馮淑芳,洪甘霖（.沈陽(yáng)軍區(qū)工程科研所，沈陽(yáng)06;.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,武漢43000）

泥水盾構(gòu)刀具磨損機(jī)理分析

馮淑芳1,洪甘霖2
（1.沈陽(yáng)軍區(qū)工程科研所，沈陽(yáng)110162;2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,武漢430010）

隨著城市地下空間開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的持續(xù)加大，泥水盾構(gòu)法因其適應(yīng)性強(qiáng)、施工質(zhì)量好和對(duì)環(huán)境干擾小等諸多優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用，但其刀具磨損已成為制約復(fù)雜地層掘進(jìn)的重要問(wèn)題。論文分析了泥水盾構(gòu)切刀的基本切削過(guò)程和泥水盾構(gòu)切刀磨損與地層的特性關(guān)系，闡述了不同地層切刀的磨損機(jī)理，對(duì)不同地層掘進(jìn)時(shí)切刀選擇和掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)置提出了建議?！続bstract】Along w ith the increasing intensity of underground space exploring,tunneling by slurry shield machine is widely used because of its advantages such as adaptability to complex geological conditions,good construction quality and little impact on environment.The cutter wearing has become one of the most important problems which seriously restrict the tunneling in complex formation.In thispaper,thecutting processofslurry shieldmachine isanalyzed,and the relationship betweenwearing characteristics and formation types is established.The wearing mechanisms of cutter in different formations are discussed and suggestions are proposed fortheselectingofcutterandsettingoftunnelingparameters.

泥水盾構(gòu)；刀具；磨損機(jī)理；地層

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.040

1　引言

我國(guó)自20世紀(jì)90年代起開(kāi)始采用盾構(gòu)法修建各類隧道。泥水盾構(gòu)施工優(yōu)質(zhì)高效、安全可靠，對(duì)周邊環(huán)境干擾小，適合于在高水壓、高滲透、淺覆蓋及不穩(wěn)定地層等復(fù)雜地質(zhì)條件區(qū)域施工，使用日漸增多[1]。泥水盾構(gòu)需長(zhǎng)距離掘進(jìn)，且換刀條件差，刀具磨損問(wèn)題已經(jīng)成為大直徑盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中面臨的突出問(wèn)題。因此，研究大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中刀具磨損問(wèn)題，以減小盾構(gòu)刀具磨損，避免因刀具磨損失效帶來(lái)的事故，有利于確保盾構(gòu)隧道工程經(jīng)濟(jì)、安全、高效、順利的完成。

2　切刀的基本切削過(guò)程

泥水盾構(gòu)切刀的基本切削過(guò)程是：隨著盾構(gòu)的推進(jìn)和刀盤的旋轉(zhuǎn)，切刀逐漸插入泥膜，開(kāi)挖面被切削土體在刀刃及前刀面的雙重作用下，發(fā)生變形并承受較高應(yīng)力，一旦應(yīng)力值超過(guò)土體本身的強(qiáng)度，該部分土體將在刀刃附近與原土體分離，并在切刀繼續(xù)切削的過(guò)程中因前刀面的導(dǎo)流作用從原土體脫離開(kāi)來(lái)，成為切屑，進(jìn)入泥水盾構(gòu)刀盤前部的泥漿之中。切刀的切削過(guò)程示意圖見(jiàn)圖1。

圖1　切刀切削過(guò)程示意圖

切刀切削土體過(guò)程中，被切削土體產(chǎn)生的變形可以大致區(qū)分為3個(gè)變形區(qū)[2]，如圖2所示。變形區(qū)I是切刀刀刃及后刀面部分隨著盾構(gòu)的推進(jìn)和刀盤的旋轉(zhuǎn)對(duì)土體產(chǎn)生擠壓作用造成的變形區(qū)。變形區(qū)II主要是前刀面前部的土體由于切刀切削時(shí)前刀面對(duì)被切削土體產(chǎn)生的外推的作用而造成的剪切變形區(qū)。變形區(qū)III是隨著切削的進(jìn)行，被切削脫離原土體的切屑向外流動(dòng)時(shí)與切刀前刀面之間產(chǎn)生擠壓而造成的變形。

