朱牧原,魏力峰,陳 爽,方 勇

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031； 2.中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司,南京 211800)

引言

盾構(gòu)法以其自動化程度高、安全快速、對周圍環(huán)境影響小等特點已逐漸成為城市交通隧道建設(shè)的主流工法[1]。盾構(gòu)刀具作為關(guān)鍵掘進裝置，其磨損情況對盾構(gòu)施工效率、施工質(zhì)量及施工安全至關(guān)重要。盾構(gòu)刀具磨損乃至失效會引起刀盤扭矩增大，降低掘進速度，甚至中途停機，極大地增加了工程風險和成本[2-3]。

對于盾構(gòu)掘進中刀具與地層間的相互作用機理，國內(nèi)外學者已展開了大量研究，管會生等[4-5]通過分析刀具磨損原因，提出了刀具更換次數(shù)與刀具壽命預(yù)測的分析方法；趙峻等[6]通過對盾構(gòu)掘進過程中刀盤刀具的受力分析，提出了刀盤磨損系數(shù)，同時建立了一套適用于砂性地層深埋泥水盾構(gòu)的刀具磨損計算方法；吳俊等[7-8]從金屬摩擦學角度，提出了磨損的不同機制，認為盾構(gòu)刀具磨損主要來源于金屬與巖土體壓碎區(qū)相互作用時產(chǎn)生的磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損等機制的組合作用，并在前人基礎(chǔ)上完善了刀具磨損預(yù)測模型。在磨損預(yù)測的數(shù)學方法上，LI等[9]提出通過區(qū)間變量的方法對刀具磨損進行評估，并結(jié)合工程實例進行了演示。運用數(shù)值模擬手段，張魁等[10]利用離散元法設(shè)計數(shù)值實驗，對滾刀破巖模式、滾刀間距、巖石破碎程度等因素的影響進行了分析。在實驗方法上，張明富等[11]通過相似模型試驗，對土壓盾構(gòu)切削刀磨損進行研究，得出了盾構(gòu)參數(shù)與磨損系數(shù)的數(shù)學關(guān)系式，以及掘進參數(shù)的合理選擇范圍；陳子義[12]首先通過ABAQUS建立了滾刀破巖模型，引入正交實驗方法研究了掘進參數(shù)與刀具磨損的相關(guān)性，并最終基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了刀具磨損量預(yù)測模型。

結(jié)合我國近年來的大量工程實踐，對盾構(gòu)刀具的磨損規(guī)律也進行了不少分析與經(jīng)驗總結(jié)。李強等[13]依托杭州地鐵2號線某盾構(gòu)區(qū)間工程，對盾構(gòu)穿越上軟下硬復合地層時的刀具磨損情況及刀具磨損所致的施工異?，F(xiàn)象進行了分析，提出可行的處理措施與控制刀具磨損優(yōu)化方法；李雪等[14]基于南京某越江隧道工程，對大直徑泥水盾構(gòu)在砂卵石地層中的刀具磨損特點進行了分析，探討了盾構(gòu)先行刀在不同地層類型和不同地層比例下的磨損規(guī)律，提出了減小刀具磨損的可行措施；袁立斌，張明富等[15-17]針對成都、北京地區(qū)砂卵石地層，基于成都地鐵17號線和北京新機場線等工程對盾構(gòu)刀具在該類地層中的刀具布置、磨損類型、磨損規(guī)律及預(yù)測等進行了研究與探討；江華等[18]結(jié)合北京新機場線某工程對在砂卵石地層中先行撕裂刀及刮刀布置進行了現(xiàn)場原位實驗研究，提出了優(yōu)選布置模式；韓冰宇等[19]基于深圳地鐵9號線某工程對滾刀、切刀、刮刀等不同刀具在復合地層中的磨損規(guī)律進行分許，并引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，通過掘進參數(shù)對刀具磨損做出預(yù)測，得到了較好的結(jié)果；閔凡路等[20]結(jié)合近年來的工程經(jīng)驗，主要對滾刀和刮刀切削與磨損機理的研究從理論、實驗等角度進行了總結(jié)，并對刀具的磨損監(jiān)測、數(shù)值模擬研究、選型布置優(yōu)化等方面作出了展望。

