宋 沖，楊明先

（廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 廣州 510010）

0 引言

隨著大直徑盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展和成熟，具備常壓刀盤的大直徑盾構(gòu)在地鐵隧道工程、市政隧道工程和公路隧道項目中廣泛采用。由于復(fù)合地層地質(zhì)條件復(fù)雜多變，采用常壓刀盤形式，盾構(gòu)掘進容易造成滾刀快速磨損、滾刀偏磨、刀具結(jié)構(gòu)損壞等問題，本文根據(jù)某在建大直徑盾構(gòu)隧道工程項目特點、地質(zhì)條件和盾構(gòu)機條件，對盾構(gòu)始發(fā)段掘進情況問題進行總結(jié)分析，針對大直徑復(fù)合地層常壓刀盤刀具配置及管理技術(shù)進行探討。

1 工程概況

該隧道工程是目前國內(nèi)在建最大直徑15.8 m 盾構(gòu)隧道，工程線路先后穿越立交橋、地鐵出入口通道、河道、高架橋、海關(guān)、小區(qū)、鐵路股道、運營地鐵隧道、口岸等。

線路全長5 078 m，其中盾構(gòu)隧道長3 603 m，采用單洞雙層構(gòu)造，隧道內(nèi)部設(shè)置有上下層車道、消防水管通道、疏散樓梯、電纜通道、煙道結(jié)構(gòu)。

穿越地質(zhì)情況：盾構(gòu)掘進通過上軟下硬及硬巖地層，其中硬巖段占80%以上，共穿過9 條斷層破碎帶和2 條次生斷裂帶，地質(zhì)情況相對復(fù)雜、圍巖破碎，隧道穿越地層自西向東依次為：花崗巖、糜棱巖、泥灰質(zhì)砂巖、碎裂巖、片巖和變質(zhì)砂巖。最硬巖層單軸抗壓強度值最大為173.7 MPa，如圖1所示。

圖1 工程地質(zhì)縱斷面Fig.1 Engineering Geology of Longitudinal Section

2 大直徑盾構(gòu)掘進主要存在問題

盾構(gòu)掘進前200 環(huán)隧道洞身范圍內(nèi)地層主要有：①砂卵石層、強風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖，掘進長度114 m；②強風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，掘進長度186 m；③強風(fēng)化碎裂巖（黏土礦物含量11.8%）、中風(fēng)化碎裂巖、微風(fēng)化碎裂巖，掘進長度100 m。前200 環(huán)先后穿越F4、Fhl、F5-1 三條糜棱巖斷裂帶及F5、Fl201、Fl201-1三條構(gòu)造角礫巖斷裂帶。

由于地層復(fù)雜變化快，強度高，常壓滾刀內(nèi)刀筒積渣嚴重，致刀圈、擋圈、刀體二次磨損嚴重，存在合金齒掉落、偏磨等情況，滾刀報廢率高。常壓滾刀快速磨損、滾刀偏磨和結(jié)構(gòu)破壞等現(xiàn)象嚴重，如圖2 所示。前200 環(huán)盾構(gòu)掘進共抽檢常壓滾刀714 把，平均3.57 把/環(huán)，正面滾刀更換耗時2～3 h/把，邊緣滾刀更換耗時4～5 h/把，如表1所示。

表1 滾刀抽檢統(tǒng)計Tab.1 Cutting Tool Inspection Statistics

圖2 滾刀磨損情況Fig.2 Cutting Tool Wear Situation

3 大盾構(gòu)常壓刀盤形式及刀具配置

本工程盾構(gòu)機常壓刀盤采用6 主梁+6 輔梁的結(jié)構(gòu)形式。具備常壓環(huán)境下進行滾刀、刮刀的刀具更換作業(yè)，盾構(gòu)機配備中心滾刀12 把（雙軸雙刃）、正滾刀59 把（雙軸雙刃）、邊滾刀12 把（9 把雙軸雙刃+3 把單刃）可全部進行常壓更換。邊刮刀36 把，切刀207 把，其中52 把常壓更換切刀，155把帶壓更換切刀。

