砂卵石地層盾構刀具的適應性分析

朱夢柳

（中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430000）

砂卵石地層盾構刀具的適應性分析

朱夢柳

（中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430000）

結合砂卵石地層的特點和施工現場實際情況，對砂卵石地層下盾構施工中盾構機刀盤結構及刀具配置方面的優化改良進行了分析。

砂卵石；盾構；刀具；刀盤；結構；配置；優化；改良

1 引言

在長距離的富水卵石地層中掘進，對盾構機刀盤及刀具都是一個考驗，要求刀盤和刀具具有很強的耐磨性，因卵石對刀具會造成很強的沖擊，同時要求刀具具有足夠的抗沖擊性能。對刀具和刀盤做有針對性的優化處理關系到整個隧道施工的順利進行。

2 砂卵石地層盾構施工特點

成都地鐵盾構機刀盤大多為面板式復合型刀盤，既安裝了破巖能力強的滾刀，也安裝了刮削軟土的刮刀。

在砂卵石地層盾構施工中采用盤形滾刀，其破巖機理與盤形滾刀在硬巖地層中的傳統破巖機理有著顯著的不同，刀具的磨蝕情況也有較大的區別。

砂卵石地層對傳統的刀具磨損十分嚴重，刀具消耗量大、換刀頻繁，并存在大量的滾刀偏磨、刀圈斷裂等非正常磨損。由此帶來的頻繁換刀、地層加固等一系列問題，導致施工成本巨大。

2.1 啟動扭矩大

在砂卵石地層中掘進，由于開挖面松散，不能提供足夠大的反力克服滾刀本身的啟動扭矩以及土倉內渣土的摩擦阻力力矩和刀箱內渣土的阻力力矩，造成滾刀不轉，導致偏磨。

2.2 刀體變形

在整體松散的砂卵地層，不但刀圈的磨損，而且刀體的表面也磨損嚴重，特別是因富含石英的砂粒和堅硬的鵝卵石，對刀圈和刀體都產生巨大的磨蝕。對于直徑為6.28m的刀盤，邊緣滾刀的線速度約為0.65m/s，而對于直徑為12m的刀盤，邊緣滾刀的線速度高達1.25m/s，若撞擊上漂石或大塊的鵝卵石則造成刀體變形，導致滾刀不轉，因抗沖擊應力不足而形成偏磨。

2.3 刀圈斷裂

傳統的硬巖滾刀刀圈，多采用合金工具鋼，在提高韌性的同時也容易造成刀圈的脆性增加，在大的卵石和漂石的高速撞擊下，造成刀圈斷裂。

在該地質中施工，滾刀受到較多的刮削磨損和沖擊磨損。刀圈受到磨損的同時，石英含量很高的砂和卵石也會直接作用于滾刀刀體表面，從而對刀體也產生嚴重磨損。

滾刀在此地質中使用，除了正常的磨損外，還存在大量的非正常磨損（特別是邊緣滾刀），其主要形式是滾刀的偏磨、刀圈斷裂、刀體過度磨損等。

3 砂卵石地層提高盾構刀具壽命的改良對策

3.1 刀圈

根據滾刀在砂卵地層中的破巖機理與硬巖中的區別，對刀圈的截面尺寸和性能指標甚至刀具改裝方面應作出相應的調整和優化：

（1）為了提高刀圈的耐磨性和使用壽命，將刀刃寬增加到28mm或更大。

（2）為了提高刀圈的抗磨性，材料成分中適當提高合金元素的含量，同時控制好鍛造工藝和熱處理工藝，以提高其抗沖擊能力。

（3）由于地質的特殊性，必須兼顧刀圈的耐磨性及抗沖擊能力。

3.2 刀體

由于刀體在本地質中使用，會受到嚴重磨蝕和撞擊，故刀體應具備較強的耐磨性和抗沖擊能力：

（1）刀體應采取加厚和耐磨處理，如表面堆焊耐磨材料。

（2）改善刀體材質，提高其抗沖擊能力。

3.3 啟動扭矩

適當考慮加裝雙刃滾刀，以便提高轉動力矩。

3.4 刀具改裝

對于海瑞克盾構機，通常使用的滾刀規格為17吋（刀圈外徑431.8mm），為了提高其使用壽命，可適當增加極限磨損量，對滾刀的安裝做適當的改裝。

4 砂卵石地層盾構刀具改良優化歷程實例分析

4.1 案例1

在2007～2009年成都地鐵工程建設初期，由于對成都特殊的富水砂卵石地層認識不足，刀盤刀具沒有進行針對性的設計，導致隧道施工遇到了較大的困難。主要表現為刀具磨損快、刀盤面板結構磨損嚴重。早期滾刀換刀掘進里程不足100環。

早期的盾構刀具：

（1）復合刀盤，安裝有滾刀和刮刀；

（2）既有單刃滾刀，也有雙刃滾刀；

（3）滾刀為標準滾刀，刃寬19.05mm，刀轂沒有任何加強；

（4）刮刀刃部堆焊耐磨材料，沒有釬焊硬質合金塊；

經過一段時間施工，暴露諸多問題，如圖1所示。

（1）滾刀磨損快，刀圈磨薄磨尖；

（2）滾刀刀轂磨薄變形；

（3）偏磨、漏油、軸承損毀等非正常失效。

圖1 刀具偏磨情況

結合砂卵石地層的特點，我們分析了刀具磨損原因，由于卵石含量在70%左右，卵石含量高，加之卵石土工作面上各向異性導致滾刀受力不均，導致早期型號的刀具出現磨尖、磨薄，甚至崩裂，刀轂也受損嚴重。

