楊俊哲（神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西榆林719315）

盾構(gòu)施工斜井刀具磨損速率影響因素研究

楊俊哲（神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西榆林719315）

神華神東補(bǔ)連塔煤礦2#輔運(yùn)平硐工程首次將盾構(gòu)工法應(yīng)用于煤礦斜井工程，本文介紹盾構(gòu)施工原理及其在隧道施工中的應(yīng)用情況，以盾構(gòu)掘進(jìn)過程刀具磨損速率為研究對象研究了盾構(gòu)刀具磨損損率的影響因素及影響規(guī)律：圍巖本身的物理特性，如巖石的強(qiáng)度、耐磨性等對盾構(gòu)刀具磨損速率的影響規(guī)律；盾構(gòu)運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行故障以及刀具材質(zhì)對盾構(gòu)刀具磨損速率的影響。通過對神華神東補(bǔ)連塔煤礦2#輔運(yùn)平硐工程盾構(gòu)施工過程中刀具磨損監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究分析，從工藝和設(shè)備的角度來探討如何確保盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀具的穩(wěn)定性，為盾構(gòu)施工工藝的優(yōu)化、盾構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及成本控制提供參考依據(jù)和更加可靠的保障。

盾構(gòu)；刀具；磨損速率；影響因素

1 引言

盾構(gòu)施工工藝因其掘進(jìn)速度快、環(huán)保效益好、綜合性能高等優(yōu)點(diǎn)在我國隧道施工行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。盾構(gòu)掘進(jìn)速率作為盾構(gòu)施工工藝綜合性能評價的唯一參數(shù)而備受關(guān)注。但由于刀具磨損速率導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)速率偏低的原因以及如何解決運(yùn)行中出現(xiàn)的這個問題一直沒有得到解決。

2 盾構(gòu)工藝的基本原理及應(yīng)用

盾構(gòu)本身是集氣、電、光、機(jī)為一體的復(fù)雜施工系統(tǒng)。盾構(gòu)工藝主要是利用盤形滾刀碎巖推進(jìn)，是一種集掘進(jìn)、出渣、支護(hù)為一體的流水線施工工藝，該工藝目前已經(jīng)在國內(nèi)隧道施工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 盾構(gòu)掘進(jìn)過程的基本原理

盾構(gòu)掘進(jìn)過程實際上就是巖石的破碎和推進(jìn)過程。在推力作用下，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，盤形滾刀緊壓巖石表面[1]。當(dāng)推力大于巖石的抗壓強(qiáng)度時，盤形滾刀直接貫入巖石，將滾刀下的巖石直接破碎，進(jìn)而在掌子面形成多道同心圓溝槽，隨著溝槽深度的增加，巖石表面的裂紋不斷加大，當(dāng)超過巖石的剪切和拉伸強(qiáng)度時，相鄰溝槽間的巖石成片狀脫落，從而達(dá)到碎巖掘進(jìn)的目的[2]。

2.2 盾構(gòu)工藝的應(yīng)用

目前國內(nèi)投入運(yùn)行的盾構(gòu)工藝系統(tǒng)主要由刀盤、盾體、輸送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、流體系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。其中根據(jù)不同的地質(zhì)情況需要對盾構(gòu)刀具布置進(jìn)行針對性設(shè)計[3]。

3 評價盾構(gòu)刀具磨損速率的主要參數(shù)

神華神東補(bǔ)連塔2#輔運(yùn)平硐工程首次將盾構(gòu)應(yīng)用于煤礦斜井施工，該工程穿過主要包括沉積砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等多個不良地質(zhì)層。通過管片支護(hù)與盾構(gòu)掘進(jìn)相結(jié)合的方式形成為6.6m的輔助運(yùn)輸通道。刀具單周磨損量作為評價盾構(gòu)刀具磨損速率的一個重要參數(shù)，然而盾構(gòu)刀具磨損速率的監(jiān)測與預(yù)控直接影響盾構(gòu)掘進(jìn)的速率與穩(wěn)定性。因此，可以根據(jù)刀具單周磨損量的大小來評價盾構(gòu)刀具的磨損速率[4]。

