大直徑泥水盾構常壓刀盤滾刀刀筒適應性分析

趙斌

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，南京 210000）

1 引言

城市的不斷發展造成了交通擁堵問題，同時催生了地下隧道空間的開發。目前用于隧道建設的方法有淺埋暗挖法及盾構法等[1]。其中，盾構法對周邊環境的影響較低且施工安全度、質量都較其他方法更高，因此，在隧道施工中其應用較為廣泛[2]。目前，對于大直徑常壓刀盤刀具研究較為豐富，但是針對常壓刀筒的設計分析內容并不多。常壓刀筒作為常壓刀具的承載體，其性能的優劣能夠直接影響刀盤掘進過程中的開挖性能以及施工效率[3]。為此，本文針對傳統后置刀筒結構的局限性進行分析，通過對其改進優化得到一種新型的前置刀筒及滾刀裝置。最后，對其進行適用性分析，總結了一些滾刀刀筒的設計經驗。

2 大直徑泥水平衡盾構機常壓刀盤適用性分析

2.1 工程概況

研究選用的分析對象為國內某隧道，采用直徑為14.5 m的大直徑泥水盾構機。隧道穿越地層復雜多變，且地質形態多樣，分布不均。盾構穿越地層長度為2 169 m，隧道穿越地層包括上軟下硬以及軟硬不均和全新面硬巖等復合地層。

2.2 常壓滾刀非正常磨損原因分析及應對措施

2.2.1 異常損壞的原因分析

異常損壞原因之一是在掘進過程中滾刀產生了偏磨。此情況產生的主要原因有3 點：

1）土層土體的摩擦力提供的轉動扭矩并不能夠達到滾刀的啟動要求；

2）常壓滾刀刀筒變形或強度不夠；

3）支撐滾刀受力的固定螺栓斷裂，造成受力失衡。

除了偏磨現象以外，滾刀刀圈破裂也會造成非正常的磨損。刀圈破裂的原因主要有兩點：

1）盾構機刀盤上的滾刀布置不足，邊滾刀數量不足，在復合地層中掘進時，單把滾刀承擔的破巖壓力較大；

2）滾刀刀圈自身硬度不夠，或刀轂與刀圈之間配合不夠和諧，導致刀圈中應力較大進而產生破裂。

盾構掘進過程的施工參數設置也是非正常磨損產生的重要原因之一。在利用盾構機對隧道進行開采時，不同的地質條件對于掘進速度都有影響，而不同的地質條件對應的最佳參數組合并不一樣。

2.2.2 減少滾刀非正常磨損的措施

針對前文所述非正常磨損的原因分析，研究從生產裝配、選型、配置與安裝、工藝以及盾構參數方面提出改進措施，具體如下：

1）改進滾刀設計參數，減少刀轂與刀圈之間的過盈，降低刀圈自身的應力；

2）規范軌道的裝配質量，最大程度減少滾刀裝配出現額外扭矩的現象，進一步保證滾刀刀筒密封性的有效性；

3）將后置刀筒與前置刀筒結構混合使用，提高整刀剛性，避免滾刀出現異常損壞；

4）改進滾刀暗轉步驟規程，加強螺栓安裝質量的控制；

5）調整掘進參數，穩定掘進速度，并適當縮短滾刀的檢查周期，確保滾刀的正常運行。

3 大直徑泥水盾構常壓刀盤滾刀刀筒設計及適應性分析

3.1 常壓滾刀刀筒前置與后置的區別

針對上述滾刀出現非正常損壞的情況的原因分析及措施建議，研究對傳統后置刀筒進行改進，得到新型前裝式刀筒及滾刀，并根據前置與后者刀筒兩者的特點在隧道掘進過程中混合使用。項目使用泥水平衡盾構常壓刀盤時，滾刀安裝形式一般為后裝式單刀筒雙滾刀形式。但這種后裝式的刀筒和端蓋式的滾刀存在很多不足。其刀架和滾刀的制造難度較高，且維護成本并不低。此外，刀架安裝面在多次使用之后，容易出現壓潰現象，這導致滾刀的安裝并不夠牢靠。滾刀上的安裝面容易壓潰，進而導致滾刀松動，產生不必要的振動，直接導致滾刀在施工中極易出現異常損壞。固定刀座的螺栓以及固定滾刀的螺栓出現松動或者斷裂的情況頻發。刀筒及刀座強度較低，抗沖擊韌性低，容易出現磨損。且后置滾刀整體的剛性交叉，單刀受力較大時，整體極易出現變形，在較硬土層中破巖效果較差。后置式常壓滾刀刀筒結構受力示意如圖1 所示。

圖1 后置式常壓滾刀刀筒結構受力情況

改進后的前置刀筒使用99600 軸承，以增加滾刀承載力。且后置刀具只有刀圈與開挖面接觸，刀圈磨損較大，擋圈因刀筒積渣會造成二次磨損。改進后的前置刀筒刀軸強度由于選用999600 軸承得到增強，該軸承內孔直徑較大，能夠增大滾刀的刀軸直徑，將原滾刀受力薄弱處進行優化，增加了刀具剛性。前置刀筒設計很好地解決了刀座壓潰問題，并將螺栓受力松斷問題進行解決。此外，前置刀筒對刀筒材料以及熱處理工藝進行工藝優化，并在楔塊上設置了開口安全銷以及油壓監測孔，防止滾刀脫落并及時檢測滾刀的松動情況。

