刮刀和撕裂刀主要起協(xié)同作用，為輔助刀具。

3.1 刀具磨損情況統(tǒng)計(jì)及原因分析

盾構(gòu)在區(qū)間掘進(jìn)出洞檢修時(shí)刀具磨損情況統(tǒng)計(jì)（中途未換刀）如表1 所示。

盾構(gòu)刀盤刀具布置，一般可以劃分為3 個(gè)區(qū)域，分別為中心滾刀區(qū)域，正面滾刀區(qū)域和邊緣滾刀區(qū)域。對(duì)這3 個(gè)區(qū)域內(nèi)刀具磨損情況進(jìn)行針對(duì)性分析如下。

1）6 把中心雙聯(lián)滾刀（#1～#12）磨損量相對(duì)其它正面滾刀和邊緣滾刀磨損較大。其中中心一字型區(qū)域的4 把中心雙聯(lián)滾刀中，1 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)刀為正常磨損，2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)刀為偏磨（圖3、圖4）。

表1 刀具磨損量統(tǒng)計(jì)

圖3 中心滾刀磨損統(tǒng)計(jì)

圖4 中心滾刀磨損情況

原因分析：一字型區(qū)域的4 把中心雙聯(lián)滾刀（#1～#8），其中3 把出現(xiàn)了不同程度的偏磨。主要是因?yàn)榈毒叻植荚诘侗P中心區(qū)域內(nèi)，空間小，刀具線速度小，隨刀盤公轉(zhuǎn)過程中難以實(shí)現(xiàn)繞自己中心軸的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以大概率會(huì)造成刀具偏磨。另外由于密實(shí)砂礫地層土壤磨耗測試(SAT)的值為5～31，具有高磨蝕性，中心區(qū)域渣土流動(dòng)性差，砂、粘性土等細(xì)小顆粒侵入刀轂并檢修不及時(shí)等原因，都有可能加劇刀具的偏磨。分布在一字型區(qū)域外圍的5 號(hào)和6 號(hào)中心刀為正常磨損，原因是安裝半徑相對(duì)較大，渣土流動(dòng)相對(duì)流暢，掘進(jìn)過程中可正常自轉(zhuǎn)。

2）#13～#30 為 正 滾 刀，共18 把。#13～#30 滾刀，磨損量基本呈遞增趨勢，并且增長較為平緩，平均磨損量為7mm，未出現(xiàn)偏磨，其中#29 滾刀磨損量最大，為15.5mm，#13 滾刀磨損量最小，為3mm。另外滾刀刀圈截面出現(xiàn)被磨損成“V”型的情況，如圖5、圖6所示。

圖5 正面滾刀磨損統(tǒng)計(jì)

圖6 正面滾刀磨損情況

原因分析：#13～#30 滾刀，刀具安裝半徑逐漸增大，刀具線速度也隨之增大，掌子面能夠給滾刀提供足夠的摩擦力矩來克服啟動(dòng)扭矩，滾刀可以實(shí)現(xiàn)正常自轉(zhuǎn)，同時(shí)刀盤旋轉(zhuǎn)一周，刀具切削軌跡依次增大，故刀具磨損也呈遞增趨勢。從磨損統(tǒng)計(jì)可以得出，刀具處在正常工況下，并未因遇到異常工況而造成偏磨，崩刃等異常損壞。刀圈截面被磨尖是由于地層以粗砂礫為主，磨蝕性較高，刀具侵入地層后，隨著刀具的滾動(dòng)，加速了刀圈兩側(cè)的磨損造成的，并且距離刀盤中心越遠(yuǎn)“V”型現(xiàn)象越明顯，如圖7 所示。

圖7 滾刀刀刃磨損機(jī)理

3）#31～#40（2）為邊緣滾刀，共11 把。總體磨損量較中心刀小，較正滾刀大，整體呈下降趨勢，平均磨損量為10mm，未出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象，都屬于正常磨損。其中#34 滾刀磨損量最大，為15mm，#40（1）磨損量最小，為4mm，同樣存在滾刀刀圈截面被磨損成“V”型的情況，如圖8、圖9 所示。

圖8 邊緣滾刀磨損統(tǒng)計(jì)

圖9 邊緣滾刀磨損情況

原因分析：刀盤開挖過程中，邊緣滾刀開挖斷面成弧形，刀具受力環(huán)境復(fù)雜如圖10 所示。根據(jù)現(xiàn)有邊滾刀開挖過程中受力研究分析可知，隨著邊滾刀安裝傾角的增大，在一定的傾角范圍內(nèi)，其切削力逐漸減小，而側(cè)向力逐漸增大[2]。另外考慮到邊緣滾刀弧形布置且刃間距逐漸遞減的布刀規(guī)律，使得單把滾刀承擔(dān)的破巖任務(wù)相對(duì)遞減，所以才出現(xiàn)了圖9 所示的下降趨勢。其中由于#40(1)、#40(2)處于同一軌跡，所以磨損量相比其它邊刀更小。

