（成都軌道交通集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610041）

砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)的刀具適應(yīng)性改造設(shè)計(jì)

羅 杰

（成都軌道交通集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610041）

以成都地鐵三號線為施工背景，針對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在長距離以及砂卵石層掘進(jìn)盾構(gòu)設(shè)備磨損較快，刀具頻繁出現(xiàn)更換的問題，通過盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中的掘進(jìn)機(jī)理及現(xiàn)場實(shí)踐，分析研究了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀具的主動適應(yīng)性改造。研究得出：在刀盤上按照阿基米德螺旋線的規(guī)律排列進(jìn)行布置滾刀或撕裂刀，采用滾刀距離刀盤面板比刮刀距離刀盤面板高30mm的設(shè)計(jì)，將中心刀具由中心雙聯(lián)滾刀組合改為中心單刃撕裂刀+中心雙刃撕裂刀組合等改造措施，得到較好的掘進(jìn)效果，驗(yàn)證了研究成果的可行性和實(shí)用性，可在類似工程中推廣。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)；刀具改造；砂卵石層

1 前言

相對于砂卵石地層的順利掘進(jìn)，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)特別是在長距離以及砂卵石層掘進(jìn)初期出現(xiàn)諸多機(jī)械上的問題[1]，其中盾構(gòu)設(shè)備磨損較快，刀具頻繁出現(xiàn)更換的問題尤為突出。針對目前存在的難題，在成都地鐵三號線施工中，我們將改造既有盾構(gòu)機(jī)的刀盤刀具配置，我們就盾構(gòu)隧道施工實(shí)際掘進(jìn)情況得出，改造后的盾構(gòu)機(jī)[2]可達(dá)到長距離掘進(jìn)、降低刀盤刀具磨損和提高掘進(jìn)效率的目的。

2 盾構(gòu)刀具分析

（1）刀具形式

盾構(gòu)刀具[3-4]是根據(jù)本區(qū)間地層的不同強(qiáng)度和地質(zhì)特點(diǎn)，根據(jù)刀具在該地層中不同的破巖機(jī)理來進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇的。刀盤上可以安裝不同類型的刀具以適應(yīng)不同地層的開挖，主要刀具類型為滾刀、刮刀，根據(jù)不同的地質(zhì)類型刀具可以互換。盾構(gòu)機(jī)刀具形式見表1。

表1 盾構(gòu)機(jī)刀具形式

2）滾刀受力分析

在硬巖地層滾刀受刀盤向前的推力，在開挖面滾動，根據(jù)推力大小，直接由開挖面提供可大可小的轉(zhuǎn)動力矩，而同時(shí)幾乎沒有阻力力矩。在富水砂卵石地層中，滾刀前方和“松散帶”的渣土接觸，同時(shí)渣土在刀箱里擠滿，經(jīng)過壓密結(jié)塊，產(chǎn)生阻力力矩阻止了滾刀滾動。

要使?jié)L刀轉(zhuǎn)動，必須滿足滾刀轉(zhuǎn)動力矩T轉(zhuǎn)大于阻止?jié)L刀轉(zhuǎn)動力T阻。因此，如果滾刀在硬巖地層，由于沒有T土倉和 T刀箱，因此只要滿足轉(zhuǎn)動力矩 T轉(zhuǎn)大于啟動力矩，滾刀即可以轉(zhuǎn)動，因此，在硬巖地地層掘進(jìn)，滾刀不會發(fā)生偏磨。

在砂卵石地層中的滾刀掘進(jìn)，由于在開挖工作面前方形成了一個(gè)“結(jié)構(gòu)松散帶”，也改變了刀具的作用方式.由于該松散帶的存在，主要有以下作用特點(diǎn)。

1) 由于結(jié)構(gòu)松散，不能給滾刀提供足夠的轉(zhuǎn)動力矩T轉(zhuǎn)；

2) 松散帶渣土直接和刀鼓接觸，而且接觸力大，甚至出現(xiàn)撞擊，因此，對刀鼓的破壞、磨損加大，造成T啟動增大；

同時(shí)，土倉內(nèi)的渣土也使得刀箱內(nèi)的阻力力矩T刀箱增大，便造成在砂卵石地層中滾刀的滾動失效，從而造成偏磨，掘進(jìn)效率低下，致使?jié)L刀在盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)動掘進(jìn)中不能發(fā)生轉(zhuǎn)動。由硬巖地層中的滾刀摩擦變成了滑動摩擦，造成了滾刀的嚴(yán)重偏磨、以致報(bào)廢。

