王樹華

(中鐵十三局集團有限公司，長春 130033)

0 引言

盾構(gòu)機在砂、卵石地層中施工磨損大一直是困擾盾構(gòu)施工的難題。由于磨損大需經(jīng)常進行刀盤、螺旋機的修理和刀具的更換，而砂、卵石地層的穩(wěn)定性差又制約著頻繁的刀具更換與修理，為解決這一難題對砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)機耐磨性及刀具適用性進行了研究。

有關(guān)盾構(gòu)機的耐磨性及刀具適用性的探索自盾構(gòu)機應(yīng)用于隧道施工就沒有停止過。如:文獻［1］對成都地鐵采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)刀盤刀具的耐磨性進行了研究;文獻［2］對適合成都砂卵石地層的土壓平衡盾構(gòu)機進行了探索;文獻［3］以成都地鐵一號線為例，對盾構(gòu)機進行刀盤選型及設(shè)計，并且對刀盤3種基本工況作了有限元分析，驗證了刀盤選型和設(shè)計理論的適用性;文獻［4］對北京鐵路地下直徑線泥水盾構(gòu)刀盤、刀具適應(yīng)性進行了分析。為解決成都砂、卵石地質(zhì)刀具、刀盤和螺旋輸送機磨損大等問題，本文就盾構(gòu)機的耐磨性和刀具的適用性進行了研究和實踐，特別提出了關(guān)于滾刀應(yīng)用在成都大粒徑砂、卵石地層中先行刀的作用，使得盾構(gòu)機具有更耐磨、更適用和更經(jīng)濟的特點。

1 成都砂、卵石地層盾構(gòu)施工的特點

1.1 卵礫石多、粒徑大、硬度高、強度大

成都地鐵盾構(gòu)隧道主要穿越砂、卵石地層，粒徑30～100 mm的卵石含量占65% ～75%，粒徑100～130 mm的約占10%。卵礫石硬，強度高，單軸抗壓強度可達150 MPa，最大可達到180 MPa。在盾構(gòu)掘進過程中，對盾構(gòu)刀盤、刀具、螺旋機等會產(chǎn)生較大的磨損與破壞。

1.2 流動性差、磨琢性大

砂、卵石流動性差，對刀具、刀盤和螺旋輸送機的磨琢性大。該地層和鋼鐵之間的摩擦因數(shù)一般都在0.4之上，最高可達0.7。盾構(gòu)機在掘進中渣土不易流進土倉，在土倉內(nèi)的渣土又不易排出，并造成推力和扭矩的增大和刀盤、刀具、螺旋輸送機磨損的增大。

1.3 砂、卵石地層富水、透氣性大、穩(wěn)定性差

成都地層富水，枯水期地下水埋深一般在3～5 m，豐水期一般在1～3 m。砂、卵石地層顆粒之間的空隙大、透氣性大，巖體松散，沒有黏聚力，卵石塊在地層中起骨架作用，刀盤旋轉(zhuǎn)切削時，極易破壞地層中原有的穩(wěn)定而產(chǎn)生坍塌，引起地層損失和圍巖擾動［5］。砂、卵石地層自穩(wěn)能力差，難以保住氣壓，給進倉作業(yè)造成困難。實際砂、卵石地層見圖1。

圖1 砂、卵石地層Fig.1 Sandy gravel stratum

2 砂、卵石地層盾構(gòu)施工存在的問題

2.1 刀具、刀盤和螺旋輸送機磨損嚴重

由于砂、卵石地層穩(wěn)定性差，盾構(gòu)施工需采用土壓平衡模式掘進。由于砂、卵石地層細顆粒含量少、透氣性好，塑流化改良效果差，很難實現(xiàn)氣壓模式掘進，為防止掌子面的坍塌，掘進中土倉內(nèi)堆積了大量砂、卵石，并包裹著刀盤及刀具。因砂、卵石的硬度高、磨琢性大，使刀具、刀盤和螺旋輸送機磨損嚴重，降低了刀盤、刀具和螺旋輸送機的使用壽命，使盾構(gòu)機需經(jīng)常修理刀盤、螺旋輸送機及更換刀具，不能長時間連續(xù)工作。在最初成都砂、卵石地層的盾構(gòu)施工中，各施工單位的盾構(gòu)刀盤、刀具、螺旋輸送機等都產(chǎn)生了較大的磨損與損壞，其中僅刀具消耗每延米就達7 000元左右。

