孫振中

（中國(guó)中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001）

成都地區(qū)地層復(fù)雜卵石、漂石廣泛分布，漂石粒徑達(dá)到1.5m 左右，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，卵石由于強(qiáng)度高硬度大給盾構(gòu)滾刀造成較大磨損，嚴(yán)重影響滾刀破巖效率。為了探究卵石對(duì)滾刀的磨損影響，預(yù)測(cè)滾刀的磨損程度為現(xiàn)場(chǎng)提供關(guān)鍵換刀數(shù)據(jù)，眾多學(xué)者及專家開展了卵石對(duì)滾刀的磨損影響研究[1-15]。研究學(xué)者提出了影響滾刀磨損的多種因素，但是也呈現(xiàn)出了研究的局限性，未能深入分析滾刀材質(zhì)與巖石性能關(guān)系，本文利用縮尺滾刀與足尺滾刀實(shí)驗(yàn)，從滾刀材質(zhì)方面對(duì)滾刀強(qiáng)度與刃型開展研究，并通過縮尺滾刀和足尺滾刀的破巖實(shí)驗(yàn)，深入開展了滾刀磨損及耐磨研究。

1 工程概況

四川都四隧道的都江堰站-永豐站區(qū)間盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)3 468.164m，最小轉(zhuǎn)彎半徑R＝400m；永豐站-蒲陽站區(qū)間盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)3 266m 最小轉(zhuǎn)彎半徑R＝350m，如圖1 所示。區(qū)間隧道采用兩臺(tái)直徑為9.73m 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，從永豐站始發(fā)，分別向都江堰站、蒲陽站方向掘進(jìn)施工。

圖1 都江堰站-永豐站-蒲陽站區(qū)間

區(qū)間隧道穿越含礫粉質(zhì)黏土（軟可塑）、含礫粉質(zhì)黏土（硬塑）、卵石土（稍密～中密）、卵石土（中密），分布如表1 所示。

表1 區(qū)間隧道穿越地層

卵石土層在隧道區(qū)域內(nèi)呈層狀分布，范圍較廣，厚度較大，層厚可達(dá)8～45m，卵石粒徑大小不一，分選性差，漂石約占10%～20%，粒徑200～300mm。卵石間為中細(xì)砂充填，局部卵石間夾透鏡體狀砂層，該層均勻性較差，穩(wěn)定性較差，為場(chǎng)區(qū)主要含水地層。

根據(jù)車站開挖揭示的卵石土情況，9～10m 處漂石、卵石含量逐漸增加，粒徑變大。開挖出粒徑大于900mm 漂石到達(dá)58 個(gè)，最大1 510mm，如圖3 所示。其中，0～9m 范圍內(nèi)10 個(gè)，占比17%；9～18m 范圍內(nèi)48 個(gè)，占比83%。車站長(zhǎng)度120m，平均約每2m 就有1 個(gè)大于900mm 的漂石。根據(jù)對(duì)卵石、漂石的強(qiáng)度測(cè)試，平均抗壓強(qiáng)度98.2MPa，最大抗壓強(qiáng)度達(dá)147MPa，最小抗壓強(qiáng)度16.1MPa。

盾構(gòu)掘進(jìn)砂卵石地層過程中，滾刀發(fā)生異常磨損、磨損過量、滾刀破壞等問題，極大影響了盾構(gòu)掘進(jìn)工效的發(fā)揮。為了提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率，降低換刀頻率，需要對(duì)多種不同材料和工藝滾刀進(jìn)行耐磨性評(píng)價(jià)。

為了定量和定性的評(píng)價(jià)不同類型滾刀對(duì)卵石的耐磨性，采用盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的滾刀磨蝕實(shí)驗(yàn)儀、滾刀巖機(jī)作用綜合試驗(yàn)臺(tái)對(duì)兩類滾刀（編號(hào)1#、2#）進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)。通過選擇滾刀磨損評(píng)價(jià)指標(biāo)和磨損狀態(tài)評(píng)判兩類滾刀的耐磨性，保證卵石與滾刀的最優(yōu)匹配性。

