復合盾構盤形滾刀在石英巖地層掘進中的應用研究*

黃 健

(隧道股份上海城建國際工程有限公司，上海 200232)

本文通過新德里軌道交通三期工程中的Vasant Vihar—Shankar Vihar區間上行線盾構掘進(以下簡稱“項目”)來介紹滾刀在石英巖中的磨損情況[1]。

1 工程概況

區間單線長1 425m，地層以不同程度風化石英巖為主，盾構掘進范圍內無地下水；區間微風化的石英巖占7%(單軸抗壓強度在90MPa以上，最大可達125MPa)，中風化的石英巖占56%(單軸抗壓強度在50～90MPa)，強風化石英巖占37%(單軸抗壓強度在15～50MPa)。巖石的石英含量在85%～95%，巖石完整性指數RQD最高可達97%。采用復合盾構施工[2]，隧道覆土厚10～18m，隧道內徑5 800mm，外徑6 350mm，管片環寬1 500mm，厚275mm，采用5+1拼裝模式，管片分R-S-L 3種類別，采用錯縫拼裝。軸線最小轉彎半徑為600m(見圖1)。

圖1 全斷面石英巖

2 盾構機

項目使用海瑞克EPB 6 660mm土壓平衡盾構機，最大推力達42 500kN，額定扭矩4.62MPa，脫困扭矩5.54MPa，刀盤最大轉速可達7r/min。

2.1 刀盤結構

刀盤采用面板式，開挖直徑6 660mm，開口率28%(見圖2)。土壓平衡掘進時，在穩定正面土體的前提下，有利于提高出土效率，又能為在掘進施工時安裝更換各種刀具提供足夠空間。

圖2 刀盤結構

為提高硬巖中刀盤需具有足夠強度和破硬巖能力，刀盤重達85t。在磨損角度部位，如刀盤開挖面、攪拌棒、刀盤邊緣處，大量堆焊了網格狀耐磨層，增加刀盤耐磨性能，有效保護刀盤整體結構。

2.2 刀具布置

刀盤配置4把18in(1in=25.4mm)中心雙刃滾刀，38把18in單刃滾刀(正面25把，邊緣13把)；50把四孔切刀，48把邊緣刮刀。

滾刀高出刀盤面板187.3mm，四孔切刀高出刀盤面板125mm。滾刀高出切刀62.3mm，提高了滾刀的破巖能力，并能充分保護切刀和刮刀(見表1)。

表1 滾刀軌跡直徑 mm

2.2.1滾刀

盾構需穿越中風化、微風化石英巖，故選用硬巖型刀圈，同時考慮到石英含量較高，刀具在具有良好破巖性能的同時，需具有一定的耐磨性能，最終采用R12的圓弧形刃口刀圈，刀圈硬度在HRC55-58。單刀出廠扭矩設置為27～30N·m，中心刀出廠扭矩設置為30～36N·m。

2.2.2切刀、刮刀

切刀、刮刀主要是對滾刀破碎的巖層進行二次切削，而本區間主要為風化石英巖，對刀具磨損性要求較高，故切刀、刮刀均采用大塊合金，且合金材料均選用耐磨性和抗沖擊性較好的鎢鋼材料，其牌號為YG13C，以有效延長刀具使用壽命。切刀、刮刀的安裝均采用螺釘連接式，便于拆卸和更換。

3 滾刀磨損預測

根據盾構初始階段推進滾刀磨損測量數據與經驗，在未掘進前確定合理的刀具檢查與換刀距離是確保盾構機安全順利掘進的重要參數。根據張鳳祥提出的刀具磨損預測公式如下[3]。

通常盾構刀盤刀具的磨損量δ由下式計算：

δ=K·πD·N·L/V

(1)

式中：δ為磨損量(mm)；K為磨損系數(mm/km)；D為滾刀軌跡直徑(m)；N為刀盤的轉動速度(r/min)；L為掘進距離(m)；V為掘進速度(mm/min)。

為了確定當刀盤磨損達到刀具限定磨耗量時盾構所能推進的距離，即確定刀具的掘進距離L，可對式(1)作適當變化：

L=δ·V/(πK·V·N·D)

(2)

令Pe=V/N，λ=δ/K=t/K，可得到：

L=Pe·λ/(πD)=Pe·t/(πD·K)

(3)

式中：Pe為滾刀貫入度，即滾刀每轉的切入深度(mm/r)；λ為達到刀具限定磨損量時可開挖距離(km)；t為限定磨損量，即刀具磨損量δ的最大限定值(mm)；D為滾刀軌跡直徑(m)。