中心刀具采用17寸雙軸雙刃滾刀，滾刀高度225 mm，正滾刀和邊滾刀采用19寸滾刀，滾刀高度225 mm，切刀高度185 mm，如圖3所示。

圖3 常壓刀盤刀具配置Fig.3 Cutting Tools Configuration of Cutter Head under Atmospheric

常壓刀盤刀筒內(nèi)部配置有滾刀狀態(tài)監(jiān)測裝置，用于實時測量滾刀轉(zhuǎn)速、溫度和磨損量數(shù)據(jù)。主控室可實時顯示滾刀旋轉(zhuǎn)狀況、滾刀溫度和滾刀磨損狀況，可及時發(fā)現(xiàn)異常報警并進行處理，如圖4所示。

圖4 刀具檢測裝置Fig.4 Cutting Tool Wear Detection

4 滾刀磨損的影響因素

影響滾刀磨損的影響因素很多，并且相互關(guān)聯(lián)，錯綜復(fù)雜，包括地質(zhì)因素、滾刀結(jié)構(gòu)因素、施工技術(shù)參數(shù)控制因素、刀具管理因素［1］。

4.1 地質(zhì)因素

滾刀磨損與巖層巖石特性間的重要關(guān)系主要表現(xiàn)為以下幾方面：

4.1.1 強度

巖石強度與滾刀的磨損速度呈正比關(guān)系；巖石的強度是指巖石在各種外力（壓縮、拉伸、剪切或變形等）作用下，抵抗破碎的能力。

4.1.2 研磨性

刀具磨損隨巖石中石英的含量增大而增大，地層中粘粒和粉粒成分占比越多，容易使刀盤產(chǎn)生泥餅，滾刀糊死不轉(zhuǎn)導(dǎo)致偏磨［2］。

4.1.3 斷裂帶及地層的層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育程度

斷裂帶形成的硅鐵質(zhì)膠結(jié)角礫，極其堅硬，滾刀遇到這種巖層時，非常容易出現(xiàn)崩角，造成嚴重磨損。

4.1.4 開挖斷面的地質(zhì)均勻程度

軟硬不均巖層過渡段，軟硬差異度大，盾構(gòu)通過時容易發(fā)生滾刀損壞。

4.2 滾刀結(jié)構(gòu)功能因素

滾刀的磨損與滾刀本身的結(jié)構(gòu)、對巖土的適應(yīng)性以及破巖能力密切相關(guān)。

4.2.1 滾刀各部件質(zhì)量

會對刀具磨損產(chǎn)生不利的影響［3］。

4.2.2 滾刀裝配扭矩

裝配扭矩過小，易導(dǎo)致滾刀軸承密封損壞；滾刀裝配扭矩過大，會造成滾刀無法正常轉(zhuǎn)動，引起刀具偏磨。

4.2.3 刀圈形式

滾刀刀圈有光面和鑲齒兩種形式，相同巖層中，光面滾刀和鑲齒滾刀磨損形態(tài)有較大差異。在堅硬的巖層中，鑲齒滾刀往往容易崩齒、掉齒，磨損更快；而在相對偏軟的巖層中，鑲齒滾刀切削效果更強，且不易發(fā)生偏磨。

4.2.4 滾刀直徑

滾刀直徑需因地制宜進行選擇，本項目中心刀采用17寸，正面和邊緣滾刀采用19寸；施工實踐證明在相同地層條件下，滾刀隨直徑增大，破碎量逐漸減少，19寸的滾刀破巖能力更有效［4］。