圖2　切削區(qū)土體變形示意圖

從切刀切削土體的過(guò)程來(lái)看，土體對(duì)切刀的磨損可以區(qū)分為兩個(gè)類型：第一類是切刀切削土體時(shí)刀刃部分與被切削土體直接接觸、摩擦而使得刀刃變短變平的磨損，這類磨損的持續(xù)進(jìn)行將對(duì)刀刃的切削效果產(chǎn)生直接影響，稱為一次磨損。第二類為被切削下的土體，即渣土，流動(dòng)離開(kāi)被切削地層時(shí)對(duì)刀具的磨損，稱為二次磨損[3]。

切刀切削土體時(shí)，被切削土體的破壞是由土體中剪應(yīng)力超過(guò)土體強(qiáng)度極限造成的，土體沿最大剪應(yīng)力面發(fā)生破壞。對(duì)被切削脫離的土體及刀具進(jìn)行受力分析，可以發(fā)現(xiàn)刀具的磨損受土體物理性質(zhì)、刀盤旋轉(zhuǎn)速度、刀具切削時(shí)的切深影響很大。

當(dāng)泥水盾構(gòu)的切刀刀刃磨損后，刀刃倒角變大，摩擦加劇，致使切刀切削時(shí)的阻力增大。切刀的刀刃磨鈍之后，刀具磨損面與所切削土體之間的擠壓力增大，刀具磨損面與被切削土體間的摩擦力也會(huì)增大，從而導(dǎo)致刀具磨損速度的加快。

3　泥水盾構(gòu)切刀磨損與地層特性關(guān)系

切刀切削不同土體時(shí)，切削狀態(tài)是不一樣的，切削產(chǎn)生的渣土形態(tài)及其流動(dòng)方式均不相同，與地層性質(zhì)、刀具參數(shù)（前、后角）、切削速度及切削深度等有關(guān)。刀具開(kāi)挖土體時(shí)產(chǎn)生的渣土流動(dòng)形式主要有4種，如圖3所示[4]。

對(duì)淤泥、富水黏土、粉土以及粉細(xì)砂地層而言，非常適合采用泥水盾構(gòu)施工。此類地層的特點(diǎn)是土體強(qiáng)度較低，切刀切削土體時(shí)，被切削土體在刀刃進(jìn)給的作用下發(fā)生較為連續(xù)的剪切變形，切削下來(lái)的渣土沿著切刀前刀面向外流動(dòng)，即為流水型切削。這種情況下，切刀所受的切削阻力較小而且較為穩(wěn)定，切刀的磨損主要表現(xiàn)為正常磨損，一般不容易發(fā)生崩刃等現(xiàn)象，切刀可以使用較長(zhǎng)的距離。

圖3　渣土流動(dòng)形式

當(dāng)泥水盾構(gòu)在強(qiáng)度比較高的黏土、粉土地層掘進(jìn)切削時(shí)，主要發(fā)生剪切型的切削。切刀切削土體時(shí)，土體產(chǎn)生壓縮變形，當(dāng)土體所受剪應(yīng)力超過(guò)承受極限時(shí)，土體會(huì)在以刀刃為起點(diǎn)的某個(gè)斜面產(chǎn)生剪切破壞，導(dǎo)致土體從被切削地層脫落。

