無水砂卵石地層土壓平衡盾構刀具改造技術

張人志(中交隧道工程局有限公司，北京　100069)

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無水砂卵石地層土壓平衡盾構刀具改造技術

張人志
(中交隧道工程局有限公司，北京100069)

摘要:分析輻條式土壓平衡盾構在穿越全斷面無水砂卵礫石層施工中刀具嚴重磨損的原因，提出拆除滾刀并對刀具進行改造以及按分層切削設計原理對刀具進行重新配置的思路。從刀具改造的總體思路、刀具改造前后對比分析和改造后掘進效果的對比等方面進行研究。結果表明:改造后的刀具以及按分層切削設計原理配置的刀具有很好的切削效果，為地鐵無水砂卵石地層盾構施工刀具改造和配置提供了一種新方法。

關鍵詞:土壓平衡盾構;刀具改造;無水砂卵礫石層

北京豐臺等南部區域大部分為砂卵礫石地層，在該地層進行盾構施工，刀具磨損非常嚴重。針對磨損后的刀具，采取針對性解決措施，近年國內結合不同地層情況進行了相關研究，文獻［1］分析刀具磨損的原因，針對磨損刀具提出以舊換新的換刀思路。文獻［2－5］針對刀具磨損規律及減磨措施進行分析和總結，提出加耐磨層、優化掘進參數設置、渣土改良等減少刀具磨耗的思路。文獻［6］針對刀具磨損進行動態監測分析，提出減小刀具磨損的理論回歸關系式。以上針對砂卵礫石地層的研究多集中在常見的刀具新舊更換、減少刀具磨耗以及刀具磨損監測等方面，對于因盾構選型前期刀具選型以及配置不當造成的刀具磨損以及中途進行刀具改造和重新配置問題鮮有涉及。

本文以正在施工的穿越全斷面無水砂卵礫石層的北京地鐵14#線土建某標段土壓平衡盾構刀盤圓弧面板改造為直角面板的基礎上進行刀具改造以及按分層切削原理進行刀具配置為例，從刀具改造的總體思路、刀具改造的前后對比分析和改造后掘進效果的對比等方面進行研究，力圖找到一種新的刀具改造和刀具按分層切削設計原理配置的可行性思路。

1工程概況

北京地鐵14#線土建施工某標段隧道區間全長705 m，位于北京市豐臺區南二環附近，采用盾構法施工。區間結構主要穿越卵石、圓礫⑤層(中密—密實，標貫擊數N63．5= 43～100，屬低壓縮性土，卵石最大粒徑10 cm，一般為4～6 cm，亞圓形，級配較好，含中砂約30%)和卵石、圓礫⑦層(密實，濕—飽和，N63．5= 50～150，屬低壓縮性土，卵石最大粒徑12 cm，一般為4～6 cm，亞圓形，級配較好，含中砂約30%)，可能存在粒徑＞20 cm漂石。工程擬建場地范圍內地表水為一條現狀河流(四季有水，水深0．6～1．0 m)，區間結構主要位于河道南北兩側0～50 m范圍內，其中下穿河道約170 m，該河對場區地下水沒有明顯的滲漏補給現象，場區潛水水位標高約為17．82～19．71 m，與結構底板基本持平，屬于典型的全斷面無水砂卵礫石層。

結合該地層工程和水文地質情況，盾構機選用Φ6 260 mm鉸接式土壓平衡盾構機，采用輻條式刀盤，開口率為64%，配置163把刀具，其中刀盤外周裝設8把雙刃滾刀，并將其外周設置成1 000 mm長圓弧過渡，如圖1所示。

盾構掘進至123環時，在推力正常時，刀盤扭矩急劇增大，從123環至145環，由之前最大為刀盤額定扭矩的60%(刀盤額定扭矩5 765 kN·m)，增大至80%多，瞬時扭矩為刀盤額定扭矩的150%，造成盾構被迫停機。經開倉檢查，刀盤輻條上可見的絕大部分刀具刀刃合金已崩碎，刀具及部分刀座磨損嚴重，如圖2所示。

滾刀全部被泥包裹并存在不同程度偏磨。若不換刀強行掘進過河，風險大，為確保中途不換刀而順利掘進完余下443環( 532 m)，過河前施做檢修井，對刀盤和刀具進行全面檢修和改造。