4.2.5 刀刃的數(shù)量

本項目主要采用雙軸雙刃滾刀，僅邊緣采用3 把單刃滾刀；軟巖中掘進，單刃滾刀效果較好，硬巖地層掘進，雙軸雙刃滾刀效果較好。

4.3 施工控制因素

復(fù)合地層的施工技術(shù)控制是其最大特點是時常要建立土壓平衡或泥水平衡，平衡的建立，使?jié)L刀磨損的機理更復(fù)雜。施工技術(shù)控制涉及到滾刀磨損的具體因素有：有效推力、掘進速度、泥水壓力、土倉內(nèi)溫度、開挖面動摩擦系數(shù)的變化、貫入度控制及刀具管理等［5］。

4.3.1 有效推力控制

滾刀轉(zhuǎn)動必須有足夠的有效推力作用于滾刀上，使?jié)L刀與巖層產(chǎn)生足夠的摩擦力，達到破巖作用。若有效推力不足，會造成啟動力矩過小，刀具難以轉(zhuǎn)動造成滾刀偏磨。

4.3.2 貫入度控制

硬巖中貫入度過大，造成滾刀與刮刀同時破巖，不僅對刮刀造成嚴重損害，滾刀破巖能力受刮刀影響，也會有所降低。

4.3.3 刀具管理控制

基于經(jīng)濟考慮和其他原因，同一刀盤有時會布置不同廠家，不同材質(zhì)（即使直徑、結(jié)構(gòu)、功能相同）的滾刀或者沒有對掘進中的刀盤、滾刀勤檢查、勤更換，結(jié)果將會發(fā)生“骨牌效應(yīng)”式的滾刀損壞，起先只有一把滾刀磨損較嚴重，沒有更換，結(jié)果是陸續(xù)不斷直至全部損壞［6］。

開挖面不平整常見于滾刀更換后或開挖面和盾構(gòu)刀盤面不平行時，若設(shè)定刀盤轉(zhuǎn)速快、掘進速度過快，導(dǎo)致刀盤轉(zhuǎn)動時，瞬間會產(chǎn)生一個非常大的彎矩，造成滾刀刀圈崩裂或崩角。

5 關(guān)于大盾構(gòu)復(fù)合地層常壓刀盤刀具管理技術(shù)方面的思考

常壓刀盤滾刀布置間距偏大，邊緣滾刀線速度大［7］。開挖直徑15.8 m 的盾構(gòu)機刀盤每轉(zhuǎn)動1圈最外側(cè)滾刀行走軌跡為49.6 m。根據(jù)硬巖掘進刀具破巖機理，為更好的達到破巖效果，必須時刻謹記發(fā)揮每把刀具的破巖作用。由于刀具磨損和異常情況，會發(fā)生刀具異常損壞和偏磨，如未及時發(fā)現(xiàn)和更換，該軌跡上的刀具會先發(fā)生偏磨破壞，偏磨和磨損嚴重會在掌子面產(chǎn)生巖脊現(xiàn)象，當新?lián)Q刀具后，因為巖脊的存在，該新?lián)Q刀具最先接觸掌子面進行破巖，極易發(fā)生刀具的異常損壞。

所以如何快速查找出最先損壞刀具——即零號刀具非常關(guān)鍵。大直徑盾構(gòu)機在復(fù)合地層中掘進，要時刻保持刀具軌跡線完整，通過刀具旋轉(zhuǎn)檢測、溫度檢測和磨損檢測情況，結(jié)合同一地層刀具磨損規(guī)律，及時進行刀具抽檢和更換，避免出現(xiàn)刀具的短板效應(yīng)。

5.1 刀具檢測裝置要具有準確性和可靠性

大直徑常壓到刀盤盾構(gòu)大多配置滾刀旋轉(zhuǎn)、溫度、刀具磨損檢測裝置，刀具狀態(tài)監(jiān)測中，旋轉(zhuǎn)和溫度檢測最為重要，能夠及時發(fā)現(xiàn)問題刀具并及時更換，如表2所示。為保證刀具監(jiān)測裝置的準確性和可靠性，需要做好以下3點：①滾刀檢測裝置需要具有足夠的耐磨性；②檢測裝置發(fā)射器接頭需要具有防水功能；③滾刀上鑲嵌磁鐵需要具有耐磨保護措施。

