上軟下硬花崗巖地層盾構刀具減磨措施研究*

黃和平

(深圳鐵路投資建設集團有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

目前，地下工程施工方法主要包括明挖法、礦山法及盾構法，其中，明挖法施工較簡單，但對城市環境及道路的影響較大，不宜在城市繁華地區施工；礦山法對施工技術的要求高，且工期較長、成本較高，同樣不宜在城市繁華地區施工；盾構法因對地層適應性較好，且對周圍環境干擾小、安全、高效，已成為城市地下工程施工首選方法。盾構作為盾構法施工主要機械，集切削巖土、輸送渣土、襯砌拼裝等功能于一體，具有良好施工便利性。

刀具作為盾構掘進破碎、切削巖土的關鍵，近年來，多位學者對刀具磨損問題進行了研究，如楊書江對盾構在硬巖地層中的施工適應性進行了專項研究，掌握了硬巖條件下刀具設計技術與布置方法；劉士銘等對現有各類刀具磨損監測方法工作原理進行了總結，并分析了磨損信息傳遞特點；劉招偉等提出了上部軟土、下部極硬巖復合地層盾構快速掘進方法，解決了復合地層盾構推力大、易結泥餅、刀具易損壞和破巖效率低等難題；包建新通過分析刀盤、刀具選型和磨損問題,總結了上軟下硬復合地層刀盤、刀具優化方案。但目前對于刀具磨損的研究主要集中在均質巖層，較少涉及上軟下硬復合地層。實際上，城市地下工程施工過程中常遇上軟下硬復合地層。因此，本文以深圳地鐵6號線銀湖站—八卦嶺站區間盾構施工為例，對上軟下硬花崗巖地層盾構刀具磨損情況進行分析評價，提出合適的刀具配置及參數，并給出刀具檢查和更換頻次。

1 工程概況

1.1 設計概況

深圳地鐵6號線銀湖站—八卦嶺站區間隧道左線起訖里程為ZDK6+691.361—ZDK6+783.258，長91.897m；右線起訖里程為YDK6+685.104—YDK6+738.258，長53.154m。區間線路曲線半徑為500m，線間距13～16.2m。隧道縱向坡度為28‰，軌面標高為-0.110～-2.674m，覆土厚17～19m。隧道采用馬蹄形斷面，凈寬5 200mm，凈高5 770mm。

1.2 工程地質條件

銀湖站—八卦嶺站區間存在80%上軟下硬段，主要穿越①5素填土、④10粗砂、④13卵石、⑦1-2硬塑狀礫質黏性土、⑧1全風化粗粒花崗巖、⑧2-1強風化粗粒花崗巖(砂土狀)、2-1強風化碎裂巖(砂土狀)、⑧2-2強風化粗粒花崗巖(碎塊狀)、⑧3中等風化粗粒花崗巖。掘進范圍上部80%屬于全、強風化粗粒花崗巖，巖層強度30～50MPa，受地下水影響易遇水崩解；下臥巖層為強度60～120MPa的中、微風化花崗巖地層。中風化花崗巖巖石質量指標為50%～75%，局部為15%～50%，微風化花崗巖巖石質量指標為75%～95%，屬于典型的上軟下硬地層。

2 施工難點

銀湖站—八卦嶺站區間地質條件復雜，上軟下硬段下穿運營線，穿越長度達46m，最小凈距僅1.83m，且上部巖層和下臥巖層強度差異較大，盾構掘進困難，施工難度大。

上軟下硬地層屬于不良地質，盾構掘進時，由于開挖面巖體強度存在差異，導致刀具作用力分布不平衡，造成刀具磨損、刀頭阻塞、刀盤振動、地表沉降等問題，對盾構掘進不利。

3 刀具磨損特性

針對地層特點，采用φ6 280mm復合式土壓平衡盾構，刀盤為六輻條+面板形式，可增加刀盤強度。通過受力分析對刀具進行合理布置，中心滾刀配置1把4聯單刃滾刀(1～4號)，刀盤中心區域配置4把雙聯雙刃滾刀(5～12號)，刀間距90mm；面板正面配置20把單刃正面滾刀(13～32號)，刀間距75mm；面板周邊配置11把周邊單刃滾刀(33～43號)和2把保徑刀(44，45號)，刀間距16～70mm，可有效破巖。刀盤面及刀具編號如圖1所示。刀盤驅動功率960kW，刀盤正面及周邊焊接耐磨鋼板，防止刀盤磨損。

圖1 刀具布置示意

上軟下硬地層中刀具普遍存在偏磨現象，且周邊刀磨損尤為嚴重，部分刀刃甚至出現崩裂、脫落現象。由于最外圈滾刀切削軌跡線較長，故磨損量較刀盤中心位置刀具大。同時，刀具切削產生的高溫熱量使位于刀架上的黏土固結，導致滾刀無法自轉，這是造成刀具偏磨的主要原因，刀具磨損情況如圖2所示。

圖2 刀具磨損情況

4 刀具配置優化

根據刀具磨損特性，分2個階段進行刀具配置優化。

1)第1階段 將1～28，41～43號刀具更換為刀圈洛氏硬度HRC為55～57、沖擊功為30J的高韌性型刀具，將29～40，44～45號刀具更換為刀圈洛氏硬度HRC為60～64、沖擊功為20J的重型刀具，采用土壓平衡模式掘進54m(36環)后，到達主動開倉檢查位置，帶壓開倉檢查刀具，檢測數據如表1所示。

