節理密集帶地質硬巖TBM刀盤損壞形式及對策

黃文鵬

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450001)

0 引言

在特長硬巖隧洞工程中，TBM法具有其他施工方法無可替代的優越性。工程實踐表明，TBM法具有掘進速度快、工作效率高、施工安全性好、施工作業環境好和隧道成型好等優點。國內有關專家學者對硬巖TBM施工技術進行了研究［1］，對硬巖TBM掘進與管理［2］，破巖刀具管理［3］、磨損失效［4］與受力分析［5］，刀具的質量控制、維修［6］和刀具異常磨損識別分析［7］等分別提出了相應的觀點和見解。在長大隧道施工通過圍巖破碎帶等特殊地質段時，TBM由于受自身設計的限制，往往會出現不適宜的情況［8］。張學軍等［9］、鄧青力［10］分別提出了軟弱圍巖和節理密集帶圍巖TBM施工技術。

TBM在圍巖自身強度高且節理發育密集的圍巖破碎帶施工時，由于受圍巖節理的影響，巖體整體結構不穩定，垮落大量大塊巖石。對TBM在該圍巖段施工的刀盤刀具損壞以及采取的應對保護措施的研究相對較少。目前，正在施工的吐庫二線中天山鐵路特長隧道，采用敞開式硬巖掘進機TB880E施工。中天山隧道地質復雜，通過多種圍巖地質段，其中TBM累計穿越花崗巖地段節理密集破碎帶4條，石英眼脈發育的砂巖夾片巖節理密集破碎帶1條。在TBM穿越節理密集破碎帶施工中，TBM刀盤刀具損壞概率大大超出一般地質段，成為嚴重制約TBM施工生產進度和增加施工成本的主要因素之一。針對TBM刀盤刀具損壞問題，施工現場及時分析和總結，并在施工過程中采取相應的措施，取得了良好的效果。

1 中天山特長隧道節理密集帶巖性特征

1.1 花崗巖節理密集地段巖性特征

花崗巖節理密集地段圍巖軟硬不均，抗壓強度為90～134 MPa，節理十分發育，自身穩定性較差，地應力環境較復雜，主應力方向與隧道軸線方向基本一致，巖石易發生塌落，掘進巖面凹凸不平。掘進過程中表現為刀盤推力較小，刀具接觸巖面時，掘進巖面容易失穩垮塌，刀盤底部積碴量大且巖石粒徑較大(見圖1)。

圖1 刀盤前面的花崗巖石塊Fig.1 Granite blocks in front of cutter head

1.2 石英眼脈發育的砂巖夾片巖節理密集地段

與花崗巖節理密集地段圍巖類似，石英眼脈發育的砂巖夾片巖節理密集地段圍巖軟硬不均，抗壓強度為60～178 MPa，節理十分發育，自身的穩定性較差，掌子面塊狀崩石嚴重，巖石易發生塌落 (如圖2所示)。

圖2 刀盤前面的砂巖片巖石塊Fig.2 Sandstone and schist stone blocks in front of cutter head

2 TBM破巖掘進原理

目前隧道使用的TBM硬巖掘進機，其基本破巖原理是主機將推進力和旋轉力矩通過刀盤，傳遞到安裝在刀盤上的盤形破巖滾刀，破巖滾刀的刀刃擠壓巖體，擠壓強度超過巖石自身強度而被壓碎、破裂進行破巖，刀盤轉動進行掘進和出碴，破碎的巖石通過刀盤周邊出碴刮刀進入刀盤碴倉，碴倉內的碴料再由皮帶機輸送至碴車或洞外。TBM集掘進、出碴、支護于一體，是一種新型先進的隧道施工機械。

3 TBM刀盤破巖刀具種類和布局

中天山鐵路特長隧道采用TB880E全斷面敞開式硬巖掘進機，刀盤直徑為8 800 mm，共有62把正滾刀、6把中心刀、3把邊刀和2把擴孔刀(合計73把)，采用定軸式17″盤形滾刀;另有刀盤出碴刮刀8組，正面齒刀4組(見圖3)。

圖3 TB880E刀盤Fig.3 Cutter head of TB880E TBM

4 TBM刀盤刀具損壞形式和主要原因

由節理密集帶巖性特征可知，TBM在該地質段施工時，大量大塊巖石從掘進巖面垮落。在垮落過程中，一方面大塊巖石直接撞擊破巖滾刀和刀盤面板;另一方面由于圍巖自身抗壓強度較高，掘進巖面垮落的巖石不易破碎，巖石在滑落過程及刀盤轉動過程中，在刀盤和巖面之間將發生大量的二次撞擊，會直接造成刀具螺栓失效和其他形式的刀具損壞。另外，由于垮落的巖石受力易滾動，破碎效率較低，塊狀巖石不能及時被破巖刀具破碎，大量堆積到刀盤底部;同時由于刀盤刮碴口空間的限制，刀盤底部的巖石不能及時被刀盤出碴刮刀刮進碴倉并輸送至刀盤外，大量石塊繼續堆積在刀盤底部，重復沖擊刀盤刀具和碴倉刮刀，使刀盤刀具損壞加劇。TBM刀盤刀具損壞形式主要有以下幾個方面。