3.2 新型滾刀刀筒適應性分析

盾構在孤石或基巖等復合地層中進行施工時，在破巖過程中，滾刀與巖石之間產生相互作用，使滾刀刀具集成具有較為明顯的振動現象。而刀筒作為滾刀的承載體，這種振動將直接由滾刀傳遞到刀筒以及連接螺栓承接。為避免施工時出現螺栓斷裂、刀筒變形等問題，研究通過改變螺栓和滾刀的安裝方向，并將滾刀承載方式調整為C 形塊。從而實現對常壓刀筒結構的優化設計，得到新型前置滾刀刀筒。前置滾刀刀筒結構形式如圖2 所示。

圖2 前置滾刀刀筒結構設計

根據盤形滾刀張拉破壞的破巖機制，對刀具的受力情況進行分析。發現在實際開挖過程中，滾刀傳遞的作用力最終都由刀筒承接，避免了連接螺栓因振動和承受拉力而發生脫落、斷裂的風險。

由于振型階數越高，阻尼造成的衰減就越快，因此，在結構動力學的設計中，需要較多關注地接模態特性。通過計算分析可知，刀盤在實際開挖過程中，頻率難以達到刀筒的共振頻率。這表明刀筒不會因為振動發生失效，結構設計合理。

為進一步檢驗刀筒的諧響應振動特性，本研究在不同振動頻率情況下檢測刀筒邊緣區域的振動響應。通過分析結果可知，當刀盤振動頻率超過500 Hz 時，刀筒將發生共振。而在實際應用中，刀盤的振動頻率為0～100 Hz，因此，在實際的隧道掘進工作中，刀筒不會發生共振實效現象。且在實際頻率下，振動的位移幅值僅為0.01 mm，對位移影響極小，可忽略不計。由此可以看出，新型刀筒在正在工作時受振動影響較小，幾乎沒有變形。

3.3 新型刀筒結構的地層適應性分析

3.3.1 項目土層結構下新型刀筒優勢分析

項目地層比較復雜，全斷面巖層長度約為整條隧道的80%。在盾構掘進過程中存在破巖效率低以及刀具消耗大的問題。且區域內構造處于斷裂帶，場地內的巖土裂隙發育，巖體較破碎，且風化帶厚大，基巖面起伏較大。地層的穩定性很低。這種地層情況在使用盾構機掘進時，極易產生進渣不暢的問題，進而引起刀盤滯渣，刀筒積渣的問題。此外，隧道穿越地層主要為巖層，刀具磨損嚴重。而針對這些問題，前置刀筒優化了原有刀具工藝，提高了其耐磨性和剛性，在實際應用中其刀具異常損壞現象大大減少，減少了刀具的更換數量。經過適應性分析之后可知，前置刀筒結構較后置刀筒結構更適用于較為復雜的復合地層中。

3.3.2 大直徑泥水盾構常壓滾刀前置刀筒與巖石強度關系

研究所設計的新型刀筒結構的螺栓受力大小排序為：內外刀筒法蘭面連接螺栓受力＜刀箱螺栓受力＜前置刀具螺栓受力。經過多次實踐分析得到，當巖石強度超過60 MPa 時，此時刀具受力過大，內外刀筒法蘭面連接螺栓及刀箱螺栓處易出現螺栓松動，進而致使刀筒斷裂及螺栓、法蘭面漏漿。此時常壓滾刀前置刀筒的設計較常規刀筒結構的性能優勢開始逐漸降低，甚至失去相應的優勢。故在進行施工過程中，應考慮地層巖石的強度，當強度過大時，可考慮使用成本更低的刀具掘進土層。

4 大直徑泥水盾構常壓滾刀前置刀筒實際掘進效果分析

實驗選擇總推力、刀盤扭矩、掘進速度對掘進效果進行分析。利用所設計的前置刀筒進行掘進，并對掘進結果進行記錄，其中，左線1～191 環、右線1～157 環。具體結果如圖3所示。

圖3 大直徑泥水盾構常壓刀盤實際掘進效果對比圖

由圖3a 中可以看出，左線、右線掘進時，總推力控制在660.20～1 503.48 kN、723.75～1 702.13 kN，其波動范圍一直在技術性能的適用范圍之內波動。

圖3b 中，左右線平均掘進速度為42 mm/min，具有較高的掘進速度，刀盤與地質條件具有較好的適應性。

圖3c 中，刀盤裝備的扭矩為9 859.02 kN·m，在左右線掘進過程中產生的扭矩一直處于該曲線之下波動。左線掘進時的扭矩最大為1 607 kN·m，右線掘進時的扭矩最大為1 120.59 kN·m。兩者的扭矩波動皆小于裝備扭矩，并未超出技術性能的適用范圍。

綜合分析可知，研究所使用的利用前置刀筒的盾構機具有較高的掘進速度，且各刀具之間受力均衡，刀具布置較為合理，且與地質條件具有良好的適用性。

5 結論

本研究對常壓滾刀的適用性以及前置后置刀筒的性能及適應性進行對比分析，取得了以下結論：

1）針對地質結構較為復雜的復合地層，研究所設計的新型前置刀筒具有更為優良的使用效果，能夠有效降低刀具異常損壞情況的發生頻率，并減少在掘進過程中的刀具更換數量，控制施工成本；

2）滾刀的類型需要根據地層結構進行對應的選擇，保證在工程施工過程中得到最好的破巖效果；

3）在進行掘進參數分析時，使用前置滾刀刀筒的盾構機各項性能均在技術性能范圍之內，具有較好的適應性；

4）新型刀筒及滾刀使用了高硬度和高耐磨性的刀架和刀筒，有效提高了刀架的使用壽命，并減少了安裝面的壓潰情況；

5）當掘進過程中巖石強度超過60 MPa 時，新型刀筒結構的適應性優勢逐漸開始降低，甚至失去優勢。故在施工過程中需要結合土層強度選擇更加適合的刀筒結構。