3.1 計算條件

假設滾刀均為均勻磨損，沒有偏磨和刀圈斷裂情況；假設全斷面微風化、中風化、強風化石英巖長度分別為100，798，527m。

3.2 計算方法

1) 滾刀貫入度Pe[4]根據初始階段Pe取值，微風化地層取值5mm/r，中風化地層取值8mm/r，強風化地層Pe取值12mm/r。

2) 限定磨損量t1～33號為30mm，34～37號為25mm，38～40號為20mm，41～42號為15mm，43～46號為10mm。

3) 磨損系數K由式(1)變換可得：

K=δV/(πD·N·L)

(4)

工況1：從37環開始第6次換刀-推進至52環第7次換刀，推進22.5m，為全斷面中風化石英巖，推進平均速度V=25.06mm/min，刀盤平均轉速N=2.48r/min，選取第25號刀切削軌跡D=4.22m，刀具磨損量δ=3mm。

由式(4)計算得K1=101.6mm/km。

工況2：從166環開始第11次開倉換刀至200環第12次開倉換刀，推進51m，為全斷面微風化～中風化(以微風化為主)石英巖，平均推進速度V=20.64mm/min，刀盤平均轉速N=2.73r/min，第30號刀切削軌跡D=5.02m，刀具磨損量δ=12mm。

由式(4)計算得出K2=112.9mm/km。

按差值計算原理計算強風化地層磨損系數K3=89.5mm/km。

由磨損系數的定義即滾刀每掘進1 000m時的滾刀磨損量，可知磨損量一定時磨損系數越小, 可掘進的距離越長。

根據式(3)可計算出不同編號滾刀在相應地層下的可掘進距離L及計算換刀次數，如表2所示。

表2 滾刀計算可掘進距離和換刀次數

由表1可看出需更換9把中心滾刀(18個刀圈)、163把正面滾刀、285把邊緣滾刀，共計466個刀圈。在不同限定磨損量下，不同地層最小可掘進距離微風化地層為21.2m、中風化地層為37.7m、強風化地層為63.8m。

4 滾刀實際使用情況

4.1 滾刀破巖機理

在盾構機推力作用下，盤形滾刀緊壓在巖面上，在刀盤扭矩作用下，盤形滾刀繞刀盤中心轉動，同時也繞其自身軸自轉。當盤形滾刀的有效推力超過巖石強度時，盤形滾刀貫入巖層，在巖層中形成壓碎區和放射性裂紋。當盤形滾刀的間距滿足一定距離時，相鄰滾刀之間的放射性裂紋相互貫通，形成巖石碎片在自重作用下從開挖面剝離。

4.2 滾刀磨損主要形式

從滾刀消耗情況分析來看，主要以刀圈正常磨損和刀圈非正常磨損為主，而刀圈非正常磨損主要以刀圈偏磨(包含弦磨)、刀圈斷裂為主。

4.2.1滾刀正常磨損情況

滾刀在切削巖石過程中，其自轉的同時也隨刀盤一起公轉，與巖層不停沖擊摩擦，而造成均勻磨損。磨損量達到限定磨損量t時，對滾刀進行更換，若不及時更換，刀刃不斷磨損，刀刃寬不斷增加，進而影響刀刃破巖能力。此類磨損在本段區間中為最主要形式，如圖3所示。

圖3 滾刀正常磨損

4.2.2滾刀偏磨

由于某種原因致使滾刀隨著刀盤公轉的同時不能自轉，使滾刀產生單側面或多側面磨損而造成損壞，如圖4所示。

圖4 滾刀刀圈偏磨

4.2.3刀圈斷裂

盾構掘進過程中，滾刀刀圈會產生疲勞裂紋，隨著刀圈不斷沖擊巖層，這些疲勞裂紋逐步擴大直至貫穿刀圈致使刀圈斷裂。此種情況主要發生在軟硬不均地層中，如圖5所示。

圖5 滾刀刀圈斷裂

4.3 滾刀消耗情況

掘進950環(1.5m/環)，換刀40次，共更換20把中心雙刀(40個刀圈)，598把單刀，共消耗638個刀圈。

中心滾刀4把(刀間距90mm)共更換20次，平均每把更換5次；正面滾刀9把(刀間距85mm)共更換74次，平均每把更換8次；正面滾刀16把(刀間距80mm)共更換214次，平均每把更換13次；周邊滾刀13把，共更換310次，平均每把更換24次。其中，40，41號刀位更換次數最多，高達29次，而最外緣刀位45A，45B更換次數為24，23次，即在刀盤上，呈45°左右受力的邊緣滾刀消耗量大于最外邊緣滾刀消耗量，滾刀軌跡半徑如圖6所示。