表2 刀具傳感器常見失效形式及改進措施Tab.2 Common Failure Forms and Improvement Measures of Tool Sensor

5.2 及時更換問題刀具

通過滾刀旋轉(zhuǎn)和溫度檢測裝置，可以及時掌握刀具的狀態(tài)，但在日常盾構(gòu)掘進過程中，為滿足生產(chǎn)進度要求，有時設(shè)備管理人員會受生產(chǎn)管理人員約束，發(fā)現(xiàn)問題刀具后不能立即做出停機更換刀具的指令，而會等到掘進完成再進行檢查換刀作業(yè)。這樣常常會造成刀具過度磨損或偏磨損壞，而且在該軌跡上形成巖脊現(xiàn)象，嚴重的會加劇相鄰刀具的磨損和損壞，這種方法不利于盾構(gòu)掘進施工，春風(fēng)隧道項目前100環(huán)過程中，當發(fā)現(xiàn)刀具報警后，需等到推進完成后再進行換刀，造成大量刀具過度磨損和偏磨，影響相鄰刀具的破巖效果。

盾構(gòu)在中、微風(fēng)化碎裂巖掘進過程中，由于刀盤振動較大，經(jīng)常會發(fā)生常壓滾刀螺栓松動、甚至脫落的現(xiàn)象，刀具受到軸向力作用導(dǎo)致端蓋間隙增大，導(dǎo)致金屬浮動密封失效，造成刀具軸承漏油損壞。需要采取防止刀具螺栓松動和掉落的改進措施。

5.3 盾構(gòu)掘進參數(shù)控制

5.3.1 刀盤轉(zhuǎn)速的控制

大直徑盾構(gòu)在上軟下硬地層中掘進時，適當減小刀盤轉(zhuǎn)速，建議值為1.2～1.5 r/min，減少刀具受到的沖擊載荷，避免刀圈斷裂，結(jié)構(gòu)變形。

在全斷面巖層中掘進，可以根據(jù)同一地層盾構(gòu)掘進參數(shù)的變化進行分析判斷，通過對比推力、扭矩和掘進速度的變化，來保證刀具軌跡線連續(xù)、完整。

5.3.2 掘進效率控制

為提高掘進效率可適當提高刀盤轉(zhuǎn)速，建議刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.5～2.0 r/min。反之，若掘進參數(shù)變化比較大，渣樣粒徑大小不一，則應(yīng)降低刀盤轉(zhuǎn)速，保護刀盤刀具。當掘進一段時間，盾構(gòu)掘進參數(shù)穩(wěn)定后，可再進行調(diào)整。

5.3.3 推力扭矩調(diào)整

復(fù)合地層地質(zhì)變化較快，大直徑盾構(gòu)在不同地層中，所采用的推力、扭矩也不相同，同樣條件下，盾構(gòu)機在巖層中掘進所用推力、扭矩較大，當推力、扭矩超出滾刀設(shè)計最大負載時，會造成刀具的異常損壞［8］。根據(jù)地層變化、巖層強度，完整性適當控制刀盤擠壓力，調(diào)整掘進推力和扭矩，是提高刀具壽命的重要保證［8］。

根據(jù)刀盤刀具布置情況，中心滾刀12 把滾刀為17寸，設(shè)計最大推力為250 kN，正面和邊滾刀77把滾刀為19寸，設(shè)計最大推力為315kN，按89把滾刀來計算刀盤的推力，即刀擠壓力設(shè)計值F=12×250+77×315=27 255 kN。

根據(jù)本項目盾構(gòu)掘進施工經(jīng)驗：花崗巖地層掘進參數(shù)宜控制在：貫入度5～10 mm/r，掘進速度10～15 mm/min，擠壓力1 200 t以下，刀盤扭矩12 000 kN·m以下。碎裂巖地層參數(shù)宜控制在：貫入度8～12 mm/r，掘進速速15～25 mm/min，刀盤扭矩10 000 kN·m 以下，擠壓力1 000 t以下。