2 縮尺滾刀耐磨性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)過程

為了定量判斷卵石對(duì)1#、2#滾刀的磨蝕量，采用滾刀復(fù)合磨損試驗(yàn)儀，如圖2 所示，測(cè)量縮尺滾刀一定貫入速度和滾動(dòng)距離工況下縮尺滾刀磨損質(zhì)量，獲取縮尺滾刀的磨損速率，以此來反應(yīng)不同滾刀在卵石的磨蝕性能。

圖2 滾刀磨蝕實(shí)驗(yàn)儀

從現(xiàn)場(chǎng)采集卵石原樣，經(jīng)過量、切、磨3 道工藝加工成長(zhǎng)寬高為300mm×78mm×78mm 的長(zhǎng)方體試樣。

按照足尺滾刀相同的加工材質(zhì)和加工工藝，尤其是淬火及冷卻工藝，同比例縮尺制造1#、2#縮尺滾刀。分離式縮尺滾刀直徑為1.9 英寸，幾何比尺為1∶10，刀片中心厚度統(tǒng)一為6mm，如圖3所示。

圖3 分離式縮尺滾刀

1#、2#滾刀在試驗(yàn)過程中，以相同的貫入速度滾壓相同的行程，具體試驗(yàn)參數(shù)如下。

1）滾壓行程：250mm/次，壓痕間距：10mm，每道滾壓次數(shù)：100 次。

2）滾壓速度：17.8mm/s（根據(jù)秒表計(jì)算，當(dāng)速度為17.8mm/s 時(shí)，滾刀1min 可以進(jìn)行4個(gè)行程的運(yùn)動(dòng)，故選擇17.8mm/s）。

3）貫入速度：0.01mm/行程、0.02mm/行程、0.03mm/行程。

2.2 縮尺滾刀耐磨性比較

2.2.1 相同貫入度的滾刀磨損

選擇1#、2#滾刀滾壓相同巖石、貫入度、滾壓行程下的滾刀累計(jì)磨損質(zhì)量、累計(jì)磨損直徑作為定量判斷滾刀耐磨性的指標(biāo)。試驗(yàn)過程中，每滾壓100m 稱重一次，測(cè)量直徑一次。稱量不同滾壓距離的累計(jì)磨損量如圖4 所示，不同滾壓距離的滾刀直徑如圖5 所示。

圖4 1#、2#滾刀不同滾壓距離的累計(jì)磨損質(zhì)量

圖5 1#、2#滾刀不同滾壓距離的磨損直徑變化量

從圖4 可以看出，相同的貫入速度下，1#、2#滾刀累計(jì)磨損質(zhì)量隨行程距離而增加；當(dāng)行程在200m 內(nèi)時(shí)，兩類滾刀磨損質(zhì)量相差不大；當(dāng)行程大于200m 后，兩類滾刀磨損質(zhì)量呈現(xiàn)較大差異，2#滾刀磨損質(zhì)量明顯大于1#滾刀。

從圖5 可以看出，兩類滾刀的累計(jì)磨損直徑呈現(xiàn)與磨損質(zhì)量相同的規(guī)律。當(dāng)行程大于200m后，2#滾刀累計(jì)磨損直徑遠(yuǎn)大于1#滾刀。

2.2.2 不同貫入度下的滾刀磨損

同時(shí)，選擇1#、2#滾刀在不同貫入度下的滾刀累計(jì)磨損質(zhì)量、累計(jì)磨損直徑進(jìn)行兩類滾刀耐磨性的判斷。以0.01mm/次、0.02mm/次、0.03mm/次的貫入度滾壓相同行程距離，稱量不同滾壓距離的累計(jì)磨損量如圖6 所示，不同滾壓距離的滾刀直徑如圖7 所示。