當(dāng)泥水盾構(gòu)在高強(qiáng)度、低含水量的黏土、粉土地層或者高膠結(jié)強(qiáng)度、填充密實(shí)的礫砂地層掘進(jìn)切削時(shí)，由于土體自身強(qiáng)度較高，被切削土體在切刀的擠壓作用下先產(chǎn)生壓縮變形，但并不立即發(fā)生破裂，仍然維持相對(duì)完整的形狀，當(dāng)被切削土體所受應(yīng)力隨著切刀的繼續(xù)切削而超過(guò)土體自身強(qiáng)度時(shí)，裂紋產(chǎn)生在刀刃處，被切削土體隨即破壞。斷裂型切削實(shí)際上是剪切型切削的特殊形態(tài)，不同之處在于斷裂型切削產(chǎn)生的土渣較剪切型切削的更小。

當(dāng)泥水盾構(gòu)在普通礫砂及砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，由于土體顆粒的粒徑較大，而粘聚力較小，切刀切削時(shí)所起的作用并非切削，而是松動(dòng)地層，從土體中把礫石、卵石等的大顆粒剝離出來(lái)，也即切刀在該地層主要發(fā)生剝離性切削。

四是力圖貼近當(dāng)代中小學(xué)生的語(yǔ)文生活，體現(xiàn)時(shí)代性。比如，體現(xiàn)在七年級(jí)上冊(cè)教材中，課文的選擇在體現(xiàn)作家作品、文章風(fēng)格方面，就非常豐富且視野更加開(kāi)闊。全面的中國(guó)風(fēng)采以及部分優(yōu)秀外國(guó)作家的作品等，共同對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)以及良好的語(yǔ)文素養(yǎng)的養(yǎng)成，都起到了非常積極的促進(jìn)作用；并且，在實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的三維教學(xué)目標(biāo)之“情感態(tài)度與價(jià)值觀”目標(biāo)過(guò)程中，也更加易于操作和對(duì)學(xué)生產(chǎn)生積極的影響，從而實(shí)現(xiàn)新教材的通過(guò)文本閱讀對(duì)學(xué)生思想產(chǎn)生“有機(jī)滲透”以“立德樹(shù)人”的目標(biāo)。

被切削土體的破壞形態(tài)及切削下來(lái)的土渣的流動(dòng)形式與土體發(fā)生破壞時(shí)的受力狀態(tài)有關(guān)。流水型切削、剪切型切削、斷裂型切削中被切削土體破壞是由剪切變形導(dǎo)致的塑性破壞，而在剝落型切削中，拉伸變形是導(dǎo)致被切削土體發(fā)生脆性破壞的主因。土屑流動(dòng)形態(tài)受切削土體參數(shù)、切削速度和切深等因素的影響，因此，在同一地層切削時(shí)，不同的掘進(jìn)參數(shù)、不同的刀具參數(shù)會(huì)改變切刀切削時(shí)渣土的流動(dòng)方式。

4　不同地層條件下刀具的磨損機(jī)理

切刀切削時(shí)，土體中的硬質(zhì)顆粒使切刀刀刃逐漸損耗，導(dǎo)致切刀磨損，隨著切削的進(jìn)行，磨損愈加嚴(yán)重，切刀的刀刃慢慢被磨平，如果切削繼續(xù)進(jìn)行，則會(huì)進(jìn)一步磨損刀體。這樣的磨損是切刀在切削中最常見(jiàn)的磨損狀態(tài)，稱之為正常磨損。工程實(shí)踐證明，一般情況下切刀的正常磨損較慢。

當(dāng)泥水盾構(gòu)在淤泥、黏土、粉土等地層中掘進(jìn)時(shí)，以流水型、剪切型切削為主，刀刃通常為正常磨損，后刀面的磨損也很輕微，在此類地層掘進(jìn)時(shí)，刀具可采用大前角、小后角的設(shè)計(jì)，并在切削中采用較高的刀盤轉(zhuǎn)速，這樣既可以減小推進(jìn)阻力又能降低推進(jìn)扭矩，從而提高了掘進(jìn)效率。