結合開倉檢刀和現場實際情況，分析刀盤刀具磨損原因，主要有以下幾個方面:

圖1改造前的輻條式刀盤和刀具

1)工程地質方面，該種地層為力學不穩定地層，砂卵礫石內摩擦大，切削土的流動性差，若渣土改良效果不好會導致刀盤扭矩增大，刀盤過熱，進一步加劇刀盤磨損。

2)水文地質方面，相對穿越有水砂卵礫石層，區間結構穿越該種地層時刀盤摩阻力和扭矩更大，磨損也更嚴重［7－8］。

3)渣土改良方面，現場膨潤土膨化時間不足24 h，所選泡沫與現場地層不適應，發泡設備發泡機理不好，導致發泡效果不好。

4)刀具布置方面，根據北京該種地層以往施工實踐經驗判斷，開口率為64%的輻條式圓弧形刀盤配置周邊滾刀，存在偏磨可能性大，既未對刀盤起保徑作用，也未能對輻條上刮刀起保護作用［9］。

5)原廠刀具質量方面，刀具刀體以及刀具合金尺寸偏小(單薄)，刀具刀體及合金頂部角度過于尖銳，容易崩角［10－11］。

6)其他方面，地層中可能存在較大粒徑漂石。

圖2崩角及磨損嚴重的刀盤和刀具

2刀具改造總體思路

2．1刀具現狀分析及改造思路

改造前，雖然刀盤整體框架結構和整副刀盤刀具較為完整，但刀具及部分刀座磨損嚴重。根據北京地區該種地層同種類型盾構多年實踐經驗，將刀盤原裝8把滾刀全部拆除后，在不破壞刀盤原有整體結構的前提下，將刀盤外周圓弧過渡改成直角過渡，再安裝刮刀和先行刀。對輻條上的刮刀、先行刀、保護刀(在此指保徑刀)等刀具均重新進行設計、制作和改造。維持原刀盤結構不變，將刀盤由圓弧型過渡改造為直角型后，對刀具重新進行設計、制作和安裝以及進行優化配置。

2．2刀具改造可行性分析

刀盤總扭矩T由切削土體所需的扭矩T1，刀盤正面、周邊和背面的摩擦扭矩T2，刀盤攪拌渣土所需的扭矩T3，刀盤軸承和密封摩擦扭矩T4等4大項組成。而據文獻［12－13］，T2和T3在其中占絕對主導地位，是主要影響因素，刀盤扭矩可通過增大刀盤開口率以及提升渣土改良效果予以改善。該臺盾構機開口率足夠大( 64%)，通過渣土改良即可降低扭矩。據相關研究，摩擦系數每降低0. 1，刀盤扭矩降低35% ～40%，通過渣土改良完全能達到降低扭矩的目的。因此，刀盤改造后的扭矩影響完全可以忽略。

北京地區砂及砂卵石中二氧化硅含量高，刀盤刀具磨耗系數k大，約為0．07～0．10 mm/km。刀具最外周磨耗量σ為:

式中: D為盾構外徑，m; n為刀盤轉速，r/min; L為掘進距離，km; v為掘進速度，m/min。

根據北京地區類似地層以往施工實踐，對刀具磨耗和掘進長度進行預測，由主切刀磨耗系數0．07～0．1 mm/km，容許磨耗量40 mm，D=6．26 m，n=1．2 r/min，v=0．04 m/min，則有主切刀k=0．07 mm/km時，盾構機最長掘進距離L=969 m;主切刀k=0．1 mm/km時，盾構最長掘進距離L=678 m。因此，可確定該種刀具能確保掘進完余下443環( 532 m)而順利實現盾構到達。

2．3刀具改造流程

刀具改造流程如圖3所示。

圖3刀具改造流程

3刀具優化與配置

3．1刀具優化改進

1)優化改進后的刀具，均采用適用北京無水砂卵礫石地層的加強型刀具。相對改進前刀體厚度增強、合金增大、刀刃變鈍(刀體及嵌入合金由尖而窄變為寬而鈍，且均采用國內知名廠家生產的大塊碳化鎢材質合金)，耐磨和抗沖擊。

2)拆除原裝刀盤主刀和刮刀，采用改進后的加強型主刀，長、寬、高分別為150、127、165 mm。強化型刮刀分為大小2種規格，大刮刀的長、寬、高分別為200、127、165 mm，小刮刀的長、寬、高分別為150、126. 4、165 mm。普通型刮刀長、寬、高分別為150、117、165 mm。如圖4所示。該種刀具焊接開敞式大塊合金，防卵石沖擊，確保長距離掘進不失效。

