復合地層隧道掘進施工的盾構刀具磨損控制技術

吳沫橋

摘要：簡述目前有關盾構刀具磨損的研究情況，分析盾構刀具切削和磨損機理，基于穩定掘進面土體、采用雙液漿加固土體、適時改良渣土性能、合規操縱盾構機施工、合理控制掘進參數和提高刀具耐磨性能等措施，闡述盾構刀具磨損控制技術，通過地鐵盾構工程實例驗證了該技術的有效性。

關鍵詞：復合地層；盾構施工；刀具磨損；控制技術

0? ?引言

在地鐵和公路隧道工程施工中，盾構技術已成為一種成熟且廣泛應用的隧道施工方法[1]。在盾構施工中，難免會遇到復合地層。例如盾構段下部是高硬度巖石層，而其上部則覆蓋了粉質沙層。在這種工況下進行盾構施工，隧道的設計軸線容易發生偏移，造成盾構掘進不穩定，導致盾構土體發生沉降。

在復合地層進行盾構施工，還會加劇盾構機刀具的磨損，為此需要深入研究在復合地層進行盾構施工刀具磨損的控制問題。

1? ?盾構刀具磨損研究情況

目前國內對盾構機施工中刀具磨損問題的研究仍然不多。樊翔翔等[2]基于小波時頻來監測刀具磨損情況，并對刀具磨損參數與掘進距離之間的關系進行統計分析，同時以某隧道為例，研究了減少各種儀器使用的方法。

孫鵬飛等[3]收集了不同地質情況下的刀具組合方案，探索了挖掘隧道過程中的各種參數和系數，提出了在砂和石地層隧道中更換刀具的原則。劉浩等[4]利用PFC三維離散元軟件，對切割頭結構的優化和地壓平衡儀的應力與涂層進行了研究，提出了一種基于離散單元法的土壓力控制方法，并在富砂地層和砂石地層中進行了隧道掘的質量和定量分析。EDEM（離散元素法建模）軟件也被用于研究隧道防護設備在不同類型斷面和土壤覆蓋下的使用特性。

總體來看，上述研究對盾構機刀具磨損的適用性仍顯不足。基于此，本文結合佛山市城市軌道交通3號線太平站至興業路站隧道盾構工程施工實際，詳細論述了復合地層隧道掘進施工的盾構刀具磨損控制技術。

2? ?盾構刀具切削和磨損機理

2.1? ?盾構刀具切削機理

盾構機在隧道掘進過程中，其刀盤上安裝的盾構刀具至關重要。盾構刀具主要分為滾壓刀具和切割刀具兩種，這些刀具主要用于破碎和切割刀盤前方的巖土，特別適用于破碎和切割固體巖石。

在盾構機操作人員操作下，通過盾體推進和刀盤滾動，滾壓刀具上的滾輪將石塊壓縮成盤狀，從而有效消除刀盤前面遇到的堅硬巖石[5]。

當施加在石頭上的力超過其強度時，石頭會在中心圓形區域形成斷裂，并隨著刀具的繼續切割而被剝離。在切割刀具刃腳的切削作用下，切削層的土體沿刀刃方向產生分離。

2.2? ?盾構刀具磨損機理

在選擇盾構施工刀具時，主要依據是所面對的土體類型。在切割軟土和粘土層時，通常選用滾動切割刀具；在切割堅硬巖石層時，則選用滾刀；在切割砂層時，則配備大型滾刀。刀具的磨損機理可分為粘著、磨料、疲勞、化學和微動磨損等5類，如表1所示。

3? ?盾構刀具磨損控制技術

3.1? ?穩定掘進面土體

通過穩定掘進面土體，可有效解決盾構施工中刀具磨損問題。可采用氣壓法增加盾構掘進面的氣壓，以穩定被切削的土體。也可采用土體加固法改善被切削土體的松散狀況。

相關研究表明，復合地層上部土體的穩定性較差。當盾構掘進面與地面之間存在泄壓通道時，可通過額外大氣壓方法穩定盾構機刀盤前方土體。為了應對刀具磨損的不可預測性，在盾構刀具處安裝隔離板，可有效隔離或減少盾構刀具與掘進面泥土的直接摩擦。為了確保盾構施工順利進行且不影響盾構隧道的穩定性，應選用適當的填充處理材料[6]。

3.2? ?采用雙液漿加固土體

以水泥和水玻璃為主、添加水，必要時添加附加劑，按照一定配合比制成的雙液漿，在隧道盾構掘進施工過程中，可用于加固隧道上方的土體。采用雙液漿加固隧道上方土體，可有效控制雙液漿在土體中的化學膠凝與物理膠凝時間，有效控制盾構機掘進過程中的地面沉降，大幅度提高隧道的穩定性和防水性能，顯著提高隧道上方土體的穩定性和強度。

同時可在不超過盾構施工對土體的允許值前提下，有效減少土體對盾構機及其刀盤的壓力和摩擦力，利于刀具對土體的切削，減少土體對刀具的磨損。雙液漿加固區縱剖面如圖1所示。

3.3? ?及時入艙清理和維修

進入土艙之前，首先打開艙門檢查艙內的空氣質量，確保不存在有害氣體、空氣質量安全后，施工、技術人員方可進入土艙。施工人員進入土艙后，清理土艙內的石塊，特別要清理輸送帶入口處的石塊。