切刀在粉細(xì)砂地層切削時(shí)，刀具的磨損同樣主要為正常磨損，但該類地層中石英等硬質(zhì)顆粒含量高，在切刀后角比較小的情況下，切屑的流動(dòng)會(huì)對(duì)后刀面造成較為嚴(yán)重的磨損，即二次磨損（見(jiàn)圖4）。在此類地層掘進(jìn)時(shí)，切刀的后角要比在淤泥、黏土、粉土地層切削時(shí)取得更大。

當(dāng)泥水盾構(gòu)在礫砂及砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，對(duì)刀具的磨損十分嚴(yán)重[5]。此類地層中，不但切刀的正常磨損速度很塊，而且后刀面的磨損速度也遠(yuǎn)大于在前述兩類地層中掘進(jìn)時(shí)的情況。當(dāng)后刀面被磨損到一定程度是，會(huì)造成刀刃與刀體的連結(jié)強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致刀刃的脫落。切刀在此類地層工作，面臨的另一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題是刀具極易出現(xiàn)刀刃崩裂的現(xiàn)象。由于此類地層中硬質(zhì)顆粒的體積大、強(qiáng)度高，切刀切削時(shí)對(duì)刀刃的沖擊較大，加之本地的以剝落型切削為主，被剝離的礫石、卵石不但會(huì)對(duì)刀具造成嚴(yán)重的二次磨損，而且它們被剝離原土體墜落的過(guò)程中有可能會(huì)撞擊其他刀具，容易導(dǎo)致其他刀具因沖擊而破壞（見(jiàn)圖5）。

圖4　切刀后刀面二次磨損

圖5　礫砂及砂卵石地層刀具磨損

切刀在此類地層中切削時(shí)，要適當(dāng)?shù)亟档偷侗P旋轉(zhuǎn)速度，盡量避免切刀以較高的速度切削地層時(shí)與地層中的礫石、卵石發(fā)生撞擊，同時(shí)，考慮到刀刃在該地層很容易與各種大體積硬質(zhì)顆粒相碰，切刀的刀刃要適當(dāng)鈍一些，以增強(qiáng)抗沖擊能力。

5　結(jié)語(yǔ)

切削不同地層時(shí)，盾構(gòu)刀具所用材料硬度及抗彎強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)有所選擇，刀具的參數(shù)及合金與刀體連結(jié)工藝也應(yīng)有所不同，以達(dá)到較好的切削效果，降低刀具磨損。在礫砂及砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，在滿足施工進(jìn)度要求時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度、錐入度都應(yīng)該盡量取小，以降低刀具磨損；為降低渣土對(duì)刀具二次磨損的同時(shí)防止泥漿中硬質(zhì)顆粒對(duì)刀具的二次磨損過(guò)大，泥漿密度要保持在一定的范圍內(nèi)。

【1】陳饋，洪開(kāi)榮，吳學(xué)松．盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2009．

【2】何倫.盾構(gòu)施工工藝及刀盤刀具切削機(jī)理的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2003．

【3】歐陽(yáng)濤.盾構(gòu)典型刀具組合破巖受力特性研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2011．

【4】黃清飛.砂卵石地層盾構(gòu)刀盤刀具與土相互作用及其選型設(shè)計(jì)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010．

【5】徐鵬程，張濤，鄭瑞兵.無(wú)水砂卵石地層盾構(gòu)刀具磨損狀態(tài)和規(guī)律的技術(shù)研究[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2012（2）：74-80．

Cutter Wearing Mechanism of Slurry ShieldMachine

FENGShu-fang1，HONGGan-lin2
(1.InstituteofEngineeringResearchandDesignofShenyangM ilitaryRegion,Shenyang110162，China；2.Changjiang InstituteofSurvey,Planning,DesignandResearch,Wuhan 430010，China)

slurryshieldmachine;cutter;wearingmechanisms;formation

U455.3+1

A

1007-9467（2016）11-0135-03

馮淑芳（1981～），女，山東濟(jì)南人，工程師，從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與研究。

2016-05-26