圖4主刀和刮刀改進前后對比圖

3)拆除8把滾刀，安裝改進后刀型較窄的強化型先行刀(雙面貝殼刀，長296 mm，寬60 mm，高分別為130、90、110 mm)如圖5所示，提高切削效率和增大卵石流出速率。

4)原裝先行刀為單面貝殼刀，刀體設計比較尖銳，合金尖銳而狹窄，受卵石沖擊時，容易造成合金崩碎而失效。因此，將其改成強化型先行刀(雙面貝殼刀，長296 mm、寬60 mm、高150 mm，底部圓弧形)，焊接開敞式大塊合金，刀刃倒角，耐卵石沖擊，如圖6所示。

圖5刀盤改造前后使用的滾刀和焊接式強化先行刀對比圖

圖6原裝先行刀和改進后焊接式強化先行刀對比圖

5)滾刀替換成強化先行刀后，切削軌跡減少，而刀盤外緣速度較大，在其面板上焊接強化先行刀增加切削軌跡和保證刀盤邊緣的安全。

6)在原刀盤保護刀旁增配12把邊緣保徑先行刀，以保證開挖直徑和保護刀盤外緣不過度磨損。

7)刀具厚度相比原廠刀具增大，刀具數量相對原刀盤有所減少。其中，減少48把邊緣刮刀，但增加38把強化型先行刀，確保刀具切削軌跡覆蓋全刀盤;此外，在原基礎上增加12把強化型保徑先行刀，以增加安全可靠性;因中心魚尾刀磨損程度很小，對有崩角的刀具旁單側施焊1把先行刀進行保護。

3．2刀具配置改進

1)根據刀具的磨損量與線速度成正比的規律以及刀盤刀具成對布置等刀具配置原則要求［14－15］，在中心魚尾刀回轉區域內靠外側2條軌跡上每條分別增配1把和2把焊接先行刀，外周部分軌跡配4把焊接先行刀，增強整體刀具切削能力，保護刀盤。

2)按照長短刀具并用法切削土體的分層切削原理，先行刀布置比刮刀和主刀高出40 mm，同時，先行刀內部之間再設置高差。

①刀盤改造后a、c、e 3個輻條上直角面板比圓弧面板高20 mm，同一輻條靠外周2把先行刀比其他靠刀盤中心的先行刀高20 mm。即:靠外周直角面板上布置2把高150 mm先行刀，其余直角面板上布置高130 mm先行刀，靠刀盤中心圓弧面板上布置高150 mm先行刀。

②刀盤改造后b、d、f 3個輻條上直角面板比圓弧面板高60 mm，同一輻條上以及該3個輻條上先行刀布置在同一個平面高度上。即:輻條上靠外周直角面板上2把先行刀位置以及直角面板其他位置均布置高90 mm先行刀，靠刀盤中心圓弧面板上布置高150 mm先行刀。

對整盤刀具配置后，主要形成2個高差，分別是先行刀與刮刀及主刀之間的40 mm高差，以及先行刀內部之間形成的20 mm高差。

刀具改造和配置前后對比情況如圖7所示。

圖7刀具改造和配置前后對比圖

4掘進參數的改進

改造前，123環掘進至145環的刀盤扭矩過大(見圖8)。

通過采取調整膨潤土和泡沫的配合比、添加量、添加比例以及更換泡沫品牌和加強膨潤土24 h膨化等渣土改良措施，刀盤刀具改造完成恢復掘進后，在推力正常情況下，扭矩有了明顯改善。抽取146～236環掘進參數分析:

1)刀盤扭矩為3～3. 8 MN·m(見圖9)，符合刀具廠家刀盤扭矩≤4 MN·m的要求，結合北京同類地層以往土壓平衡盾構施工刀盤扭矩參數及豐臺南城在施盾構標段經驗參數，證明復推后扭矩正常。

圖8 123～145環刀盤扭矩

圖9 146～236環刀盤扭矩

2)推力為15～25 MN，見圖10，額定推力為40 MN，推力正常。

3)膨潤土及泡沫加入量更合理。在保證前述推力和扭矩正常情況下，從始發時每環泡沫最大添加量28 m3、膨潤方土6 m3，降至現在加泥和加泡沫量均為3～5 m3(見圖11)，節約了泡沫、膨潤土等材料費開支。