2 刀具適應(yīng)性改造

刀具磨損影響因素主要有地質(zhì)條件、刀具配置、刀盤開口率及渣土改良狀況，其中地質(zhì)條件為外在客觀因素，具不可更改性，砂卵石地層其地質(zhì)條件決定了刀盤刀具磨損非常嚴(yán)重，下面就刀具方面的改造進(jìn)行論述。

2.1 刀具布置

根據(jù)文獻(xiàn)[5-7]中敘述，由于土倉中間容易產(chǎn)生“應(yīng)力凸起”，為提高渣土的流動性，一方面應(yīng)該提高開口度，另一方面中部不應(yīng)布置密集的滾刀，應(yīng)布置有利于渣土分流的先行刀和刮刀。

在刀盤上按照阿基米德螺旋線的規(guī)律排列布置的滾刀或撕裂刀，如圖1所示，不同類型的刀具設(shè)計(jì)，考慮了全斷面卵石土層掘進(jìn)時(shí)對滾刀的保護(hù)，而采用滾刀距離刀盤面板比刮刀距離刀盤面板高30mm，從而達(dá)到保護(hù)刀具的目的。

圖1 刀盤上滾刀與撕裂刀位置布置圖

（2）不同粒徑的卵石的處理

當(dāng)粒徑低于290mm的卵石可通過刀盤開口直接進(jìn)入土倉并通過螺旋輸送機(jī)輸出；當(dāng)粒徑大于290mm的卵石需進(jìn)行刀具剝落處理。

2.2 刀具改造

通過對地鐵3號線駟～駟盾構(gòu)區(qū)間的刀具開倉檢查情況分析，右線10#盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)掘進(jìn)463.5m（309環(huán)），刀具無嚴(yán)重磨損，目前刀具能夠滿足右線剩余271.5m（181環(huán)）的正常掘進(jìn)，于是采取了開倉不更換刀具辦。直至駟～駟區(qū)間右線貫通，未出現(xiàn)盾構(gòu)因刀具磨損問題導(dǎo)致的盾構(gòu)掘進(jìn)困難現(xiàn)象。根據(jù)對磨損刀具的位置、磨損的程度和刀具配置的分析，尤其是相近切削軌跡發(fā)生較大磨損的情況下對后期掘進(jìn)是否產(chǎn)生不利影響等方面的綜合判定：為保證盾構(gòu)施工安全，駟～駟區(qū)間左線開倉對偏磨的11#刀，磨損量較大的29#、31#、32#、34#刀進(jìn)行更換。

通過對駟～駟區(qū)間左右線刀具磨損分析，產(chǎn)生較大磨損的軌跡主要集中在27#～34#刀范圍內(nèi)，刀盤正面區(qū)磨損較小，發(fā)生最大磨損的刀具屬于刀盤正面區(qū)向邊緣區(qū)過渡的部位，即處于刀盤弧部的滾刀磨損量最大；在盾構(gòu)機(jī)出洞時(shí)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)刀盤中心處仍有結(jié)泥餅現(xiàn)象，并且伴有部分中心滾刀偏磨的現(xiàn)象。

分析上述現(xiàn)象，總結(jié)原因認(rèn)為：

1）盾構(gòu)機(jī)推力過大，刀盤前方土壓力變大，土體容易糊刀盤；

2）盾構(gòu)掘進(jìn)并伴有多次長時(shí)間停機(jī)的現(xiàn)象，掌子面壓力不穩(wěn)，由于施工采取的保壓措施會造成掌子面前方土體固結(jié)，盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)，刀盤前方土體盾構(gòu)出土不暢，其刀盤中心部位的滾刀被雜物和泥土包裹?。?/p>

3）中心滾刀的開口率未達(dá)到施工要求，造成出土不暢；

4）在實(shí)際掘進(jìn)施工中，中心滾刀隨著刀盤的轉(zhuǎn)動，其滾刀的線速度非常小，不能給滾刀提供足夠的轉(zhuǎn)動力矩，同時(shí)，土倉內(nèi)的渣土也使得刀箱內(nèi)的阻力力矩T刀箱增大，便造成在砂卵石地層中滾刀的滾動失效，由硬巖地層中的滾刀摩擦變成了滑動摩擦，造成了滾刀的嚴(yán)重偏磨、以致報(bào)廢。