2.2 刀具的更換及刀盤、螺旋機修理困難

成都的砂、卵石地層富水、穩(wěn)定性差，在常壓下掌子面不穩(wěn)定不適合開倉進行刀具的更換。由于地層卵礫石多、粒徑大、透氣性大，無法實現(xiàn)真正意義上的渣土改良;因地層漏氣嚴重，很難保住氣壓，難以實現(xiàn)在保壓條件下進倉進行刀具更換和刀盤、螺旋輸送機的修理，給正常和連續(xù)的盾構(gòu)施工造成困難。

3 盾構(gòu)機耐磨性及刀具適用性研究

3.1 問題的提出

針對砂、卵石地層盾構(gòu)施工中存在的刀具、刀盤、螺旋輸送機磨損嚴重以及刀具更換和刀盤、螺旋輸送機修理困難這些難題，為保證盾構(gòu)施工生產(chǎn)的正常有序進行和提高盾構(gòu)機的利用率，有必要對砂、卵石地層中盾構(gòu)施工耐磨性和刀具的適用性進行研究。

3.2 研究方向和著眼點

圍繞著磨損性大的刀具、刀盤和螺旋輸送機開展研究工作，從降低砂、卵石的磨琢性入手，加強易磨損部位的保護，選用適用性更強的刀具和保護措施，提高刀具、刀盤和螺旋輸送機的耐磨性和抗磨性，從而達到延長零部件使用壽命和提高盾構(gòu)機生產(chǎn)效率的目標(biāo)。

4 砂、卵石地層盾構(gòu)機的磨損分析

在砂卵石地層中盾構(gòu)機易磨損的部位主要是刀盤、螺旋輸送機和刀具。

4.1 刀盤的磨損

刀盤的磨損部位主要有:1)刀盤最外周靠近前盾切口處的一圈耐磨環(huán)的磨損。在刀盤旋轉(zhuǎn)過程中卡在刀盤邊緣耐磨環(huán)和前盾切口間的砂、卵石產(chǎn)生的擠壓和磨削磨損;2)刀盤面板的磨損。主要是刀盤上的刀具損壞后，砂、卵石直接與刀盤面板接觸造成的磨削磨損;3)刀座的磨損。刀具損壞后，缺少刀具保護的刀座直接與砂卵石地層接觸摩擦而產(chǎn)生的磨削磨損。這些磨損都是由于土倉中堆積大量砂、卵石，刀盤包裹在砂、卵石中，刀盤的邊緣、面板和刀座都直接與砂卵石接觸，刀盤在旋轉(zhuǎn)過程中使刀盤、刀具多次摩擦產(chǎn)生的磨削磨損。具體磨損情況見圖2—4。

4.2 刀具的磨損

盾構(gòu)機所用刀具主要有滾刀、切刀、刮刀和先行刀等。刀具的磨損主要就是滾刀、切刀、刮刀及先行刀的磨損。滾刀的磨損形式主要有正常磨損和弦磨，見圖5。滾刀弦磨的主要原因有:1)由于刀盤在旋轉(zhuǎn)過程中砂、卵石對刀體的磕碰和撞擊變形造成滾刀無法轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生弦磨;2)由于刀刃磨損過大無法及時檢查更換和掌子面不能提供足夠大的旋轉(zhuǎn)扭矩而產(chǎn)生弦磨。切刀、刮刀及先行刀的磨損主要是由于鑲嵌在刀體上的硬質(zhì)合金塊在刀盤旋轉(zhuǎn)過程中與砂卵石塊在碰撞及磨削過程中產(chǎn)生碎裂、脫落及磨損，見圖6。