國內(nèi)現(xiàn)有對盾構(gòu)的刀具磨損研究較多集中于滾刀、刮刀等在硬巖地層、上軟下硬復合地層，亦或全斷面砂卵石地層的磨損機理與磨損規(guī)律，對于先行撕裂刀等在砂卵石與黏土、粉土等軟土夾雜的復雜地層中磨損分析與研究則涉及較少。基于京張鐵路清華園盾構(gòu)隧道3號～2號區(qū)間工程，對盾構(gòu)撕裂刀及刮刀的配置組合在含砂卵石復合地層中的磨損情況進行研究，分析刀具布置合理性以及在該類地層中撕裂刀磨損規(guī)律，旨在為類似工程提供參考。

1 工程概況

京張鐵路清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間工程采用2臺φ12.64 m泥水平衡盾構(gòu)機掘進，共設(shè)2處接收井與1處始發(fā)井，分為3號～2號區(qū)間(區(qū)間長約1 741 m)與2號～1號區(qū)間(區(qū)間長約2 700 m)。清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間穿越地層屬典型砂卵石復合地層?？傮w來看，隧道上覆地層為人工填土層和第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)。沖積層上部為硬塑粉質(zhì)黏土、粉土組合，局部夾雜砂卵石土；下部多為卵石土地層，局部夾雜粉質(zhì)黏土、砂土。隧道沿線地層中，卵石土地層占主，粉質(zhì)黏土次之，地層整體比例情況如圖1所示。

圖1 地層整體比例

在3號～2號盾構(gòu)區(qū)間的實際掘進過程中，始發(fā)斷面為全斷面粉質(zhì)黏土地層，隨著盾構(gòu)不斷掘進，開挖地層中砂卵石占比逐漸增多，進入復雜互層段，直至最終進入砂卵石土段，此時全斷面砂卵石占絕大多數(shù)。其中，復雜互層段在開挖斷面處存在卵石土、粉質(zhì)黏土、粉土和砂土等夾雜的情況，是3號～2號盾構(gòu)區(qū)間穿越的較為復雜地層段。3號～2號區(qū)間地層斷面如圖2所示。

圖2 3號～2號盾構(gòu)區(qū)間地層斷面示意

2 刀盤刀具配置

綜合考慮盾構(gòu)在砂卵石地層中的排渣要求、大直徑盾構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度、泥水盾構(gòu)掌子面穩(wěn)定性要求等因素，盾構(gòu)機采用輻條-面板式刀盤，刀盤直徑12.64 m，設(shè)計開口率為36%。同時，在刀盤中心預(yù)留中空區(qū)域，方便技術(shù)人員檢查前方刀具磨損情況，進行換刀作業(yè)。

結(jié)合上述地層特點，刀盤主要采用切削型刀具配置，共設(shè)置5個刀臂，齒刀、刮刀與先行撕裂刀等各種刀具在刀盤上交錯排列，使切割軌跡重疊，刀盤實物如圖3所示。其中，刮刀共計100把，寬220 mm，并配有先行刀撕裂刀38把、超挖刀2把、周邊鏟刀10把。在長距離掘進下，采用常壓換刀技術(shù)，在3號～2號盾構(gòu)區(qū)間段采用刮刀與先行撕裂刀組合配置，刮刀46把、先行刀34把。