4.1 刀盤面板磨損、變形和破損

TBM刀盤面板在掘進過程中受到刀盤前面大石塊的直接擠壓、碰撞沖擊和摩擦，導致刀盤磨損、變形和破損(見圖4)。

4.2 破巖滾刀損壞形式

在節理密集帶，破巖滾刀直接面對刀盤前方垮落的石塊，由于石塊對其撞擊和沖擊，失效形式和其他圍巖段一樣。主要表現為刀具漏油，刀具軸承損壞，刀圈弦磨，刀具擋圈脫落，刀圈斷裂，刀圈移位，刀體砸壞變形，刀體端蓋磨損，刀具螺栓松、掉、斷等(見圖5)。TBM在正常圍巖段掘進時，這種刀具非正常失效比例占所有失效刀具的10%以下，而在這種節理密集帶巖性下，破巖刀具非正常失效比例可達60%～70%，給TBM施工造成嚴重的損失，必須予以重視。

4.3 刀孔磨損、裂紋

由于巖面石塊較多，破巖滾刀刀孔受到大塊巖石的撞擊、摩擦和擠壓，磨損加劇，過大的沖擊外力和振動致使刀孔磨損開裂。

4.4 破巖滾刀安裝母座擠壓變形

刀盤前方石塊對刀具的沖擊力和擠壓力經刀具傳遞到刀具安裝母座，使刀具安裝母座擠壓變形概率增加;特別是高刀號刀位，刀具線速度比較高，受到的沖擊力和振動較大，破巖刀具安裝母座的變形尤為嚴重(見圖6)。

4.5 刮碴刮刀變形和脫落

刀盤前面大塊巖石的撞擊力超出刮刀連接螺栓的自身強度時，刮刀連接螺栓斷裂失效，致使刮刀受力不均，最終導致刮刀變形或脫落。這種情況發生概率較大，嚴重影響刀盤出碴效率。如果發現或處理不及時，刀盤刀具損壞會加劇，可導致刮刀安裝座嚴重磨損或脫落，不能再安裝碴倉刮刀，致使刀盤出碴效率較低及功能嚴重喪失，也給刀盤修復帶來困難。

4.6 刮碴刮刀安裝座變形、磨損和斷落

刮刀受到巖石沖擊力過大或者刮刀脫落沒有及時發現或處理，會直接導致刮刀安裝座嚴重磨損或斷裂脫落 (見圖7)，碴倉刮刀徹底失效，致使刀盤出碴效率較低及功能嚴重喪失，刀盤前面大塊巖石堆積更多，刀盤工作環境狀況進一步惡化，刀盤刀具損壞更加嚴重。

4.7 刀盤碴倉磨損、裂紋和破損

經刮碴刮刀進入碴倉的大石塊對刀盤碴倉進行撞擊，同時刀盤前方的石塊對刀盤面板產生的沖擊力和振動也傳遞到碴倉，另外碴倉和碴斗之間的工作間隙較容易被石塊卡住，綜合各因素會導致碴倉磨損、開裂和破損(見圖8)。

4.8 刀盤左側護盾破損

刀盤刮刀刮碴時，石塊撞擊、擠壓和摩擦左側護盾，造成左側護盾損壞(見圖9)。

圖9 損壞的側護盾Fig.9 Damaged side shield

5 施工現場采取的防護和改進措施

綜上所述，刀盤刀具各種形式損壞的直接原因是節理密集帶垮落的大塊巖石對刀具的撞擊和沖擊。現場施工所采取的防護和改進措施可從以下方面考慮: 1)從地質方面采取切實可行的措施穩固圍巖，防止或減少掘進巖面大塊巖石垮落;2)在TBM掘進過程中根據圍巖情況合理選擇掘進參數，以減小巖石對TBM刀盤和刀具的沖擊和損壞;3)防護和改進刀盤刀具，提高其抵抗沖擊力和磨損的強度，延緩失效時間。