圖6 刮刀、切刀及先行刀的磨損Fig.6 Wearing of scraper，cutting bit and advance cutter

4.3 螺旋輸送機的磨損

螺旋輸送機的磨損主要是螺旋筒體、螺旋軸上葉片和螺旋軸的磨損。螺旋輸送機的磨損主要是由砂卵石的粒徑大、磨琢性大和渣土的改良效果差造成的。螺旋軸及葉片磨損前后見圖7和圖8。

5 盾構(gòu)機耐磨性研究

5.1 預(yù)防磨損的措施

5.1.1 防護措施

1)刀盤、刀座的防護。刀盤面板的正反面采用耐磨堆焊和焊接耐磨板進行防護;2)刀盤外周的耐磨環(huán)、刮刀和切刀座采用耐磨焊條堆焊和保護性導(dǎo)流刀進行防護。如圖9中采用碳化鎢耐磨焊條或焊絲在刀盤面板及周邊堆焊的網(wǎng)格狀保護層。

5.1.2 減小和降低磨損的措施

對渣土進行改良［6］，提高渣土的流動性，減小渣土的摩擦因數(shù)。主要通過加入膨潤土和適當(dāng)加入泡沫，降低砂、卵石地層的摩擦因數(shù)，砂、卵石地層也可通過加水來提高渣土的流動性，降低和減少渣土對刀具、刀盤及螺旋輸送機的磨琢性從而達到減小磨損和提高使用壽命的目標(biāo)。

圖9 刀盤的防護Fig.9 Protection of cutter head

在實施中，盾構(gòu)機要配置泡沫注入系統(tǒng)和膨潤土注入系統(tǒng)。泡沫的注入以膨化渣土增加砂粒之間的流動性和增加砂粒之間的潤滑性為目標(biāo);膨潤土的注入以渣土的塑流化改良和增加砂粒之間的潤滑性為主。通過這2種方式的渣土改良提高渣土的流動性和降低渣土的磨琢性。

5.1.3 通過掘進參數(shù)的選擇與控制減小磨損

1)適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速和提高刀具的貫入度。刀具磨損量與刀盤轉(zhuǎn)數(shù)成正比，與掘進速度成反比。降低刀盤轉(zhuǎn)速和提高刀具的貫入度可減小刀具磨損量，從而增加掘進長度，相對延長刀具的使用壽命。

2)適時交替使用刀盤正、反轉(zhuǎn)，并盡可能使正、反方向切削刀的切削長度相同。盾構(gòu)刀具通常對稱設(shè)置，交替使用刀盤正、反轉(zhuǎn)可避免相鄰刀具的磨損量相差過大，同時充分利用刀具的切削能力。

3)在自立性好的地段可以適當(dāng)降低土壓。土壓控制值設(shè)定較高時，使刀具切削阻力增大，因而會加劇刀具磨損;在地面沉降滿足設(shè)計要求的前提下，選擇較小的土壓設(shè)定值，可減小刀具磨損，提高刀具耐用度。

5.2 提高耐磨性

5.2.1 刀具的耐磨性改進措施

滾刀采用厚刃刀圈和加厚的刀體，厚刃刀圈和加厚的刀體可提高滾刀的耐磨性和增強刀體的抗磕碰、防變形能力。滾刀刀刃由過去的刀刃頂部寬為19～21mm加寬到目前的23～25mm。加厚的單、雙刃滾刀見圖10。