圖3 清華園盾構(gòu)刀盤實物

3 現(xiàn)場開倉檢查情況

從摩擦學的角度來看，在砂卵石地層中，土體較為松散，刀具多與巖土顆粒發(fā)生磨粒磨損，同時存在大粒徑卵石沖擊磨損的可能性。從刀具的磨損特點來看，砂卵石土地層一般更易形成非正常磨損[17]。在3號～2號盾構(gòu)區(qū)間掘進過程中，為保證施工安全，分析刀具磨損情況，共進行5次常壓開倉檢查，開艙位置分別對應(yīng)盾構(gòu)掘進第230環(huán)、272環(huán)、321環(huán)、338環(huán)和394環(huán)處。經(jīng)檢查，撕裂刀(SLD)和左右刮刀(LGD 、RGD)均出現(xiàn)嚴重磨損情況，且存在偏磨、崩齒等非正常磨損，現(xiàn)場情況如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場部分刀具磨損實物

刀具開倉檢查時根據(jù)磨損量對現(xiàn)場刀具磨損程度作出測定，磨損量即為所測刀具實際高度尺寸與刀具初始標準高度尺寸之差。

盾構(gòu)機于3號～2號區(qū)間掘進至230環(huán)處，穿越地層以粉質(zhì)黏土為主，全長約300 m，開挖斷面下部夾雜少量砂卵石土。于230環(huán)處，待檢查磨損刀具共3把，分別為33號撕裂刀、32號撕裂刀和33號右刮刀。經(jīng)量測，刀具磨損量均在15 mm以下，但32號撕裂刀存在非正常偏磨和螺栓孔磨損，后對其進行更換。于230環(huán)至272環(huán)，盾構(gòu)共掘進約84 m后再次停機檢查，該區(qū)段以粉質(zhì)黏土為主，砂卵石次之，粉質(zhì)黏土與砂卵石地層占比約為2∶1。272環(huán)處開倉后，發(fā)現(xiàn)刀具磨損較為嚴重，出現(xiàn)明顯磨損的刀具共18把，更換刀具14把，僅中心刀、12號撕裂刀、30號右刮刀和32號左刮刀仍可繼續(xù)使用。刀具磨損量多在15 mm以上，部分刀具磨損量達到40 mm，另有31號撕裂刀存在非正常偏磨。始發(fā)至272環(huán)處現(xiàn)場情況整理如表1所示，其中ZXD表示為中心刀。

表1 始發(fā)～272環(huán)刀具磨損情況統(tǒng)計 mm

從272環(huán)至338環(huán)，盾構(gòu)共行進約130 m，該區(qū)段開挖地層情況中砂卵石地層相較于前，占比變化較大，其總體比例逐漸超過50%，先后于321環(huán)、338環(huán)處進行停機檢查。于321環(huán)處更換內(nèi)側(cè)12號撕裂刀，于338環(huán)處，再次檢查時發(fā)現(xiàn)33號和32號撕裂刀均存在非正常偏磨現(xiàn)象。從338環(huán)至394環(huán)，盾構(gòu)共掘進約112 m，該段在開挖斷面上砂卵石地層比例完全超過粉質(zhì)黏土，砂卵石與粉質(zhì)黏土含量比值約為1.5∶1。開倉后，發(fā)現(xiàn)刀具磨損十分嚴重，待檢查刀具共25把，包括撕裂刀18把和刮刀7把。其中，撕裂刀磨損量多大于20 mm，刮刀磨損量則多在10～20 mm。共發(fā)現(xiàn)6處非正常磨損，包括1處崩齒和5處偏磨，共更換刀具23把。272至394環(huán)處刀具磨損統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 272～394環(huán)刀具磨損情況統(tǒng)計 mm

4 刀具磨損特點分析

4.1 刀具磨損分布情況

根據(jù)上述開倉的現(xiàn)場統(tǒng)計結(jié)果，將刀具磨損分布情況整理如圖5所示，圖5中綠色表示從未更換過的刀具，藍色表示僅更換過1次的刀具，棕色表示累計更換過2次的刀具，紅色代表更換過3次及以上的刀具，其更易受到嚴重磨損。