5.1 注漿固結節理密集帶圍巖

結合施工現場實際情況，采用新型聚氨酯化學漿液對刀盤前方未掘進圍巖進行注漿，固化圍巖，每循環可固結1.5～3 m，并取得了良好的效果［10］。

5.2 選擇合理的掘進參數

TBM在節理密集帶掘進時，為減小刀盤對圍巖的擾動和減輕刀盤前方巖石對刀盤和破巖刀具的沖擊，掘進時必須合理選擇TBM掘進參數。結合中天山TBM和掘進時實際圍巖情況，選擇低轉速、低推力和低扭矩的刀盤(轉速約為2.7 r/min，推力為6～12 MPa，扭矩不大于50%額定扭矩)。另外，在掘進時，TBM主操作司機可將頂護盾及側護盾油缸撐出，壓力撐至5 MPa左右，使護盾與洞壁保持浮動支撐，這樣可大大減小振動，降低扭矩峰值，減小刀盤刀具所受沖擊力并減少刀盤刀具異常損壞。

5.3 弱爆破刀盤前面垮落巖石

見圖10。

圖10 爆破刀盤前方巖石Fig.10 Blasting fragmentation of rocks in front of cutter head

根據刀盤前方現場圍巖，對較大巖石進行弱爆破或人工清理，減少或避免大塊巖石對刀盤和道具的損壞。在爆破刀盤前方巖石時，應采用弱爆破，控制好裝藥量，并對刀盤刀具進行防護，防止爆破時飛石砸傷刀盤刀具。

5.4 改進出碴刮刀

為提高出碴刮刀的整體強度，避免刮刀過早失效，結合圍巖實際情況，可把2號和3號刮刀或1，2，3號刮刀用40 mm耐磨鋼板做成合體刮刀，以提高抵抗巖石的沖擊強度(見圖11)。

5.5 修復刮刀座并進行加固

見圖12。

為提高刮刀抵抗巖石沖擊的能力，采用30 mm耐磨鋼板修復刮刀座;為提高刮刀座強度，采用40 mm耐磨鋼板加固刀座筋板。

5.6 修復和加固刀盤面板、刀孔護圈

用30 mm耐磨鋼板對刀盤面板進行修復和加固，提高面板強度;用40 mm耐磨鋼板切割成圓弧形護圈，對刀孔護圈進行加固，保護刀孔和面板免遭損壞(見圖13)。

5.7 焊接修復刀孔裂紋

發現刀孔裂紋，應及時進行焊接修復(見圖14)，避免裂紋進一步擴大，影響刀具和刀盤受力結構。

5.8 修復和加固刀盤碴倉和側護盾

碴倉出口主筋板不僅起到輸碴作用，而且要傳遞驅動刀盤的推力和扭矩，對刀盤的結構也起到很重要的作用，采用100 mm耐磨鋼板進行修復加固。碴倉隔板受大石塊沖擊，變形比較嚴重，采用20 mm的耐磨鋼板和三角筋板對碴倉隔板背面進行加固，采用30 mm耐磨鋼板對側護盾進行修復，確保刀盤碴倉結構穩固和出碴效果(見圖15)。

5.9 減少、延緩破巖刀具損壞的措施

破巖刀具失效的形式較多，原因比較復雜，在普通地質條件下減少、延緩破巖刀具損壞的措施比較全面［2－7］。針對上述節理密集帶巖性地質，刀具損壞的直接原因相對比較簡單。為減少刀具的損壞，可從以下2個方面考慮:1)對節理密集帶地質進行注漿加固，減少大塊巖石出現的概率;2)從刀具本身著手，提高刀具抵抗巖石撞擊和沖擊能力，并對刀具進行適當保護。

5.9.1 定制采購專用刀具和刀具配件

目前，市場上刀具生產廠家較多，不同質量標準的刀具適應于不同類型的地質條件［11］。對于節理密集帶地質，巖石對刀具的沖擊力較大，定制采購抗斷裂性刀具，以提高刀具抵抗沖擊的能力，延緩失效;另外，采用加厚刀圈，提高刀圈韌性和刀體強度，從而提高刀具耐受沖擊損壞的能力，對延緩刀具失效也起到了一定的作用。

5.9.2 加固刀孔護圈

采用40 mm耐磨鋼板對刀孔護圈進行加固，提高刀孔護圈對破巖刀具的保護能力(見圖16)。

圖16 加固后的刀孔護圈Fig.16 Reinforced cutter hole ring

5.9.3 提高刀具與安裝母座的安裝質量

由于刀具安裝母座受沖擊力和振動的影響，存在不同程度的擠壓塑性變形，特別是刀盤周邊的高刀號刀位的安裝母座尤為嚴重，致使刀具不能很好地與安裝母座貼合，安裝質量不佳，刀具抵抗外界沖擊的能力嚴重下降，導致刀具提前失效。對于塑性變形較大的刀具母座，可進行修復;對于塑性變形不大的刀具母座，安裝刀具時，根據變形不同情況，增設匹配厚度的母座墊片(見圖17)。母座墊片是非標件，需要委外定制加工，確保刀具安裝質量。