經(jīng)過研究討論得出：將刀盤中心部位的4把中心雙聯(lián)滾刀改成中心撕裂刀，即先行刀。改變刀盤中心部位的出渣環(huán)境，將中心部位的削切土體隨著先行刀的轉(zhuǎn)動，向周圍移動進(jìn)入土倉，避免了刀盤被泥土包裹；使用中心撕裂刀還提高了材質(zhì)的耐磨性能及允許磨損量。

鑒于以上的分析和刀具磨損的實(shí)際情況的驗(yàn)證，在盾構(gòu)的設(shè)計(jì)中需對刀具進(jìn)行改進(jìn)及提高。改進(jìn)后的刀具情況如表2所示。

表2 改造后刀盤刀具情況統(tǒng)計(jì)表

邊刮刀 8 把焊接撕裂刀 29 把保徑刀 8 把

3 案例驗(yàn)證

在施工過程中必須觀測分析盾構(gòu)穿越地層的特性，在推進(jìn)過程中應(yīng)充分了解施工速度、盾構(gòu)掘進(jìn)性能、泥土溫度之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系及其對“泥餅”形成的影響?？刂坪猛七M(jìn)速度，減少“泥餅”產(chǎn)生的機(jī)率。在后續(xù)的區(qū)間施工中使用改造后的刀具配置，再結(jié)合渣土改良、設(shè)置合理的構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、控制循環(huán)水溫度以及要求盾構(gòu)達(dá)到“連續(xù)、快速、穩(wěn)定”施工。如駟～李區(qū)間左線538m、右線529m，李～馬區(qū)間左線790.8m、右線1046.4m，區(qū)間均未換刀，順利完成貫通，達(dá)到了良好的效果。

盾構(gòu)機(jī)的自身設(shè)計(jì)制造要合理，刀具的配置和刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)需優(yōu)化；盾構(gòu)長時(shí)間的停機(jī)會導(dǎo)致土艙內(nèi)土壓逐步升高、流動性減弱、刀盤及刀具板結(jié)泥餅的可能性增加，盾構(gòu)掘進(jìn)要求“連續(xù)、快速、穩(wěn)定”施工；施工中的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定相當(dāng)關(guān)鍵，在容易出現(xiàn)泥餅的地層中尤其要注意土壓力、千斤頂推力及刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)的設(shè)定，當(dāng)遇到刀盤的扭矩比較大時(shí)，可以通過向掌子面和土艙內(nèi)加注泡沫、膨潤土以及聚合物等添加劑來降低刀盤的扭矩，以實(shí)現(xiàn)刀盤的較高轉(zhuǎn)速；將整個(gè)盾構(gòu)施工當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng)工程來對待，各種因素，如地層地質(zhì)、盾構(gòu)機(jī)狀況、隧道內(nèi)通風(fēng)及外界溫度應(yīng)做到有機(jī)結(jié)合。

4 結(jié)論

根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中的掘進(jìn)機(jī)理及現(xiàn)場的實(shí)踐，重點(diǎn)分析研究了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀具的主動適應(yīng)性改造。主要結(jié)論如下：

（1）在刀盤上按照阿基米德螺旋線的規(guī)律排列布置的滾刀或撕裂刀，可滿足盾構(gòu)在富水砂卵石地層施工中，刀盤掌子面的開挖要求；不同類型的刀具設(shè)計(jì)，而采用滾刀距離刀盤面板比刮刀距離刀盤面板高30mm，從而達(dá)到全斷面卵石土層掘進(jìn)時(shí)對滾刀的保護(hù)。

（2）將中心刀具由中心雙聯(lián)滾刀組合改為中心單刃撕裂刀+中心雙刃撕裂刀組合，得到較好的掘進(jìn)效果，可以為類似工程提供參考。

（3）刀具改造設(shè)計(jì)應(yīng)用在工程實(shí)例中，創(chuàng)造了隧道區(qū)間1公里內(nèi)未換刀的記錄，驗(yàn)證了研究成果的可行性和實(shí)用性，其成果可在類似工程中進(jìn)行推廣。

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1007-6344（2017）08-0088-01