程俊瑞

（中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 4 7 1 0 0 0）

富水砂卵石地層盾構(gòu)刀盤刀具配置的研究

程俊瑞

（中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 4 7 1 0 0 0）

成都的地層屬于富水砂卵石地層，卵石含量達(dá)到8 0%以上，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)對(duì)刀盤刀具的磨損異常嚴(yán)重，更換刀具帶來的施工風(fēng)險(xiǎn)極大，刀盤刀盤刀具的磨損問題嚴(yán)重制約著地鐵施工的進(jìn)度。本文根據(jù)成都地鐵1號(hào)線施工過程中對(duì)刀盤刀具的消耗、刀具的磨損型式進(jìn)行客觀的分析，提出能夠適應(yīng)成都地層需要的刀盤刀具配置。

富水；砂卵石地層；盾構(gòu)；刀盤刀具；配置研究

1 成都在地質(zhì)和水文方面的條件

（1）地質(zhì)條件。成都地鐵穿越的地層以砂卵石為主，6 5%～7 5%之間卵石的粒徑在3 0～1 0 0 mm之間，大約有1 0%的卵石粒徑在1 0 0～1 3 0 mm之間。該地的地層巖體相對(duì)比較松散、沒有膠結(jié)、自穩(wěn)能力相對(duì)較差，并且石塊的單個(gè)強(qiáng)度較高，顆粒之間有相對(duì)較大的空隙，黏聚力并不明顯，地層中卵石塊在很大程度上可以起到強(qiáng)有力的支撐作用。同時(shí)，在沒有水的情況下，顆粒之間可以形成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的傳力，地層具有良好的反應(yīng)靈敏度，因而極易造成對(duì)原來穩(wěn)定或平衡狀態(tài)的破壞，由此造成塌陷現(xiàn)象。

（2）水文條件。成都地層富水，通常情況下枯水期的埋藏深度都在3～5 m，豐水期深度在1～3 m，最小埋深0.2 m。總結(jié)成都前期進(jìn)行基坑施工的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在正式挖之前需要做好降水等準(zhǔn)備工作，基于基坑壁具有良好的獨(dú)立性，卵石在地層中的骨架作用，相應(yīng)的會(huì)使得基坑由于降水而造成的變形可能性相對(duì)較小。但是，在富含地下水的地層中，在挖掘的過程中受水壓的作用相對(duì)比較明顯，因此會(huì)對(duì)盾構(gòu)尤其是開挖面的穩(wěn)定性造成不小的影響。另外，在砂卵石地層中，盡管整體的圍巖體所具備的強(qiáng)度非常低，但是單個(gè)巖石塊具有很高的強(qiáng)度。

2 刀盤刀具在盾構(gòu)施工過程中的問題

成都地鐵在施工過程中所選用的盾構(gòu)主要是由海瑞克公司所生產(chǎn)的泥水和土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，這兩種機(jī)型在刀盤面板的結(jié)構(gòu)和刀具的相關(guān)配置方面基本相同，如表1所示。

通過對(duì)成都地鐵實(shí)例的整理與分析，現(xiàn)將刀盤刀具在盾構(gòu)施工過程中的具體問題整理如下：第一，刀盤刀具的磨損情況非常嚴(yán)重，砂卵石地層中的磨琢性本來就非常大，在加上受包裹性的影響，使得滾刀、齒刃刀具以及刀盤的磨損情況十分嚴(yán)重。如圖1。第二，刀具在磨損之后需要不斷的換刀，而換刀作業(yè)在一定程度給盾構(gòu)施工造成非常嚴(yán)重的問題，尤其是對(duì)于換刀方式、地點(diǎn)的選擇以及在換刀過程中所采取的各種加固性措施等，換刀人員需要時(shí)刻保持清醒，保障安全性的顯著提高，因此降低了施工的效率，增加了施工成本。第三，刀盤中心四幅壁的結(jié)構(gòu)過程中渣土流動(dòng)不暢的問題普遍存在，且在泥量含量相對(duì)較大的情況下極易造成泥餅的形成。第四，刀盤在進(jìn)行攪動(dòng)作業(yè)時(shí)，即使是在降水的條件下，砂卵石地層的穩(wěn)定性都相對(duì)較差，拱頂部時(shí)常會(huì)出現(xiàn)塌落的嚴(yán)重現(xiàn)象，這便在一定程度上給刀具的更換工作帶來很大的困難。第五，清倉過程中需要在刀盤的開口處焊接一定的擋板，但是刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)可使擋板脫落。

表1 泥水盾構(gòu)與土壓盾構(gòu)刀具的配置

3 刀盤刀具磨損的主要形式和原因

（1）盾構(gòu)中心滾刀的主要磨損形式。中心滾刀安裝在刀盤的中心部位，其運(yùn)動(dòng)半徑在7 0～1 1 0 0 mm之間，相同材料的刀圈，正常情況下中心滾刀的刀圈磨損量要比單雙刃滾刀刀圈磨損量要小，因?yàn)橹行臐L刀的運(yùn)動(dòng)半徑較小，盾構(gòu)掘進(jìn)一定的距離時(shí)其運(yùn)動(dòng)軌跡要比單雙刃刀的運(yùn)動(dòng)軌跡短得多，那么刀圈和砂卵石接觸磨損的距離就小得多，故盾構(gòu)掘進(jìn)一定里程的情況下中心滾刀的刀圈在正常磨損情況下要比單雙刃刀刀圈磨損量要小?？墒?，在實(shí)際的施工中我們發(fā)現(xiàn)中心滾刀刀具的消耗量甚至比單雙刃滾刀的消耗量還要大，中心滾刀的消耗主要集中在偏磨、漏油報(bào)廢，通過對(duì)中心滾刀的跟蹤檢查發(fā)現(xiàn)：中心滾刀的偏磨、漏油主要是因?yàn)榈扼w磨損嚴(yán)重導(dǎo)致漏油，漏油后刀具不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)而引起刀具偏磨。其磨損主要包括刀圈磨損、刀圈斷裂、滾刀刀體變形、浮動(dòng)密封損壞及漏油以及軸承損壞等。