4)盾構機掘進速度有了可靠保證，該地層在控制掘進速度40 mm/min左右時，推進基本可以保證在8～10環/班。

圖10 146～236環盾構推力統計

圖11 146～236環加泥加泡沫統計圖

5　結語

對穿越全斷面無水砂卵礫石層的土壓平衡盾構刀具改造以及按分層切削土體原理配置刀具方法進行了分析和研究，為土壓平衡盾構在北京地區該種地層施工中的刀具改造和刀具配置提供了一種可行的新方法。

參考文獻:

［1］陳廣峰，張建平，桂秩雄，等．北京地鐵砂卵石地層盾構刀盤的改進［J］．工程機械，2009，40( 2) : 29－32．

［2］呂瑞虎，王光輝．盾構刀具磨損規律及減耐磨措施研究現狀分析［J］．隧道建設，2012，32( S2) : 41－46．

［3］郭家慶．砂卵石地層盾構掘進的刀具磨損和改善措施［J］．城市軌道交通研究，2010，13( 8) : 87－90．

［4］王海明，夏清華，黃福昌，等．無水大粒徑砂卵石盾構綜合施工技術［J］．都市快軌交通，2012，25( 5) : 88－92．

［5］蒲曉波，王模公，吳文彬．國內典型砂卵石地層土壓平衡盾構設計改進及應用［J］．隧道建設，2013，33( 11) : 971－976．

［6］張明富，袁大軍，黃清飛，等．砂卵石地層盾構刀具動態磨損分析［J］．巖石力學與工程學報，2008，27( 2) : 397－402．

［7］鮑綏意．盾構技術理論與實踐［M］．北京:中國建筑工業出版，2012: 249－275．

［8］陳饋，洪開榮，吳學松．盾構施工技術［M］．北京:人民交通出版社，2012．

［9］張國京．北京地區土壓式盾構刀具的適應性分析［J］．市政技術，2005，23( 1) : 9－12．

［10］夏曉中．盾構刀具異常磨損及改進研究［J］．現代交通技術，2010，7( 2) : 67－70．

［11］黃清飛．砂卵石地層盾構刀盤刀具與土相互作用及其選型設計研究［D］．北京:北京交通大學，2010．

［12］江華，江玉生，張晉勛，等．北京地鐵砂卵石地層土壓平衡盾構施工刀盤扭矩研究［J］．中國鐵道科學，2013，34( 3) : 59－65．

［13］王洪新．土壓平衡盾構刀盤開口率選型及其對地層適應性研究［J］．土木工程學報，2010，43( 3) : 88－92．

［14］管會生，高波．盾構切削刀具壽命的計算［J］．工程機械，2006，37( 1) : 25－29．

［15］蒲毅，劉建琴，郭偉，等．土壓平衡盾構機刀盤刀具布置方法研究［J］．機械工程學報，2011，47( 15) : 59－65．

(責任編輯:郭守真)

Transformation Technology for Earth Pressure Balance Shield Tool of Waterless Sandy Gravel

ZHANG Renzhi
( CCCC Tunnel Engineering Co．，Ltd．，Beijing 100069，China)

Abstract:This paper analyzes the causes of severe tool wear in the construction of the spoke type of earth pressure balance ( EPB) shield crossing the fracture surface of waterless sandy gravel layer．Then，it presents the idea that the hobs are removed，the tools are transformed and also reconfigured according to the design principles of the cutting layer．Furthermore，it also studies the general idea of tool transformation，the comparative analysis before and after the tool transformation and the contrast of the excavation effect after the transformation．It is concluded that it is feasible to transform and configure the tools．The results show that the transformed tools and the tools configured according to the hierarchical cutting design principle have good cutting effects．The paper provides a new method for the transformation and configuration of the construction tools of waterless sandy pebble earth pressure balance shield of subways．

Key words:EPB shield; tool transformation; waterless sandy gravel layer

作者簡介:張人志( 1979—)，男，湖南新邵人，工學碩士，工程師，主要研究方向為盾構施工技術及管理．

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．02．013

收稿日期:2015－05－06

文章編號:1672－0032( 2015) 02－0067－06

文獻標志碼:A

中圖分類號:U455．3