圖6 1#、2#滾刀不同滾壓距離的累計(jì)磨損質(zhì)量

圖7 1#、2#滾刀不同滾壓距離的磨損直徑變化量

從圖6、圖7 可以看出，以較低的貫入度0.015mm/次時(shí)，2#滾刀磨損質(zhì)量及平均累計(jì)磨損直徑略低于1#滾刀；隨著貫入速度的增加，2#滾刀磨損質(zhì)量和平均累計(jì)磨損直徑減小量顯著高于1#。

由此可見，滾刀滾壓行程、貫入度對(duì)滾刀磨損質(zhì)量和磨損直徑影響較大；不同廠家滾刀會(huì)在一定的使用時(shí)間后，呈現(xiàn)出明顯差異。

2.2.3 不同類型滾刀的卷刃特性

在開展不同貫入度下兩類滾刀的耐磨性比較試驗(yàn)時(shí)，觀察相同滾壓行程后滾刀的卷刃特性。以0.01mm/次、0.02mm/次、0.03mm/次的貫入度試驗(yàn)可以看出，在相同的磨損距離及貫入速度工況下，2#縮尺滾刀卷刃現(xiàn)象明顯，韌性較低。

3 足尺滾刀耐磨性試驗(yàn)

為了進(jìn)一步判斷卵石對(duì)1#、2#足尺滾刀的磨蝕性，采用滾刀巖機(jī)作用綜合試驗(yàn)臺(tái)，觀測(cè)一定貫入速度下足尺滾刀的磨損情況。

利用現(xiàn)場(chǎng)原狀卵石，加工成試驗(yàn)臺(tái)巖箱尺寸要求，制作成卵石試樣，如圖8 所示，巖石與巖箱之間的縫隙采用水泥砂漿填充，養(yǎng)護(hù)15 天。

圖8 卵石加工試樣

試驗(yàn)過程中，在刀盤上同時(shí)安裝1#、2#足尺滾刀，控制刀盤滾刀的掘進(jìn)速度和掘進(jìn)行程。通過不斷調(diào)整滾刀的滾壓軌跡，確保滾刀盡可能多的滾壓巖樣。滾刀滾壓破碎巖樣如圖9 所示。

圖9 滾刀滾壓破碎巖樣

1#、2#足尺滾刀滾壓試驗(yàn)前后刀刃表面對(duì)比可以看出，由于室內(nèi)試驗(yàn)滾刀滾壓破巖量有限，足尺滾刀磨損量極小。刀刃表面來看，1#滾刀刀刃尺寸未發(fā)生明顯磨損，表面稍有劃痕；2#滾刀圓弧過渡曲線變大，刃尖出現(xiàn)明顯凹凸不平劃痕和塊狀凹坑。因此，1#足尺滾刀耐磨性優(yōu)于2#滾刀。

4 結(jié)論

為了提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率，降低換刀頻率，依托都四項(xiàng)目都江堰站-永豐站-蒲陽站區(qū)間隧道工程，開展了不同類型滾刀的耐磨性試驗(yàn)。試驗(yàn)包括縮尺滾刀耐磨性試驗(yàn)、足尺滾刀耐磨性試驗(yàn)，從定量和定性的角度對(duì)兩種類型滾刀滾壓卵石的耐磨性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1）滾刀破巖過程中，滾刀貫入度、滾壓行程會(huì)對(duì)滾刀磨損量的產(chǎn)生影響，且對(duì)滾刀磨損量的壽命影響規(guī)律相同。

2）不同廠家滾刀的耐磨性在使用前期差異不大，但在一定使用時(shí)間后表現(xiàn)出明顯差異。

3）不同廠家滾刀滾壓相同的卵石，滾刀刀刃表面會(huì)出現(xiàn)明顯差異，表現(xiàn)為劃痕和塊狀凹坑。