圖6 滾刀軌跡半徑

滾刀非正常磨損消耗184把，正常磨損消耗454把，非正常磨損消耗占比28.8%，如表3所示。

表3 刀圈實際消耗數量 把

不同刀型的滾刀非正常磨損率不盡相同，其中以中心滾刀的非正常磨損率最高：中心滾刀45%，正面滾刀37.8%，邊緣滾刀19.2%，總體28.8%。

不同刀型的滾刀非正常磨損數量基本上在同一水平線上，如圖7所示。

圖7 滾刀消耗統計

4.4 滾刀計算消耗量與實際消耗量對比

在計算滾刀消耗時，假設滾刀都是正常磨損，故采用滾刀實際正常磨損消耗量與計算消耗量對比，對比曲線如圖8所示。

圖8 計算換刀數與實際換刀數對比曲線

中心雙刀實際正常磨損消耗刀圈22個略大于計算值消耗18個刀圈，正面滾刀實際正常磨損消耗179個略大于計算消耗數163個，邊緣滾刀實際正常磨損消耗252個小于計算消耗285?？傮w上，計算消耗466個刀圈略大于實際消耗454個刀圈。

4.5 換刀失敗案例

自第556環開倉換刀后至第593環開倉換刀，共掘進37環(中風化地層居多的復合地層)，推進主要參數為：推力8 183.89kN，推進速度30.49mm/min，貫入度10.95mm/r，扭矩2.79MN·m，刀盤轉速2.81r/min。更換30把單刃滾刀、2把雙刃滾刀，其中2把雙刃滾刀刀圈斷裂，8把單刃滾刀掉刀圈，3把單刃滾刀偏磨。滾刀刀圈非正常磨損率高達44.1%。兩把中心刀是5～7,6～8號，單刀發生偏磨和刀圈斷裂為17～27號，非正常磨損的單刀和中心雙刀均為連號刀，這說明滾刀非正常磨損的連帶性很強，若換刀不及時，1把滾刀非正常磨損可導致其周邊一片滾刀非正常磨損。

4.6 改進措施

4.6.1滾刀方面

調整滾刀啟動扭矩，針對不同地層，合理調整滾刀扭矩；在全斷面硬巖中，滾刀扭矩調整為28～31N·m，在復合地層滾刀扭矩控制在26～28N·m，在全風化地層滾刀扭矩調整為24～26N·m。盾構機在進入不同巖層時，滾刀扭矩必須調整到位才可安裝使用。

4.6.2換刀方面

1)檢查刀具時特別注重滾刀在刀盤前側部分的檢查，對偏磨、刀圈斷裂、磨損量超過限定值的滾刀及時更換。在更換新刀掘進約100mm后，需開倉對新刀裝配螺栓進行復緊。

2)參照計算的可推進距離L，嚴格開倉換刀推進長度。

4.6.3推進方面

1)根據不同地層合理控制推進參數，以控制貫入度為主。

2)采用空倉或半倉模式推進以減少刀具二次磨損。

3)查看皮帶機上的碎石情況用以判斷滾刀破巖情況，若出現大塊巖渣說明滾刀破巖能力下降，大塊巖渣也易砸壞滾刀，造成滾刀的非正產磨損消耗。

4)合理使用泡沫系統，在提高巖渣流動性的同時，對刀具降溫能起到一定效果[5]。

4.7 改進效果

以最后272環盾構推進為例，推進長度272環，換刀14次，平均推進19環換1次刀，刀圈消耗總數為187個(刀圈斷裂4個，刀圈偏磨24個，刀圈正常磨損159個)。

滾刀非正常磨損率只有14.9%，遠小于前678環的非正常磨損率34.6%，也小于整個區間平均值28.8%。采取以上措施對減少滾刀非正常磨損效果明顯。此段盾構主要推進參數為：推力9 992kN，推進速度22.8mm/min，貫入度8.2mm/r，扭矩2.4MN·m，刀盤轉速2.78r/min。

5 結語

根據地層實際情況選取的工況條件計算出來的滾刀預測消耗量與滾刀實際正常磨損數量基本匹配，而滾刀的消耗量與滾刀的切削半徑存在近似線性關系。非正常損壞以中心滾刀的非正產損壞率最高，施工過程中要特別注意中心滾刀的偏磨及掉刀圈損壞。

滾刀消耗量控制以減少滾刀的非正常磨損為重點，以提高滾刀的耐磨性來提高可掘進長度為常態可從以下3個方面著手。

1)在掘進參數方面，在此工況條件下以控制貫入度為主，微風化地層貫入度取值5mm/r，中風化底層貫入度取值8mm/r，強風化底層貫入度取值12mm/r。

2)在刀具方面，提高刀圈的耐磨性和刀圈的抗沖擊性，可嘗試使用梯度刀圈，即刀圈外層硬度HRC63以上、內層硬度HRC55，刀圈既具備足夠的耐磨性也具備一定的抗沖擊性。

3)嚴格換刀推進距離對減少滾刀非正常磨損效果顯著，參考滾刀的可掘進距離L及掘進參數來判斷換刀時機，后期可向刀具的自動化監測方面發展，使用滾刀自動監測系統，對達到磨損極限和非正常磨損的刀具及時更換。