圖5 刀具磨損分布情況

從圖5可明顯看出，對于先行撕裂刀來說，外側(cè)撕裂刀的整體磨損情況明顯嚴重于內(nèi)側(cè)，呈現(xiàn)出磨損程度隨刀具安裝半徑增大而增大趨勢，符合刀具軌跡半徑越大，磨損量累積越多的基本規(guī)律。其中，外側(cè)28SLD、30SLD、31SLD、32SLD、33SLD等為典型嚴重磨損撕裂刀，在掘進期間進行更換后仍然產(chǎn)生較大磨損量或非正常磨損，出現(xiàn)“磨損-更換-嚴重磨損”現(xiàn)象。

從不同刀臂的刀具磨損情況來看，外側(cè)撕裂刀的磨損存在一定程度不對稱分布，如3號臂最外側(cè)撕裂刀最大磨損達到65 mm，明顯高于1號臂與2號臂的撕裂刀最大磨損量，磨損整體也更深入刀盤內(nèi)側(cè)。以3號臂32SLD為例，在掘進過程中經(jīng)歷3次以上更換，其“磨損-更換-嚴重磨損”現(xiàn)象也更為突出。

同時，比較撕裂刀與刮刀，先行撕裂刀磨損也要更嚴重，結(jié)合表1、表2，刮刀更換次數(shù)較少且大部分磨損量明顯小于撕裂刀。根據(jù)清華園隧道工程先行撕裂刀與刮刀組合配置的特點，刮刀布置于刀臂兩側(cè)，在盾構(gòu)推進過程中嵌入地層掘削、剝落土體，而刀臂中間處的先行撕裂刀則高出刮刀一定高度，先于刮刀沖擊破碎地層，保護刮刀?？梢娫谏奥咽c粉質(zhì)黏土夾雜的地層特點下，先行撕裂刀犁松效果明顯，刮刀得到了較為有效的保護，但外側(cè)撕裂刀在該地層下磨損嚴重。

相對于刮刀來說，刀盤內(nèi)側(cè)刮刀幾乎未受嚴重磨損，對刮刀的更換僅局限于各刀臂最外側(cè)零星區(qū)域。其中，31LGD與31RGD磨損相對嚴重，因此，除為刀具安裝半徑等因素造成磨損累積過大所導致外，從磨損分布來看，可能為所在刀臂撕裂刀(如19SLD、24SLD、20SLD等)磨損向刀盤內(nèi)側(cè)深入，致其犁松能力明顯減弱。

4.2 刀具磨損變化趨勢分析

從現(xiàn)場情況來看，3號～2號盾構(gòu)區(qū)間所開挖地層隨不斷掘進變化較大。同時，刀具磨損變化特別是先行撕裂刀隨地層條件的差異也有較大變化。該工程條件下，盾構(gòu)刀具磨損特點及其同地層條件之間的變化關(guān)系仍需進一步探討。

為更好地探究盾構(gòu)刀具在該地層條件下的磨損特點，通過式(1)與式(2)計算得刀具切削軌跡長度l和刀具磨損系數(shù)k，并做進一步分析。

l=L×N×π×d/v

(1)

k=δ/l

(2)

式中，L為兩次刀具檢查之間的掘進距離；N為刀盤轉(zhuǎn)速；d為刀具安裝半徑；δ為刀具磨損量。

以先行撕裂刀為主要研究對象，部分已檢查先行撕裂刀的刀具安裝半徑整理見表3。

表3 部分撕裂刀的刀具安裝半徑 m

同時，針于變化較大的地層情況，進行合理地層劃分。由于在盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)掘進參數(shù)和盾構(gòu)機工作情況同實際地層條件相關(guān)。其中，刀盤扭矩與掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)密切相關(guān)，可較好地反映刀具磨損和地層條件的變化[15]。為更好地了解實際掘進情況，整理3號～2號盾構(gòu)區(qū)間220環(huán)至400環(huán)間的刀盤扭矩數(shù)值，如圖6所示。