（2）盾構(gòu)刮刀、齒刀的磨損形式。在盾構(gòu)刀盤安裝數(shù)量最多的就是刮刀和齒刀，刮刀與齒刀除了切、刮碴土功能以外還有保護(hù)刀盤、防止刀盤磨損的作用。目前國內(nèi)外生產(chǎn)的刮刀齒刀都是在切削面上鑲嵌高強(qiáng)度合金齒、合金拄、合金塊等，現(xiàn)場(chǎng)使用中刮刀、齒刀的磨損形式主要有合金的崩裂與脫落、刮刀兩塊接觸面的磨損以及齒刀邊角的磨損等。

（3）磨損的原因。盾構(gòu)機(jī)的刀盤刀具磨損可以在掘進(jìn)中通過掘進(jìn)參數(shù)的異常和碴土的溫度判斷出來，通過多次換刀對(duì)刀盤刀具的磨損檢查和統(tǒng)計(jì)情況，可以判斷刀盤刀具的磨損主要有以下原因：

第一，基于中心滾刀對(duì)磨損情況進(jìn)行分析。2-4和6-8號(hào)雙刃滾刀的使用極大地降低了中心區(qū)域的開口率，此單位時(shí)間內(nèi)摩擦率與作用面較之前都有了顯著的增加；結(jié)泥餅現(xiàn)象的出現(xiàn)造成中心刀具的機(jī)動(dòng)性缺失；在掘進(jìn)過程中通過將黃泥粉添加到土倉中，使得渣土的黏度顯著增加，渣土本身的流塑性顯著降低，進(jìn)而造成中心滾刀磨損情況的不斷嚴(yán)重。

第二，基于滾刀刀轂對(duì)受損情況的分析。在滾刀和刀箱之間經(jīng)過擠壓進(jìn)入土倉中的卵石和礫砂，在其相互擠壓額度過程中會(huì)與刀轂產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞作用，極易導(dǎo)致刀轂的損傷，并且還會(huì)破壞刀轂的自保功能。

第三，基于結(jié)泥餅對(duì)磨損情況進(jìn)行分析。

第四，基于偏磨現(xiàn)象對(duì)受損情況進(jìn)行分析。刀盤最初的設(shè)計(jì)所采用的滾刀是全斷面的，當(dāng)滾刀與較硬的卵石接觸時(shí)，刀具基于自身較小的開口率和過大的動(dòng)力矩，極有可能動(dòng)不了；沒有完全將卵石切碎之前為防止被擠走，需要在刀盤和滾刀的相互作用下進(jìn)行充分的研磨；富水砂卵石地層不能提供足夠的摩擦力來推動(dòng)滾刀的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此當(dāng)滾刀出現(xiàn)停滯現(xiàn)象時(shí)，便極易造成單邊磨損的情況，也就是所謂的偏磨，進(jìn)而隨著磨損范圍的逐漸擴(kuò)大，單邊會(huì)逐漸形成多邊。

4 刀盤刀具配置優(yōu)化建議

第一，確定布置刀盤的總體原則。即刀盤中心采用正面齒刀與羊角刀有機(jī)結(jié)合的方式，以此來促進(jìn)開口率的顯著增加和中心動(dòng)態(tài)性的改變；邊滾刀以雙刃的為主；刀盤正面主要采用的是滾刀與空軸異型刀；刀盤背板經(jīng)過一定的耐磨板和網(wǎng)進(jìn)行加固。第二，在盾構(gòu)施工過程中滾刀選擇采用3 0 mm的加厚刀圈，刮刀鑲嵌的合金要求大塊、耐磨性好、抗沖擊，提高刀具的磨損性，從而極大的保證盾構(gòu)能夠達(dá)到理想的效果。第三，提高單刃滾刀刀轂的耐磨性能，可在刀具維修時(shí)在刀轂上堆焊耐磨網(wǎng)格，提高刀轂的耐磨性。第四，掘進(jìn)過程中嚴(yán)格控制碴土的改良，可通過泡沫和水或膨潤土的適量加注有效的改良碴土的可塑性和流動(dòng)性。第五，利用先進(jìn)的硬質(zhì)合金堆焊技術(shù)，在刀盤的外緣設(shè)置一定的耐磨合金環(huán)，并在其開口部位以及容易磨損的刀座處堆焊一定的耐磨層，還通過在刀盤背面加焊耐磨絲，對(duì)保壓參數(shù)重新設(shè)定，以此來使刀盤刀具的耐磨性、強(qiáng)度以及硬度都較之前顯著增強(qiáng)。

5 結(jié)語

綜上所述，本文通過對(duì)成都在地質(zhì)和水文方面條件的科學(xué)分析，簡(jiǎn)單的介紹了刀盤刀具在盾構(gòu)施工過程中的問題，并且在此基礎(chǔ)上從盾構(gòu)中心滾刀的主要磨損形式和盾構(gòu)刮刀、齒刀的磨損形式以及基于中心滾刀、刀具背板、滾刀刀轂、結(jié)泥餅、以及偏磨現(xiàn)象對(duì)刀盤刀面磨損的具體情況進(jìn)行了科學(xué)的分析，最后相應(yīng)的提出了改進(jìn)刀盤刀具配置設(shè)計(jì)的重要方法。

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