表1 第1階段刀具磨損情況

2)第2階段 將第1階段磨損量較大的15～23，25～28，41～43號刀具更換為刀圈洛氏硬度HRC為60～64、沖擊功為20J的重型刀具，將29～40，44～45號刀具更換為刀圈洛氏硬度HRC為55～57、沖擊功為30J的高韌性型刀具，采用土壓平衡模式掘進60m(40環)后，到達主動開倉檢查位置，帶壓開倉檢查刀具，檢測數據如表2所示。

表2 第2階段刀具磨損情況

由表1，2可知，各刀具均為正常磨損，正面刀磨損量隨著切削軌跡的增加呈遞增趨勢，在變軌跡處達最大；周邊刀受刀間距影響，磨損量隨著切削軌跡的增加呈遞減趨勢，但總體磨損量差距較小。

由表1可知，對于第1階段，中心區域滾刀(1～12號)和面板正面滾刀(13～32號)最大磨損量為20mm，其中磨損量>10mm的刀具共16把，占比達50%；滿足更換條件(磨損量達15mm)的共7把，占比達22%。面板周邊刀具(33～45號)最大磨損量為15mm，其中磨損量>10mm的刀具共3把，占比達23%；滿足更換條件的刀具1把，占比達8%。受刀圈硬度影響，高韌性型刀具磨損量較重型刀具大2～3mm。

由表2可知，第2階段更換的15～23，25～32號刀具最大磨損量為20mm，其中磨損量>10mm的刀具共4把，占比達24%；滿足更換條件的刀具共4把，占比達24%。刀圈硬度提高后，刀具磨損量明顯降低，但在變軌跡處，刀圈硬度變化對刀具磨損量的影響較小。第2階段更換的33～45號刀具最大磨損量為17mm，其中磨損量>10mm的刀具共8把，占比達62%。隨著刀圈硬度的降低，周邊刀磨損量增大2～3mm。

未出現刀圈偏磨情況，說明在掘進參數基本相同的情況下，刀圈韌性、密封性、啟動扭矩均較合適。

5 刀具更換與檢查

5.1 更換標準

盾構掘進時，主要依靠滾刀破巖，刮刀以滑動式碾壓開挖參與掌子面切削，周邊刀起控制開挖輪廓線的作用，保徑刀主要起擴挖、保徑作用。

1)刮刀

如果盾構掘進速度超過滾刀與刮刀高差，易造成正面刮刀直接接觸掌子面，在阻力、摩擦力等作用下，增加了倉內溫度，出現結泥餅、刮刀異常磨損或失效等現象，阻力過大時可能導致刮刀掉落，影響滾刀正常使用。因此，需嚴格控制滾刀與刮刀高差，并考慮刀圈磨損后性能參數變化、掌子面凸凹不平等因素的影響。本工程滾刀與刮刀高差為45mm，可將中心單刃滾刀、中心區域雙刃滾刀理論磨損量設為35mm。

2)周邊刀

周邊刀磨損主要表現為滾刀破巖沉渣造成較嚴重的刀身二次磨損。因周邊刀與正面刀功能不同，且未直接接觸開挖掌子面，其最大磨損量與正面刀不同，根據切削軌跡，可將周邊刀理論磨損量設為15mm。

3)保徑刀

為保證刀盤順利通過，防止卡盾或刀盤磨損，可將保徑刀理論磨損量設為10mm。

在刀具理論磨損量的基礎上，還應考慮掘進參數對刀具磨損量的影響，經研究，得到刀具控制磨損量，如表3所示。

表3 刀具控制磨損量 mm

5.2 檢查與更換頻次

遵循“勤開倉、勤檢查”原則進行刀具檢查，本工程最短檢查距離為15m，最長檢查距離為70.5m，檢查距離多為37.5～45m。

本工程盾構連續掘進40～50m時，正面刀磨損量達控制值的80%，周邊刀、保徑刀磨損量達控制值的80%～100%，部分刀具已達更換標準。如果繼續掘進，將影響掘進效率，甚至造成卡盾等嚴重后果。經研究，建議盾構連續掘進40～45m時進行刀具檢查與更換，同時，應結合沿線地質條件和地面建筑物情況，設置合理的主動檢查、換刀點，減少被動檢查、換刀作業，以降低施工風險，提高施工效率。

6 結語

本文通過對上軟下硬花崗巖地層盾構掘進施工中刀具配置、刀具磨損特性的研究，得出以下結論。

1)確定刀具控制磨損量時，需綜合考慮刀具工作特性、磨損后性能參數變化、接觸地層形狀、巖層質量等。刀具磨損量達到控制值后，應及時更換，避免增大盾構機電系統和相鄰刀具的負擔。

2)通過對刀具磨損情況進行動態分析，發現正面刀磨損量隨著切削軌跡的增加呈遞增趨勢，在變軌跡處達最大；周邊刀受刀間距影響，磨損量隨著切削軌跡的增加呈遞減趨勢，但總體磨損量差距較小。

3)通過對實際施工情況進行總結分析，為適應上軟下硬花崗巖地層，建議盾構連續掘進40～45m時進行刀具檢查與更換，同時，應結合沿線地質條件和地面建筑物情況，設置合理的主動檢查、換刀點，減少被動檢查、換刀作業，以降低施工風險，提高施工效率。