圖10 邊緣滾刀受力情況

3.2 磨損規(guī)律研究

分別對(duì)刀盤中心滾刀區(qū)域，正面滾刀區(qū)域和邊緣滾刀區(qū)域刀具磨損情況及原因進(jìn)行了分析，接著從刀盤整體刀具磨損分布方面來總結(jié)其磨損規(guī)律。

1）從刀盤刀具異常磨損角度統(tǒng)計(jì)分析，如圖11、圖12 所示。

圖11 刀具磨損情況占比

圖12 刀圈截面磨損情況占比

從圖11 可以得出，81%的刀具磨損屬于正常磨損，19%的刀具為異常磨損，其中異常磨損刀具都集中在中心滾刀區(qū)域，集中表現(xiàn)為刀圈偏磨。另外如圖12 可以得出，在正常磨損刀具范圍內(nèi)，88%的刀圈被磨損成“V”型，剩余12%的刀具磨損量較小，都在3mm 以下，從刀圈截面形狀來看相對(duì)均勻，但預(yù)計(jì)隨著使用時(shí)間加長，磨損量的增加，也會(huì)出見被磨成“V”型的趨勢。

2）從刀盤刀具實(shí)際磨損量角度統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)置3 個(gè)對(duì)比指標(biāo)，分別是#1～#30 滾刀建議磨損量（中心滾刀和正面滾刀區(qū)域），#31～#40（2）滾刀建議磨損量（邊緣滾刀區(qū)域）和平均磨損量，如圖13、圖14 所示。

圖13 全盤刀具磨損統(tǒng)計(jì)

圖14 刀具磨損量占比

其中#1～#30 滾刀建議磨損量是以18 寸滾刀刀圈磨損至不能進(jìn)行有效破巖狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)選取的，現(xiàn)在業(yè)內(nèi)通常認(rèn)為30mm 是合理的；#31～#40（2）滾刀建議磨損量是依據(jù)最外側(cè)軌跡滾刀極限磨損量為標(biāo)準(zhǔn)選取的。本工程項(xiàng)目刀盤開挖直徑6 670mm，盾體切口環(huán)直徑6 630mm，為了防止卡機(jī)，所以刀盤最外側(cè)滾刀（#40）允許最大磨損量為20mm，同時(shí)考慮刀具磨損狀態(tài)下開挖直徑也要有一定的余量，所以最終選取15mm 作為建議磨損量。

從圖13 可以得出中心區(qū)域滾刀和正面區(qū)域滾刀實(shí)際磨損量都在建議值之下（不考慮磨損形式），其中#7 滾刀磨損較大，達(dá)到極限值。邊緣滾刀實(shí)際磨損量同樣都在建議值之下，其中#34滾刀磨損較大，達(dá)到極限值。

從圖14 可以進(jìn)一步得出，在所有刀具實(shí)際磨損量都小于建議磨損量的前提下，有59%的刀具磨損更小，小于平均值8mm，有41%的刀具磨損相對(duì)較大，大于8m，并且集中在中心區(qū)域、邊緣刀具和部分分布半徑較大的刀具上（#24～#30）。

綜合以上兩種角度的統(tǒng)計(jì)分析，可以得出本工程項(xiàng)目刀具在密實(shí)砂礫地層中掘進(jìn)，由于掘進(jìn)里程較短，在不考慮異常磨損的情況下，整體刀具磨損相對(duì)較小，磨損趨勢從刀盤中心區(qū)域至刀盤邊緣區(qū)域呈先上升后下降的趨勢，在正面滾刀到邊緣滾刀的過渡區(qū)域磨損量達(dá)到最大。正面滾刀磨損呈遞增趨勢，整體較為平緩，邊緣滾刀單體之間磨損雖然相差較大，但整體表現(xiàn)出下降趨勢。另外比較明顯的一個(gè)現(xiàn)象是大部分正常磨損刀具的刀圈截面都被磨損至“V”型。

3.3 刀具理論磨損與實(shí)際磨損對(duì)比

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀具的磨損與刀具走過的實(shí)際距離密切相關(guān)，反映到掘進(jìn)參數(shù)上即掘進(jìn)距離、刀具數(shù)量、開挖直徑、刀盤轉(zhuǎn)速等。另外由于此項(xiàng)目主要為密實(shí)砂礫地層，地質(zhì)成分相對(duì)單一，所以選擇如下方法進(jìn)行理論計(jì)算。

刀具磨損計(jì)算公式[3～4]如下

式中δ——刀具磨損理論值，mm;

L——盾構(gòu)掘進(jìn)距離，km;