技術人員要檢查刀盤、刀具的完好狀態，記錄刀具磨損情況、損壞數量等信息，確定需要更換的刀具型號和數量并進行刀具更換。更換刀具時，注意刀具磨損的平衡性，不要一次性更換多個刀具，以避免不必要的浪費。

在開艙在檢查過程中，技術人員若發現監測儀器參數不符合規定值，應對儀器進行必要的檢查和調整，以確保其所有參數符合設計要求，從而確保盾構機的正常掘進施工。

3.4? ?適時改良渣土性能

在盾構機掘進復合地層之前，操作人員應采取措施，選用種類合適、注入方式合理、注入量充足的添加劑，改良渣土的性能，增強渣土的流動性。

例如可將適量的泡沫劑等切削液添加到渣土中，以便在硬巖地段掘進時減少刀具摩擦阻力，在軟巖地段掘進時防止或減少刀盤因渣土高溫導致其結出泥餅、刀具被堵塞問題。

3.5? ?合規操縱盾構機施工

為確保復合地層隧道掘進施工的有效進行，操作人員必須嚴格遵守設計要求，精確控制盾構機施工進程，確保盾構機平穩掘進、緩慢切削。將盾構機掘進速度控制在3～10mm/min的范圍之內，以保持切削巖土的穩定性和準確性。在施工過程中密切關注刀盤運行參數，一旦發現異常應及時調整或停機檢查，確保所有參數符合規定值。

3.6? ?合理控制掘進參數

為了優化盾構機施工效果和減少刀具磨損，需要合理控制掘進參數。這些掘進參數包括盾構機推力、推進速度、刀盤轉速、刀盤扭矩等。

根據實踐經驗，盾構刀盤的轉速應保持在1r/min，該轉速不僅可有效降低刀具的應力，延長其使用壽命，還可以優化單次切削深度，提高掘進效率。

3.7? ?提高刀具耐磨性能

在復合地層盾構施工時，為了增強盾構刀具在不同地質條件下的耐磨性，可應用新型刀具替代傳統刀具。例如選用新型高硬度高耐磨性涂層刀具，可有效減少刀具的磨粒磨損，延長刀具使用壽命。

4? ?基于實際工程的實驗論證

為驗證本文所述復合地層隧道掘進施工的盾構機刀具磨損控制技術的有效性，設置傳統方法1和傳統方法2作為對照組，進行對比實驗。

4.1? ?工程概況

本實驗以佛山市城市軌道交通3號線太平站至興業路站區間隧道盾構工程施工為研究對象。該區間沿線構筑物種類繁多，包括霍燦廠區橋梁工程、興業路箱涵橋工程、東南一號泵站、塘頭科技園、長風皮長橋、豪皮廠橋和科技大道箱涵等多個工程項目。

在掘進過程中，盾構機需穿越全風化紅層碎屑巖、強風化泥巖、強風化泥質粉細砂巖、強風化中粗砂巖、中風化泥巖、中風化粉細砂巖、中風化中粗砂巖、微風化粉砂巖等。在這些地層中，泥質粉砂巖和中粗砂巖地層的磨損系數較高，對盾構刀具的耐磨性提出了更高要求。

4.2? ?對比實驗

為了驗證本文提出的復合地層隧道掘進施工的盾構刀具磨損控制技術的有效性，進行了三種方法的對比實驗。

實驗中，收集了33次開艙監測的數據，并將這些數據與傳統方法1和傳統方法2的實驗結果進行了對比。3種不同方法的刀具最大磨損量如表2所示。

4.3? ?實驗結果

從表2可知，與傳統方法1和傳統方法2相比，本文研究的方法在控制刀具磨損方面取得了顯著的效果，盾構機3種刀具的平均最大磨損量分別減少了26.6mm、21.6mm和20.7mm。實驗結果表明，使用本文研究的方法能夠更有效控制盾構刀具的磨損，延長刀具的使用壽命，提高盾構掘進施工效率。

5? ?結束語

總之，盡管在隧道施工過程中盾構機刀具的磨損問題難以免，但是通過采取適當的優化和改進措施，可以有效控制刀具磨損程度。

本文結合隧道盾構工程施工實例，詳細探討了復合地層隧道掘進施工的盾構刀具磨損控制技術，旨在為類似工程提供有價值的參考和借鑒。

參考文獻

[1] 何洋，侯歡，許立建，等.地鐵工程大直徑土壓式平衡盾構機力學計算及機械選型研究[J].建筑技術，2023，54（15）：1822-1826.

[2] 樊翔翔，項載毓，孫瑞雪，等.基于小波時頻分析和Inception-BiGRU模型的盾構滾刀偏磨故障診斷[J].振動與沖擊，2023，42（15）：232-240.

[3] 孫鵬飛，尹鵬，劉宏磊，等.一種高比剛度盾構機刀盤面板結構拓撲重構設計[J].西安交通大學學報，2023，57（6）：86-94.

[4] 劉浩，許宇，李興高，等.盾構切削混凝土刮刀受力和磨損的離散元數值模擬研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2023，50（1）：208-218.

[5] 曾垂剛，陳瑞祥，楊振興，等.盾構直接掘進含孤石地層的刀盤刀具振動相似模型試驗[J].施工技術（中英文），2022，51（19）：57-61.

[6] 姜曉彤，馮聰聰，張倩.基于濟南地形的土壓平衡盾構機的針對性設計[J].現代制造技術與裝備，2022，58（8）：53-57.