復合地層中盾構機刀具磨損的優化研究

鄭強

（中鐵十二局集團第四工程有限公司，西安710000）

1 刀具磨損對于盾構機使用的重要影響

首先，盾構機由盾構主機和后配套設備共同構成，其中，盾構刀盤負責盾構機的開挖作業，主要借助盾構刀具對機體前方土體進行切割，這意味著盾構機的作業速率完全由刀具的鋒利程度來決定，只有刀具與土體結構相適應，盾構機才能較為快速地前行。由于復合地層土質較為復雜，工作人員在選擇盾構刀具時往往會比較困難，這就使得盾構刀具容易在復雜多樣的土層作用下快速磨損，進而在短時間內出現刀具老化問題[1]。其次，雖然在長期的探索實踐中，有關盾構機刀具磨損規律的相關理論已初步完善，但針對不同土層的刀具磨損尚未得到完全掌握，其中，包括刀具負荷、磨損速率等要素在內的相關研究仍處于相對匱乏狀態，這導致在實際盾構機作業中，即使選用了較為負荷土層特點的盾構刀具，但仍無法判斷刀具的更換周期，因此，刀具很容易在長期使用中，因更換不及時而徹底喪失作用，并影響地下作業的工作進度。最后，由于我國盾構刀具研究較少，大多數地下施工企業購買的盾構刀具均來自國外，導致施工成本增加，使得國內盾構機作業乃至整個地下交通施工事業的發展均受到制約。

2 工程案例分析

2.1 工程概述

基于盾構機刀具磨損問題，本文以深圳地鐵5 號線工程為例。該工程全長1278m，主要地質特征表現為礫質黏性土和全風化花崗巖，同時巖石強度處于較高水平，使用盾構機進行作業技術難度相對較大，干擾因素較多，作業過程有可能出現安全問題。

2.2 盾構機刀具配置

由于該工程土層相對復雜，因此，為應對不同土層情況，工程選用了滾刀、單刃滾刀、刮刀、邊緣鏟刀、超挖刀等幾種刀具，其中，滾刀安裝高度為175mm，作用在于能夠借助滾動使巖石變為破碎狀，最終起到切削巖石的效果。

2.3 刀具更換情況

依照預期計劃，該工程全程經歷2 次換刀，其中，第1 次換刀位置距離始發點約48 環，共計更換單刃滾刀9 把，其磨損情況如表1 所示，第2 次換刀位置距離始發點約174 環，共計更換單刃滾刀18 把（見表2），但由于此次換刀已經相對較晚，部分刀具已經出現嚴重損壞，甚至盾構機刀座也出現不同程度損壞，這使得刀具更換相對困難，必須借助帶壓方式予以進行。

表1 第1 次更換刀具磨損情況

表2 第2 次更換刀具磨損情況

2.4 其他停機情況

除2 次換刀停機外，該工程盾構機在進行過程中還經歷過一次非正常停機，其位置距離始發點251 環，主要成因為刀盤所致的溫度升高，具體刀盤泄露油溫達50℃，隔板溫度達60℃，已經嚴重影響盾構機正常運行。同時，由于該問題出現位置處于居民區地下，更換刀具具有一定安全風險。

3 刀具磨損原因分析

3.1 復雜的地形條件

我國大部分地下施工工程均為復雜地層，其中以本文研究的深圳地鐵5 號線工程為例，其擁有較多的微風化花崗巖，而這種地質巖石強度較大，僅采用風鎬并不能有效破壞，因此，需借助風鉆鉆孔同時配備膨脹炸藥進行爆破，而此方法十分容易導致刀具磨損。除此之外，由于工程使用了大量的滾刀，而滾刀并不能破壞巖石礦物顆粒，因此，在滾刀作用過程中，刀具始終處于巖石礦物顆粒磨損作用下，且伴隨著礦物顆粒硬度的增大，磨損作用也會更加明顯。

3.2 刀具配置變化

除受復雜地層條件影響外，施工人員的錯誤操作也會導致刀具磨損的加劇，其中以本文工程案例為例，因2 次換刀較晚導致刀具底座損壞，所以9 號滾刀在2 次換刀后并未安裝，這使得盾構機在行進一段距離后發生中心刀脫落問題，雖并未降低盾構機巖石破裂效率，但加大了9 號相鄰刀具的側向壓力，最終造成整個刀盤的損壞。

3.3 掘進參數設置

通常，盾構機的掘進推力應控制在1200t 以下，但一些施工企業為追趕進度，縮短施工周期，常常會將掘進推力提至1200t 以上，而這種一味增加推力的方式不但不能有效提高施工效率，相反還會加劇刀具的損壞，其中最明顯的便是會導致刀具固定螺栓的崩裂。

4 復合地層盾構機刀具磨損問題的優化對策

4.1 巧妙選擇刀具配置

針對不同地層與盾構機刀具的不同適應性，可進一步優化刀具配置，選擇符合地層構成特點的最佳刀具。其中，針對軟弱土地層，刀具配置應以切刀、刮刀為主，同時刀盤應采用面板式結構，并在切刀及刮刀刃口處設置合金耐磨材料，從而起到增加刀具耐磨性、延長刀具使用周期的效果。此外，針對較為復雜的砂層，按照砂層特點合理選擇魚尾刀、仿形刀等特殊刀具，借助多種刀具的不同優勢促使盾構機作業有序完成[2]。

4.2 重視刀具參數設計

基于參數設計對于刀具磨損程度的影響，需就刀具及盾構機參數進行優化設計。一方面，針對滾刀磨損問題，可適當增加滾刀轉動力矩，并在滾刀刀鼓上配以耐磨材料，進而有效防止礦物顆粒對刀體造成磨損；另一方面，針對切削刀磨損問題，可進一步改進刮刀制作材料，并采用更加符合渣土流動狀態的幾何形狀來進行刮刀制作[3]。

5 結語

本文詳細論述了刀具磨損對于盾構機作業的巨大影響，同時也基于現有工程案例分析了刀具磨損的主要成因和有效優化對策。只有進一步完善刀具配置，借助更加符合復雜地層土質特點的刀具進行施工，才能有效提高盾構機作業的工作效率，才能在確保刀具使用壽命的同時，減少因刀具損壞所致的工程損失。