4 影響盾構(gòu)刀具磨損速率的主要因素

盾構(gòu)刀具磨損速率受多種因素的影響。圍巖本身的物理特性、盾構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)行和工藝參數(shù)都會對盾構(gòu)掘進(jìn)速率造成較大的影響[5]。

4.1 圍巖本身的物理特性

圍巖本身的物理特性決定了盾構(gòu)刀具磨損速率的大小。對內(nèi)蒙神華神東補(bǔ)連塔項目盾構(gòu)運(yùn)行工況的研究表明，影響盾構(gòu)刀具磨損速率的主要物理特性包括：圍巖強(qiáng)度、耐磨性等，這些都是都是盾構(gòu)施工工藝中應(yīng)該掌握的重要參數(shù)。

4.1.1 圍巖強(qiáng)度

盾構(gòu)是利用巖石的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度明顯小于抗壓強(qiáng)度這一特征而設(shè)計的，抗壓強(qiáng)度的高低是影響盾構(gòu)刀具磨損速率的關(guān)鍵地質(zhì)因素之一[6]，表1是對神華神東補(bǔ)連塔煤礦盾構(gòu)運(yùn)行工況考察得到的數(shù)據(jù)。

表1 不同圍巖強(qiáng)度下盾構(gòu)刀具磨損速率

圖1 不同圍巖強(qiáng)度盾構(gòu)刀具磨損速率趨勢圖

從表1的數(shù)據(jù)及圖1的趨勢可以看出，一定范圍內(nèi)圍巖強(qiáng)度越低，盾構(gòu)刀具磨損進(jìn)速率越低，則掘進(jìn)越快[7]；圍巖強(qiáng)度越高，盾構(gòu)刀具磨損速率越高，則掘進(jìn)越慢[8]。但是，圍巖強(qiáng)度太小，圍巖穩(wěn)定性差，嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度；圍巖強(qiáng)度太大，盾構(gòu)掘進(jìn)困難，效率低下。

4.1.2 圍巖耐磨性

國內(nèi)外大量盾構(gòu)施工隧道的工程實踐表明，刀具的磨損情況對盾構(gòu)掘進(jìn)效率以及掘進(jìn)的經(jīng)濟(jì)性影響很大；而對刀具的磨損判斷和預(yù)測，僅根據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度是不夠的。主要應(yīng)結(jié)合巖石的硬度以及巖石所含石英顆粒的大小、數(shù)量來決定（見表2和圖2）。

一般情況下，巖石的耐磨性越高，對盾構(gòu)刀具、刀圈和軸承的磨損程度也越嚴(yán)重，刀具消耗和施工成本就越高，并造成停機(jī)換刀次數(shù)增加，影響盾構(gòu)正常掘進(jìn)，相應(yīng)的盾構(gòu)掘進(jìn)效率也就越低。

4.2 盾構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)行

不同的運(yùn)行參數(shù)也影響著盾構(gòu)刀具磨損速率。通過對比神華神東補(bǔ)連塔項目不同運(yùn)行參數(shù)情況下的盾構(gòu)刀具磨損速率，總結(jié)出不同運(yùn)行參數(shù)下盾構(gòu)刀具磨損速率的運(yùn)行規(guī)律。

4.2.1 刀盤轉(zhuǎn)矩

刀盤轉(zhuǎn)矩主要受主要受隧道線性與施工地質(zhì)條件影響。神華神東補(bǔ)連塔煤礦斜井采用-5.5°斜井施工，在一定程度上影響著刀盤轉(zhuǎn)矩，表3列出了不同刀盤轉(zhuǎn)矩下盾構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)行特性。

表2 不同圍巖耐磨性下盾構(gòu)刀具磨損速率

圖2 不同圍巖耐磨性盾構(gòu)刀具磨損速率趨勢圖

表3 不同刀盤轉(zhuǎn)矩下盾構(gòu)刀具磨損速率

圖3 不同刀盤轉(zhuǎn)矩盾構(gòu)刀具磨損速率趨勢圖

從表3數(shù)據(jù)及圖3趨勢可以看出，其他因素一定時。刀盤轉(zhuǎn)矩在452.62kN·m時，盾構(gòu)刀具磨損速率最大，隨著刀盤轉(zhuǎn)矩的加大或減小盾構(gòu)刀具磨損速率呈下降趨勢。