在這段施工時期，針對暴露的明顯問題，刀具廠商及施工單位方面做了一些有針對性的改進優化措施：

（1）部分使用羊角刀代替中心滾刀，緩解結泥餅現象，只是在中心羊角刀刀刃與刀體之間加焊了一根耐磨塊，防止被磨掉；

（2）刀圈刀刃厚度從20mm提高為28～30mm不斷加厚，增加耐磨性；

（3）刀轂表面打耐磨焊；

經過一系列改進，在施工方面取得了一定的效果，基本上刀具能達到300～400m的壽命。

4.2 案例2

在2010～2014年成都地鐵4號線施工期間，主要刀具種類為中心羊角刀、中心雙聯滾刀、盤型滾刀、小刮刀與邊緣刮刀、泡沫保護刀、導流刀、保徑刀。2號線施工經驗分析掘進距離極限為380m。此段時期，除保證基本的施工外，在施工過程中，又陸續暴露出一些問題：

（1）刀盤中心磨損嚴重；

（2）刀具配置基本滿足盾構施工，尚需優化；

（3）刀具U型塊高度高于其周邊面板高度，導致U型塊被磨損，刀具得不到有效保護，出現刀具端蓋、刀軸磨損；

（4）刀盤中心無開口，易導致中心結泥餅，推力增大；

（5）刀具配置有待優化。

針對以上問題，在此段施工時期，陸續做了如下改進：

在刮刀方面：除了將原來的小刮刀改為大刮刀，在合金含量上也做了提高，目前使用的刮刀合金含量在7.1kg左右，掘進里程至少可達1km。

在刀盤結構方面：刀盤周邊焊接一定數量保護刀，刀盤面板加焊耐磨層及耐磨網格，有效保護刀盤結構不受磨損。

在滾刀方面：采用滾刀前突安裝。

對于海瑞克盾構機，對U形塊尺寸進行改造，可根據實際情況確定前突安裝量。以前突安裝10mm為例，則極限磨損量為：正面滾刀由原來的25mm增加至35mm，提高使用壽命40%，邊緣滾刀由原來的15mm增加至25mm，提高使用壽命67%，并且刀具的成本基本沒有改變。只是增加了刀圈增大的成本，由原來的17吋變為17.6吋，如圖2～4所示。

圖2 修改前

圖3 修改后

圖4 對比

按此改裝可能會導致一些問題是后期需要考慮進一步優化的：

①隧道開挖直徑增大了20mm，導致出渣量和注漿量相應增加，這點在掘進施工中必須加以注意和重視。

②U形塊向前突出10mm，前突外露部分會加快磨損，應做相應的耐磨處理（表面堆焊耐磨層）或加焊耐磨。

經過以上改進后，掘進效果明顯提升，滾刀換刀掘進里程可達600～800m，如圖5所示。

圖5 4號線5標中～長區間（掘進750m）

在2015～2016年施工期間，針對渣土改良效果不佳、中心部位結泥餅以及開倉換刀方面時間長風險大等問題，在成都地鐵10號線施工期間，我們對盾構機又提出一些新的改進思路：

刀具配置：取消1#-4#中心雙聯滾刀，不再安裝其它刀具，增加刀盤中心區域結構開口率，緩解中心結泥餅現象。在原刀箱周邊面板焊接一定數量的保護塊，防止刀箱結構磨損；

泡沫系統：連接橋處增加泵，形成單管單泵，減少堵管現象，增大改良劑注入能力；

刀盤：刀盤前方增加兩個膨潤土管路；或將兩根泡沫管改為膨潤土管，改善渣土改良效果；

5#臺車后面增加小平臺，供二次注漿使用，方便快捷提高二次補注漿效率；

開倉換刀方面，封開口目前采用木模板加鋼筋焊接方式，可按照開口情況定做一套模板，采用螺栓連接方式與刀盤背面鏈接，減少開倉不必要的時間，提高換刀效率。

5 結束語

經過成都近幾年盾構施工，通過不斷總結、不斷改進，力爭使設備更好的適應地層，從而達到更好更高效的施工效果。對于刀具的配置選用，陸續經歷了幾次的嘗試和優化，使換刀掘進里程由最初的160m達到800m，大大的提高了施工效率，節約了施工成本，當然這其中包含了對掘進參數的不斷總結提高。

[1]王樹華.成都砂卵石地層盾構機耐磨性及刀具適用性研究.隧道建設，2012，2.

[2]王振飛，張成平，張頂立，孫毅.富水砂卵石地層大直徑盾構刀具的磨損與適應性.北京交通大學學報，2013.

[3]劉志宇.成都砂卵石地層盾構機刀盤、刀具在掘進中的改進.建筑知識.

[4]徐鵬程，張濤，鄭瑞兵.無水砂卵石地層盾構刀具磨損狀態和規律的技術研究.

[5]土壓平衡盾構機在富水砂卵石地層掘進的刀具配置.

說明：上述參考文獻只是舉例用的，就沒有在正文中相應文字上順序標注參考文獻的序號。

U455.3

A

1004-7344（2016）21-0237-02

2016-7-9

朱夢柳（1984-），男，助理工程師，項目副經理，主要負責設備改良技術研究、設備的使用與養護、臨時用電的布設與應用、業務、管理等工作。