圖6 刀盤扭矩變化

從圖6可以看出，在275環(huán)之前，刀盤扭矩增長緩慢，基本在6～8 MN·m之間變化；在275環(huán)之后，刀盤扭矩變化較為劇烈，變化范圍在6～11.5 MN·m，盾構(gòu)掘進的地層條件與刀具磨損情況發(fā)生了顯著變化。刀盤扭矩變化與開倉檢查的刀具磨損情況較為一致。為方便對比不同地層條件下的刀具磨損趨勢，結(jié)合盾構(gòu)參數(shù)變化和實際開倉情況，將掘進區(qū)段分為掘進前段(0～272環(huán)，全長約430 m)和掘進后段(272～394環(huán)，全長約245 m)。

4.2.1 刀具磨損隨安裝半徑變化

結(jié)合地勘情況可見，在掘進前段，粉質(zhì)黏土地層占比保持在60%以上；在掘進后段，砂卵石地層占比逐漸增多，粉質(zhì)黏土層占比逐漸小于40%。對上述現(xiàn)場情況按地層條件進行統(tǒng)計，將兩段不同地層條件下刀具磨損隨安裝情況的變化整理如圖7所示。

圖7 刀具磨損統(tǒng)計

從圖7可見，掘進前段撕裂刀的磨損系數(shù)基本在0.01～0.02 mm/km之間，最大為0.06 mm/km；掘進后段撕裂刀的磨損系數(shù)分布則較為離散，多在0.02～0.05 mm/km之間。掘進前后兩段磨損系數(shù)差值多在2～3倍。

同時，掘進后段刀具的磨損系數(shù)隨刀具安裝半徑變化十分明顯，變化率約為0.014 mm/(km·m)，而在掘進前段，刀具磨損系數(shù)隨刀具安裝半徑變化較小，變化率僅為0.003 9 mm/(km·m)?？梢?，砂卵石占比增多情況下，與刀具安裝半徑相關(guān)的刀具切削軌跡長度對刀具磨損的影響較大，隨著切削軌跡增加，撕裂刀磨損呈劇烈且不穩(wěn)定變化。

4.2.2 刀具磨損隨切削軌跡變化

為進一步分析不同地層特點下刀具磨損的變化規(guī)律，將撕裂刀磨損量與切削軌跡長度的關(guān)系整理如圖8、圖9所示。由于在實際工程中，對單個刀具磨損無法隨切削累積隨時開倉檢查，因此，統(tǒng)計每次開倉時不同安裝半徑處撕裂刀磨損量與切削軌跡長度，以不同位置撕裂刀的磨損狀況代替單個撕裂刀在掘進中的不同磨損階段。

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，掘進前段刀具的磨損變化基本可分為3個階段：第一階段，切削軌跡長度小于1 200 km時，刀具磨損隨切削穩(wěn)定增長，且符合線性變化規(guī)律，該階段磨損量在20 mm以下，刀具平均磨損系數(shù)約為0.012 5 mm/km；第二階段，切削軌跡長度對應(yīng)為1 200～1 500 km，磨損量隨切削軌跡增大，變化較前一階段趨緩，磨損量保持在20 mm左右；第三階段，當切削軌跡長度超過1 500 km后，刀具磨損進入急劇磨損階段，磨損量增長劇烈且不規(guī)律，進入此階段的刀具(如30SLD)存在非正常磨損現(xiàn)象。此時撕裂刀磨損較為符合切削刀具“初期磨損-正常磨損-急劇磨損”的典型變化規(guī)律[17]。

圖8 掘進前段撕裂刀磨損情況

圖9 掘進后段撕裂刀磨損情況

在掘進后段，由于磨損的離散性增強，為方便分析，直接采用分段擬合的形式，由圖9可以看出，刀具磨損由三階段變?yōu)?個階段：在第一階段，切削軌跡長度小于800 km，此階段刀具磨損在20～25 mm之間，磨損變化并不明顯；當切削軌跡長度超過800 km時，刀具即進入急劇磨損階段，在初期磨損后缺乏過渡階段，其最大磨損量超過60 mm，平均磨損系數(shù)達0.12 mm/km，該階段磨損量變化較掘進前段更為明顯，分布也更為離散，且進入此階段刀具(如30SLD、28SLD)在偏磨、崩齒等非正常磨損現(xiàn)象突出。不難發(fā)現(xiàn)，在粉質(zhì)黏土地層占主的掘進前段，先行撕裂刀的最大容許切削軌跡線長度應(yīng)在1 500 km以下，在砂卵石地層占主的掘進后段，先行撕裂刀的最大容許切削軌跡長度應(yīng)在800 km以下。