4.2.2 刀盤轉(zhuǎn)速

圍巖強(qiáng)度、耐磨性遺跡刀盤轉(zhuǎn)矩一定的情況下，刀盤轉(zhuǎn)速對盾構(gòu)刀具磨損速率有顯著的影響[9]。對給定的刀盤轉(zhuǎn)速，在一定的范圍之內(nèi)，刀盤的轉(zhuǎn)速越快，盾構(gòu)刀具磨損速率越大，但刀盤轉(zhuǎn)速超過一定范圍時，盾構(gòu)刀具磨損速率減小，表4列出了神華神東補(bǔ)連塔煤礦在不同刀盤轉(zhuǎn)速下盾構(gòu)的運(yùn)行特性。轉(zhuǎn)速在4.45rpm時盾構(gòu)的掘進(jìn)速率最大，隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增大或減小，盾構(gòu)的掘進(jìn)速率呈下降趨勢。

表4 不同刀盤轉(zhuǎn)速下盾構(gòu)刀具磨損速率

圖4 不同刀盤轉(zhuǎn)速盾構(gòu)刀具磨損速率趨勢圖

4.2.3 主驅(qū)動電機(jī)電流

主驅(qū)動電機(jī)電流是運(yùn)行中的一個重要參數(shù)，其大小反映了主驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)行工況。電流大時，盾構(gòu)刀盤的負(fù)載大，刀具受到的阻力就越大；電流小時，盾構(gòu)刀盤的負(fù)載小，刀具受到的阻力就越小。因此，施工過程中主驅(qū)動電機(jī)的電流應(yīng)該與盾構(gòu)刀具磨損速率相對應(yīng)，需控制在一定的范圍之內(nèi)[10]。

4.2.4 推力

盾構(gòu)推力主要由破巖力、摩擦力與牽引力三部分構(gòu)成。其他因素一定時，調(diào)整盾構(gòu)推力的大小，一定范圍之內(nèi)，隨著盾構(gòu)推力的不斷加大，盾構(gòu)刀具磨損速率呈上漲趨勢，當(dāng)推力超過一定值時，盾構(gòu)刀具磨損速率減小。

4.3 其他因素

盾構(gòu)刀具磨損速率受諸多因素影響，除圍巖本身的物理特性與盾構(gòu)運(yùn)行參數(shù)的影響之外還受到工序銜接、設(shè)備定期維護(hù)保養(yǎng)等因素的影響。

刀具的更換順序：

刀具的更換主要由刀具的磨損情況以及地層的穩(wěn)定性決定。合理的換刀順序能夠?qū)⒍軜?gòu)刀具磨損速率控制在一定范圍之內(nèi)，加快盾構(gòu)的掘進(jìn)速率，運(yùn)行中因根據(jù)不同的地質(zhì)條件和刀具磨損情況分析報告實時調(diào)整刀具的更換順序。

5 結(jié)論

盾構(gòu)在隧道施工中主要適用于硬巖隧道的施工。對盾構(gòu)運(yùn)行工況的研究表明：①盾構(gòu)刀具磨損速率主要受圍巖物理特性和盾構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)行操作的影響；②綜合上訴因素的影響，在實際的盾構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)行中，可以從如下幾個方面來調(diào)整最佳的運(yùn)行參數(shù)以獲得盾構(gòu)刀具最佳磨損速率，進(jìn)而獲得較高的盾構(gòu)掘進(jìn)速率：a.盾構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)在最佳掘進(jìn)速率下運(yùn)行，不應(yīng)輕易調(diào)整掘進(jìn)速率；b.運(yùn)行過程中應(yīng)該密切關(guān)注圍巖物理特性分析報告；c.應(yīng)保證電機(jī)電流、刀盤轉(zhuǎn)矩、刀盤速度與推力在設(shè)計的允許范圍之內(nèi)；d.運(yùn)行中應(yīng)該時刻關(guān)注地下含水及可燃?xì)怏w檢測報告；e.刀盤應(yīng)定期更換刀具，以保持刀具的最佳狀態(tài)。

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從表4數(shù)據(jù)及圖4趨勢可以看出，其他因素一定時。刀盤

TD263

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2095-2066（2016）35-0217-02

2016-11-8

楊俊哲（1964-），男，博士，教授級高工。