圖10 加厚的單、雙刃滾刀Fig.10 Thickened single disc cutter and double disc cutter

切刀和刮刀采用加大尺寸的耐磨合金塊，以增強和提高刀具在砂、卵石地層中的抗磕碰能力和耐磨性。采用加大尺寸耐磨合金塊的切刀和刮刀如圖11和圖12所示。

圖11 改進前、后的切刀Fig.11 Cutting bit before and after optimization

5.2.2 刀盤及螺旋輸送機耐磨性的改進

刀盤邊緣采用鑲合金塊的耐磨環(huán)見圖13，對提高刀盤周圈的耐磨性、降低刀盤扭矩和改善盾構(gòu)機的掘進性能起到了重要作用;在易磨損的首段螺旋輸送機筒體內(nèi)鑲合金柱及耐磨板(見圖14)，在螺旋機軸上焊接大尺寸的合金塊(見圖15)，這些措施的實施提高了螺旋機的耐磨性，延長了螺旋機的使用壽命。

圖15 改進前、后的螺旋機軸上的合金塊Fig.15 Axis of screw conveyor before and after optimization

6 成都砂、卵石地層刀具適用性研究

6.1 成都砂、卵石地層適用的刀具

針對成都砂、卵石地層，采用什么樣的刀具更適合是值得進行研究和探討的。成都的砂、卵石地層不是硬巖地層，從理論上說只采用軟土刀具(如先行刀、切刀和刮刀)進行開挖就足夠了，但由于有較大粒徑的卵礫石和砂、卵石，地層具有較大的磨琢性，在實際的使用中證明滾刀是成都砂、卵石地層盾構(gòu)施工中不可缺少的刀具，且同其他軟土刀具相比具有更強的抗沖擊、耐磨和耐用的特性，并起到保護其他軟土刀具的作用，具有更好的適應(yīng)性。

滾刀具有突出的優(yōu)點。滾刀的轉(zhuǎn)動特性決定了滾刀具有柔中帶剛的開挖特性，不同于刀盤上安裝的固定式刀具，如切刀、刮刀和先行刀等軟土刀具，軟土刀具的開挖特性是完全憑借其自身的強度和剛度進行土體的切削，在砂、卵石地層中遇到大粒徑的砂、卵石會造成硬碰硬的對決，只能靠切削刀刃將石塊強行刮落或切碎或帶著石塊一起旋轉(zhuǎn)或啃刮著推頂開卵石塊;當(dāng)滾刀遇到大粒徑的卵礫石塊時，在固結(jié)性好的地層中，會憑借破硬巖的特性通過刀刃的滾動將卵礫石切碎，在固結(jié)性不好的地層中會憑借轉(zhuǎn)動特性將卵礫石塊頂進砂、卵石地層中或推離開滾刀刃的正面(推離開滾刀刃)。盾構(gòu)在砂、卵石地層施工中，滾刀主要克服的是滾動摩擦力，軟土刀具(切刀、刮刀和先行刀)主要克服的是滑動摩擦力。在遇到間斷的卵礫石時，滾刀的破硬巖特性決定了其抗沖擊和抗碰撞能力更強些，再加上滾刀的柔中帶剛的滾動特性決定了其較軟土刀具有更強的耐磕碰特性。

適用于成都砂、卵石地層的主要刀具除通用的邊刮刀、正面的切刀和先行刀外，還必須配置足夠數(shù)量破碎硬巖的滾刀，應(yīng)是滾刀、邊刮刀、正面切刀和適當(dāng)?shù)钠胀ㄏ刃械?如貝殼刀)的有機組合。