5 分析與討論

在砂卵石地層中，撕裂刀破巖主要依靠隨刀盤轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的沖擊力形成錘擊，對地層中的卵石、礫石、飄石等進行破碎。沖擊荷載為撕裂刀在接觸堅硬巖土體時所遇主要荷載。在3號～2號區(qū)間盾構(gòu)行進過程中，盾構(gòu)刀盤在物理力學性質(zhì)迥異的地層中運動，同時推進速度始終保持在15～20 mm/mim，刀盤轉(zhuǎn)速為1.2～1.3 r/min、推力保持在50 000 kN的情況下，刀具受力難以保持穩(wěn)定，最終體現(xiàn)在刀盤扭矩的變化上(圖6)，特別對于外側(cè)刀具來說，在大粒徑砂卵石顆粒與刀具之間極易產(chǎn)生不穩(wěn)定的沖擊荷載，導致過度乃至非正常磨損。在掘進后段中，隨著大粒徑卵石增多，刀具線速度增大所致的沖擊荷載增長也更為明顯，導致了圖9中極為離散的磨損分布以及急劇的磨損增長。

同時，撕裂刀先行沖擊的模式在實際施工中易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于撕裂刀掘削過程中先行伸入地層，刀具越高，所受沖擊越大，新更換撕裂刀與舊撕裂刀之間存在高度差，新更換刀具高度更高，首先接觸地層，如圖10所示，最易受到應(yīng)力集中，造成非正常磨損。

圖10 新更換撕裂刀應(yīng)力集中現(xiàn)象

從應(yīng)力集中的角度來看，對于28SLD、31SLD、32SLD等外側(cè)先行撕裂刀，由于受到較大沖擊荷載，較先發(fā)生磨損，因而先行更換，進而產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終導致嚴重的磨損現(xiàn)象。同時，由于刀具磨損存在一定離散性，該現(xiàn)象在個別刀具上會更加惡化。如32SLD最先磨損更換，存在一定偶然性，但進入砂卵石地層后，由于最先受到應(yīng)力集中影響，造成其磨損更為嚴重，所在刀臂應(yīng)力分布更加不均勻，導致一定的不對稱磨損。

6 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)現(xiàn)場刀具磨損統(tǒng)計，刀具磨損量隨切削軌跡長度增長呈增大趨勢，且撕裂刀磨損程度高于刮刀。證明清華園隧道工程的刀具配置在砂卵石與軟土復合地層中，可有效減少刮刀損傷。

(2)當?shù)貙又蟹圪|(zhì)黏土比例高于砂卵石時，撕裂刀磨損變化可分為3個階段，刀具最大容許切削軌跡長度小于1 500 km；當?shù)貙又幸陨奥咽癁橹鲿r，刀具磨損可分為2個階段，刀具最大容許切削軌跡長度小于800 km。

(3)先行撕裂刀在差異較大地層中工作時，受堅硬巖體的沖擊荷載影響較大，同時對于外側(cè)撕裂刀的更換易導致新刀具的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最終加劇外側(cè)刀具磨損。

(4)在砂卵石與軟土復合地層中，應(yīng)隨時關(guān)注刀盤扭矩變化，在砂卵石含量較高地段應(yīng)及時取較低刀盤轉(zhuǎn)速掘進；對于外側(cè)刀具，可通過增設(shè)先行刀或加強刀具強度的方式減少磨損；對部分新更換撕裂刀需進行加固處理，以減少應(yīng)力集中影響。