5.9.4 刀盤上適當增加過渡刀安裝數量

節理密集段施工時，圍巖整體強度較低，巖體松散，刀具接觸巖面，巖面就自行垮落，刀盤推力較小。結合現場實際，在容易導致刀具失效刀盤部位，安設磨損量20 mm左右的過渡破巖滾刀代替新滾刀，減小刀具刀刃被巖石沖擊的面積和提高刀具抵抗沖擊能力，延緩刀具失效。

圖17 刀具安裝母座墊片Fig.17 Cushion of cutting tool installation seat

6 結論與建議

針對上述節理密集帶地質巖性特征和該地質巖石對TBM刀盤損壞形式，對TBM施工刀盤刀具進行了加固和改進，經過在南疆鐵路吐庫二線中天山鐵路隧道現場施工實踐證明，能有效地減少和延緩TBM刀盤刀具的損壞，提高TBM利用率。

隨著特長特大隧道的建設，硬巖TBM的應用越來越廣泛，但是目前TBM還不能很好地應對巖性較硬的節理密集帶等不良地質，作業效率還不高。如何更深層次地解決此類問題，提高硬巖TBM應對不同圍巖地質的能力，克服TBM施工的局限性，提高TBM綜合功效，是TBM施工業內專家值得調研的問題。

［1］ 王夢恕.開敞式TBM在鐵路長隧道特硬巖、軟巖地層的施工技術［J］.土木工程學報，2005，38(5):58－62.(WANG Mengshu.Construction technique of open TBM for long railway tunnels in very hard or soft rock strata［J］.China Civil Engineering Journal，2005，38(5):58－62.(in Chinese))

［2］ 康寶生.全斷面硬巖條件下的盾構掘進與管理［J］.隧道建設，2012，32(1):127－132.(KANG Baosheng.Shield tunneling and its management under full-face hard rock conditions［J］.Tunnel Construction，2012，32(1):127－132.(in Chinese))

［3］ 陳建.全斷面巖石掘進機(TBM)開挖刀具的管理探討［J］.隧道建設，2007，27(4):94－95，99.(CHEN Jian. Comments on management of cutting tools for full-face hard rock tunnel boring machines(TBMs)［J］.Tunnel Construction，2007，27(4):94－95，99.(in Chinese))

［4］ 張照煌.全斷面巖石掘進機平面刀盤上盤形滾刀磨損研究［J］.現代隧道技術，2007(6):35－39.(ZHANG Zhaohuang.Study on the abrasion of disc cutters on full face rock tunnel boring machine［J］.Modern Tunnelling Technology，2007(6):35－39.(in Chinese))

［5］ 董天鴻.硬巖掘進機刀具失效的受力分析［J］.隧道建設，2007，27(6):31－34.(DONG Tianhong.Mechanical analysis on cutter failure of hard rock TBMs［J］.Tunnel Construction，2007，27(6):31－34.(in Chinese))

［6］ 周雁領.TBM盤形滾刀質量控制及其檢測維修技術［J］.現代隧道技術，2007(3):45－52.(ZHOU Yanling.Quality control，inspection and repair for disk cutters of TBM［J］.Modern Tunnelling Technology，2007(3):45－52.(in Chinese))

［7］ 趙維剛，劉明月，杜彥良，等.全斷面巖石掘進機刀具異常磨損的識別分析［J］.中國機械工程，2007(2):27－30.(ZHAO Weigang，LIU Mingyue，DU Yanliang，et al.Abnormal cutter wear recognition of full face tunnel boring machine (TBM)［J］.China Mechanical Engineering，2007(2):27－30.(in Chinese))

［8］ 中國鐵路總公司.鐵建設(2007)106號鐵路隧道全斷面巖石掘進機法技術指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［9］ 張學軍，胡必飛.軟弱千枚巖地段TBM掘進施工技術［J］.隧道建設，2011，31(6):70－75.(ZHANG Xuejun，HU Bifei.TBM tunneling technology in weak phyllite section［J］.Tunnel Construction，2011，31(6):70－75.(in Chinese))

［10］鄧青力.敞開式TBM掘進過節理密集帶施工技術［J］.隧道建設，2011，31(6):97－100.(DENG Qingli.Technology for TBM tunneling through joint-densely-developed granite sections［J］.Tunnel Construction，2011，31(6):97－100.(in Chinese))

［11］晁煥清，王漢章.盤型滾刀的改進及應用［J］.隧道建設，2007，27(6):84－87.(CHAO Huanqing，WANG Hanzhang.Improvement and application of disc cutter［J］.Tunnel Construction，2007，27(6):84－87.(in Chinese))