6.2 砂、卵石地層滾刀的應(yīng)用

6.2.1 在成都砂、卵石地層中滾刀的作用

滾刀的最初設(shè)計是用于破碎硬巖，但在砂、卵石地層中除破碎大粒徑卵礫石外，更是起到了超前先行刀的作用。滾刀的先行刀作用是:1)切割開掌子面上卵礫石地層間形成的骨架支撐，起松散地層的作用;2)理順刀盤前的卵礫石，表現(xiàn)為在滾刀滾過掌子面的過程中將橫亙在刀刃前的卵礫石或切碎或推向刀刃的兩側(cè)，使掌子面上的卵礫石被切割擠壓成沿刀盤旋轉(zhuǎn)方向的環(huán)狀排列狀態(tài)，使之排列有序。這2種作用為隨后進行的刮刀和切刀對掌子面的切割和刮削創(chuàng)造了條件，不僅減少了切割時的阻力矩，而且減小了無序排列的卵礫石對軟土刀具的沖擊，從而起到了保護軟土刀具和延長軟土刀具使用壽命的作用。

6.2.2 滾刀和普通先行刀相比具有的優(yōu)越性

滾刀的優(yōu)勢是滾動，在成都砂、卵石地層中滾刀的優(yōu)點是:1)減小摩擦阻力矩，同時減小對刀具的磨損，在磨琢性大的砂、卵石地層中滾刀與不能轉(zhuǎn)動的刮刀、切刀及普通的先行刀相比表現(xiàn)出更大的降低扭矩和提高耐磨性的優(yōu)勢，這如同在路面上滾動的車輪轉(zhuǎn)動力矩越小所受到的磨損越少;2)滾刀有比其他先行刀更好的抗沖擊和防碰撞的能力。由于成都較大粒徑砂、卵石的存在，盾構(gòu)機在掘進中大粒徑砂、卵石對刀盤及刀具的沖擊和碰撞不可避免，鑲有合金的其他刀具在大粒徑砂、卵石的沖擊和碰撞下極易造成損壞且伴隨著扭矩大的問題;而滾刀除對特大粒徑的卵礫石起切削破碎作用外，同時表現(xiàn)出了降扭和防碰撞的綜合性能。因此，滾刀較目前現(xiàn)有的其他形式的先行刀具有更好的適應(yīng)大粒徑砂、卵石地層的特性。

6.2.3 滾刀與刮刀和切刀的配合使用

滾刀先行對超大粒徑的卵礫石進行破碎，保護刮刀和切刀在不受卵礫石沖擊的條件下將渣土收進土倉中。降低了刮刀和切刀直接切割砂、卵石地層時的扭矩，而切刀與刮刀對渣土及時收進土倉也減輕了渣土對滾刀的包裹和擠壓，減小了滾刀的磨損和阻力。因此滾刀和刮刀、切刀的互相配合使用是一種優(yōu)勢互補的關(guān)系，滾刀和刮刀、切刀的配置關(guān)系最好是兩滾刀刃切割痕跡的中間正好配備有切刀或刮刀，且刀刃寬度最好是大于兩滾刀刃間距。

6.2.4 厚刃滾刀、雙刃滾刀和厚刀體的使用

厚刃滾刀、雙刃滾刀和厚刀體的使用，是為了提高滾刀的耐磨性，抗砂、卵石的沖擊性能和延長滾刀的使用壽命。雙刃滾刀具有適應(yīng)砂、卵石地層提供的啟動扭矩不足的作用，同時還具有保護刀體減小對砂、卵石沖擊和磨損的功能。從成都刀具的使用情況看，雙刃滾刀具有很大的優(yōu)越性，但在使用時應(yīng)注意以下問題:由于雙刃滾刀的刃間距僅100mm左右，在切削掌子面的過程中，貫入砂、卵石中的雙刃間塞滿卵石土，這樣雙刃滾刀就形成一個以2個刀刃間距寬為厚度的實體刃，當(dāng)盾構(gòu)機繼續(xù)向前切削掘進時就出現(xiàn)了過厚的刃切削時推力和扭矩過大的問題，造成滾刀和盾構(gòu)機長期工作在高負荷的狀態(tài)，降低了盾構(gòu)機的使用壽命和減少了滾刀的重復(fù)使用次數(shù)。因此，雙刃滾刀的使用要根據(jù)單刃滾刀的實際使用情況進行靈活調(diào)整，原則是:當(dāng)單刃滾刀不發(fā)生弦磨，刀體也不存在變形和過量磨損的情況下就不必選用雙刃滾刀而只選用單刃滾刀。厚刃滾刀的使用情況要比雙刃滾刀的使用情況好些，厚刃滾刀主要是起先行刀切割地層的作用，破碎大粒徑卵礫石的作用退居次要地位。由于刀刃加厚延長了滾刀的一次性使用時間，有利于盾構(gòu)機的長距離掘進，減少換刀次數(shù)。