5.4 地質(zhì)巖樣和掘進渣樣分析

盾構(gòu)掘進前要通過各種勘察手段清楚掌握地質(zhì)狀況，包括巖性、巖石強度，完整性等參數(shù)。盾構(gòu)掘進過程中，對分離出的渣土進行取樣分析，查明渣樣粒徑大小、形狀，節(jié)理發(fā)育情況，和實際地勘資料進行對比分析，必要可做顆粒分析和強度檢測，以指導(dǎo)盾構(gòu)掘進施工，根據(jù)地層變化情況，及時調(diào)整各項盾構(gòu)掘進參數(shù)。

5.5 可以嘗試輔助氣壓掘進模式［9］

輔助氣壓平衡是利用自然空氣注入到艙內(nèi)來平衡固相與液相分離的開挖面，固相與液相混合的渣土、盾構(gòu)密封三大系統(tǒng)的油脂（液相）。

自然空氣均勻、比重輕、流動快，無孔不入，自然空氣注入到土艙內(nèi)與土艙中下部渣土達到平衡，并與渣土共同平衡開挖面，進入盾殼和地層的開挖間隙，平衡盾殼周圍土體和地下水，同時平衡盾構(gòu)密封系統(tǒng)-主軸承密封、盾尾密封系統(tǒng)。

根據(jù)實踐經(jīng)驗表明，輔助氣壓掘進有以下顯著優(yōu)點：

⑴減輕盾構(gòu)掘進負荷，可采用輔助氣壓掘進模式掘進，以減少艙內(nèi)渣土量，降低刀盤扭矩，減小掘進總推力，增大有效推力。

⑵降低刀盤刀具磨損，輔助氣壓掘進可以有效降低艙內(nèi)渣土高度，有效減輕開挖面同艙內(nèi)渣土對刀具及刀盤的磨損。

⑶提高掘進效率，減輕盾構(gòu)掘進負荷后可提高有效推力，可有效提升掘進速度，提升盾構(gòu)總體掘進效率，同時改善盾構(gòu)掘進循環(huán)內(nèi)部環(huán)境。

5.6 刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進

大直徑常壓刀盤盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進，要不斷摸索和總結(jié)規(guī)律，不同改進和優(yōu)化刀具形式和結(jié)構(gòu)。在不同巖性、不同強度地層中掘進，合理選用刀具類型非常必要，根據(jù)以往經(jīng)驗，在巖石強度低于60 MPa，可選用鑲齒合金刀，巖石輕度高于60 MPa，宜選用光面盤型滾刀［10］。通過不斷改進和優(yōu)化，提高刀具壽命，本項目采用在滾刀刀圈和刀轂上噴涂耐磨陶瓷涂層，有效改善刀筒積渣帶來的刀具二次磨損問題。

5.7 有效解決刀筒沖刷，避免刀具二次磨損

常壓刀盤盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進，刀筒積渣，刀具二次磨損嚴重，直接影響盾構(gòu)掘進效率和刀具成本，刀筒積渣目前還未有效解決這一問題，需要施工單位和盾構(gòu)生產(chǎn)廠家專門研究。

6 結(jié)語

盾構(gòu)施工過程中，采用科學(xué)的管理手段，先進可靠的刀具檢測技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)問題刀具，做到有疑必檢、及時更換，加強刀具管理，能夠保證對刀具的保護。同時采用優(yōu)化盾構(gòu)掘進參數(shù)和掘進模式的轉(zhuǎn)變，發(fā)揮刀具的最佳破巖效率，提高施工功效。

本文通過對刀具磨損和損壞規(guī)律的統(tǒng)計分析，研究了刀具管理、檢測技術(shù)及掘進參數(shù)的管理和優(yōu)化，對大直徑盾構(gòu)復(fù)合地層常壓刀盤刀具配置優(yōu)化及管理技術(shù)進行了總結(jié)，為后續(xù)類似工程提供參考。