Kn——同軌跡布置n 把刀時(shí)刀具綜合磨損系數(shù)，10-3mm/km;

D——切削軌跡直徑，m；

N——刀盤轉(zhuǎn)速，r/min；

V——掘進(jìn)速度mm/min。

同軌跡刀具布置n把與1 把磨損系數(shù)之間關(guān)系如下

式中K——刀具磨損系數(shù)；

n——同軌跡刀具數(shù)量。

本工程項(xiàng)目滾刀同軌跡布置1 把，所以n=1。根據(jù)日本盾構(gòu)施工實(shí)踐得出的磨耗系數(shù)情況[5]，如表4 所示，

表4 土質(zhì)磨耗系數(shù)一覽表

所以K取39×10-3mm/km。其他相關(guān)參數(shù)分別為掘進(jìn)距離0.27km，刀盤轉(zhuǎn)速4r/min，掘進(jìn)速度80mm/min。所以經(jīng)計(jì)算得出本區(qū)間刀具磨損理論數(shù)據(jù)并與實(shí)際磨損進(jìn)行對(duì)比，如圖15所示。

圖15 理論磨損量與實(shí)際磨損量對(duì)比

由圖15 可以得出，正面滾刀區(qū)域（#13～#30)刀具整體磨損趨勢理論磨損與實(shí)際磨損基本相同，都為遞增趨勢，其中自26#滾刀開始至#30 滾刀，刀具實(shí)際磨損較理論磨損上升幅度較快，分析可能是因?yàn)楸卷?xiàng)目地層高密實(shí)性并伴隨有高磨蝕性的特性，在滾刀安裝半徑較小區(qū)域，磨損差距表現(xiàn)不明顯，隨著滾刀安裝半徑的增大，刀具切削路徑增大，這種差距表現(xiàn)越來越明顯的原因；中心滾刀區(qū)域由于多把滾刀偏磨的原因，理論磨損與實(shí)際磨損偏差較大；邊緣滾刀區(qū)域?qū)嶋H磨損有下降趨勢，是因?yàn)榈毒叩堕g距逐漸減小并且弧形布置的方式造成的，所以與理論磨損關(guān)系不再一致。

4 刀盤刀具優(yōu)化措施

由以上分析可得，盾構(gòu)在本項(xiàng)目密實(shí)砂礫地層中掘進(jìn)，由于其較高的密實(shí)性和磨蝕性，往往會(huì)加劇刀具的磨損，其中滾刀刀圈截面被磨損至“V”型的現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，同時(shí)中心滾刀發(fā)生偏磨的現(xiàn)象也頻頻發(fā)生，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意從以下幾個(gè)方面改進(jìn)。

1）滾刀刀圈的抗磨性能尤為重要，刀具選型時(shí)要選擇耐磨性能更好的滾刀刀圈，比如鑲齒合金刀圈等，從而延長刀具使用壽命，減少刀具更換次數(shù)的同時(shí)也降低了帶壓開倉更換刀具產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)等。

2）對(duì)于中心滾刀偏磨的情況，可以采用適當(dāng)降低中心滾刀啟動(dòng)扭矩并增加刀盤中心區(qū)域渣土改良力度的方法進(jìn)行改善。

3）在軟土地層或者稍密實(shí)、疏松等地層也可以將中心滾刀更換為中心魚尾刀，這樣既不影響刀盤的正常開挖，也避免了滾刀的偏磨，一定程度上也可以增加掘進(jìn)效率等。

5 結(jié)論與討論

1）盾構(gòu)在密實(shí)砂礫地層中掘進(jìn)，刀具磨損量從刀盤中心區(qū)域至刀盤邊緣區(qū)域呈先上升后下降的趨勢，正面滾刀到邊緣滾刀的過渡區(qū)域磨損量達(dá)到最大。正面滾刀磨損呈遞增趨勢，整體較為平緩，邊緣滾刀整體表現(xiàn)出下降趨勢。

2）密實(shí)砂礫地層中石英含量較高，磨蝕性強(qiáng)，是導(dǎo)致滾刀刀圈普遍存在被磨損至“V”型的現(xiàn)象的主要原因，在刀盤刀具選型時(shí)要格外注意。

3）在磨蝕性高的密實(shí)砂礫地層盾構(gòu)法施工中，建議采用硬度更高的滾刀刀圈和降低中心滾刀啟動(dòng)扭矩的措施，對(duì)減少刀具磨損和降低中心滾刀偏磨能夠起到一定程度的有益作用。

4）目前，國內(nèi)外對(duì)刀具地質(zhì)適應(yīng)性的認(rèn)識(shí)尚不統(tǒng)一，對(duì)刀盤刀具磨損的研究沒有形成通用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏統(tǒng)一的理論支撐，今后應(yīng)繼續(xù)不斷對(duì)此進(jìn)行深入研究。