7 耐磨性和刀具適用性研究總結(jié)

7.1 預(yù)防磨損的措施

1)刀盤的耐磨保護。刀盤切口處采用硬質(zhì)合金條耐磨環(huán);刀盤面板、刀座等采用耐磨堆焊和耐磨板進行保護，邊緣刀座采用導(dǎo)流刀進行保護。

2)螺旋葉片的耐磨保護。采用容易更換的耐磨保護板和選用大尺寸的螺旋輸送機耐磨保護塊。

3)掘進參數(shù)的選擇。刀盤轉(zhuǎn)速控制在1 r/min左右，刀具的貫入度控制在20mm以上;適時交替使用刀盤正、反轉(zhuǎn)，并盡可能使正、反方向切削刀的切削長度相同;在自立性好的地段可以采用欠土壓平衡模式。

7.2 提高耐磨性的措施

1)滾刀刀圈用高合金材料制造，刀刃加厚至24 mm，并采用深冷處理［7］，使刀刃具有較高的硬度和淬透深度。

2)滾刀刀轂采用加厚的高合金鋼制造，加厚的方式是將刀轂兩端的外徑控制在284～285 mm，通過熱處理使刀轂具有較高的硬度和剛性，使之具備較強的抗撞擊和抗磕碰的能力。

3)根據(jù)實際情況，在推力和扭矩不超負荷的條件下選用雙刃滾刀，可以有效地增加刀具的使用壽命。

4)在確保母體具有足夠強度和剛度的條件下，加大刮刀、切刀的硬質(zhì)合金塊的厚度，以增加刀具的抗磕碰和抗沖擊能力及耐磨性能。

5)加強刮刀刀座的耐磨合金保護，并增設(shè)耐磨合金的導(dǎo)流刀對刀座進行保護。

7.3 刀具的選用

1)滾刀的使用及其適用性。在砂卵石地層中必配滾刀，加厚刀刃并提高刀體的硬度和耐磨性;滾刀可完全替代先行刀，刃間距控制在100 mm［8］以內(nèi)。

2)切刀和刮刀的適用性。選用鑲嵌有耐磨合金塊的切刀與刮刀。

3)先行刀的選用。在泥土地層及砂土地層中可考慮使用普通的先行刀，但在砂、卵石地層應(yīng)優(yōu)先選用滾刀代替普通的先行刀。

7.4 實施效果

1)研究成果實施前在成都砂、卵石地層中盾構(gòu)機每延米刀具消耗達7 000元左右;成果實施后每延米刀具消耗降到5 000元左右，刀具消耗降低了約30%。

2)研究成果實施前盾構(gòu)機砂、卵石地層中一次性掘進長度在150～200 m就必須進行開倉檢查和更換刀具;研究成果實施后一次性掘進長度達到300 m以上。

8 結(jié)論與建議

1)在成都砂、卵石地層盾構(gòu)施工中通過對刀盤、刀具和螺旋輸送機采取預(yù)防磨損和提高耐磨性的措施并選用適合的刀具，就能實現(xiàn)盾構(gòu)施工的長距離掘進、減小磨損和降低消耗的目標(biāo)。

2)研究成果的實施主要是針對存在大于100 mm的大粒徑砂、卵石地層和面板型刀盤的盾構(gòu)機，對其他地層和非面板式刀盤的盾構(gòu)機則要結(jié)合實際進行靈活應(yīng)用。

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