蘭州地鐵砂卵石地層土壓平衡盾構刀具使用壽命延長技術

劉　奇, 靳世鶴，2

(1. 蘭州市軌道交通有限公司， 甘肅 蘭州　730030； 2. 蘭州交通大學， 甘肅 蘭州　730070)

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蘭州地鐵砂卵石地層土壓平衡盾構刀具使用壽命延長技術

劉奇1, 靳世鶴1，2

(1. 蘭州市軌道交通有限公司， 甘肅 蘭州730030； 2. 蘭州交通大學， 甘肅 蘭州730070)

為了降低刀具的磨損，延長刀具的使用壽命，以蘭州地鐵工程施工案例為背景，對土壓平衡盾構在砂卵石地層中掘進刀具磨損的問題進行了跟蹤研究。通過理論計算與工程實際對比分析得出刀具的磨損規律，在刀盤設計和刀具組合等研究成果的基礎上，對渣土改良、盾構掘進參數、盾構姿態和一般欠土壓模式掘進等控制措施進行了系統的研究和實踐，成功地延長了刀具使用壽命，減少了刀具更換的次數，加快了工程進度并降低了工程成本；同時，解決了土壓平衡盾構在砂卵石地層掘進刀盤被卡、地面沉降控制等技術難題。

蘭州地鐵； 土壓平衡盾構； 砂卵石地層； 刀具壽命

0　引言

土壓平衡盾構在富水砂卵石地層中掘進，刀具磨損快，更換頻繁。由于砂卵石會跟隨盾構刀盤的旋轉而轉動，且粒徑較大、強度較硬、石英含量較高，這就加大了對盾構刀盤、刀具的沖擊破壞和磨損；同時卵石易在開挖艙大量積聚而“卡死”刀盤，造成盾構長時間停機，無法連續掘進。如何延長刀具的使用壽命以及減少刀具的更換頻率是研究的重點。國外，R.Teale提出了比能的概念，闡述了盾構推力和扭矩對破巖的作用機制[1]，并提出了刀具刀刃角的改進意見[2]；文獻[3-4] 研究了掘進過程中的法向力FN和切向力FR的操作關系，使得刀盤掘進達到最優的切削狀態；F. F.Roxborough等[5]研究了巖體節理、開度及頻度對切削的影響。國內，張明富等[6]對砂卵石地層盾構刀具動態磨損進行了研究分析，建立了刀具掘進的磨損量與掘進距離數學關系式；宋克志等[7]對盾構刀具切削機制進行了研究并提出了改進措施；歐陽濤[8]對盾構刀具組合破巖的力學特性進行了研究，為刀盤刀具設計以及研究刀盤刀具受力變化規律提供力學基礎；楊書江等[9]依托成都地鐵工程研究了富水砂卵石地層中刀具磨損的原因以及改進措施；管會生等[10]介紹了刀具壽命預測分析的方法，總結了刀具磨損的原因和影響因素，給出了提高刀具壽命和降低刀具磨損的建議；王振飛等[11]對砂卵石地層中的刀具磨損的原因進行了分析，并針對刀具材質、設計及工藝方面提出了刀具使用壽命延長的措施；郭玉海[12]從刀盤設計、渣土改良方面提出了土壓式盾構在無水砂卵石地層中掘進提高刀具耐用性的措施。

由于黃河東西向貫穿，因而，蘭州具有非常明顯的砂卵石地層特點，地層中富含水，卵石含量達到 70%～80%，局部分布一定的漂石，并時常見直徑達600 mm以上的大粒徑塊石。在蘭州地鐵工程盾構掘進中，刀具不斷被砂、卵石及漂石磨損和撞擊，刀具損害嚴重，使得盾構無法繼續掘進，必須要進行刀具更換，但是受到地層及周邊環境等因素影響，開挖面不利于加固并使之穩定，一般不具備常壓換刀的條件，而壓氣作業因為砂卵石地層透氣性強及土艙壓力平衡難以建立等原因不易實施。另外，采用艙內潛水作業，因無法短期內培養相關技術人員故無法實施。因此，及時開展刀具磨損研究，延長刀具使用壽命，減少刀具更換頻率顯得非常必要和迫切。本文在前人對盾構刀盤以及刀具的耐磨設計研究的基礎上，重點對盾構施工過程中，在盾構掘進參數控制、盾構姿態控制、渣土改良以及充分掌握地層的自穩能力、有效控制地表沉降的前提下，合理利用欠土壓掘進模式來降低刀具的磨損性進行了系統的研究，取得了良好的效果。

1　土壓平衡盾構在砂卵石地層施工難點

蘭州地鐵1號線土壓平衡盾構在砂卵石地層中掘進時，刀盤不僅受到開挖面卵石的摩阻力，同時也受到開挖艙集聚的卵石和漂石的摩阻力，如圖1所示。刀盤時常被卡難以轉動，土艙難以建立土壓平衡，開挖面難以穩定，造成地表沉降[13]，危及地面建筑物的安全，施工難度極大。

圖1　刀盤“肉夾饃”示意圖

蘭州地鐵1號線1期工程盾構隧道開挖面卵石成窩狀堆積。現場隨機抽取1 m3渣土進行分析，結果見表1。

表1　隧道開挖面渣土分析結果

隧道開挖面的卵石、漂石有橫向分布的(1類型)，也有縱向分布的(2類型)，見圖2。在盾構掘進時，1類型卵石、漂石易被滾刀壓斷和擾動脫落，跟隨刀盤轉動；2類型卵石、漂石因為縱向分布在開挖面，在開挖面鑲嵌牢固，不易被開挖且造成刀具沖擊破壞比較嚴重。正是因為1類型和2類型卵石、漂石的大量存在以及在刀盤艙的大量堆積，使得土壓盾構掘進功效低，月進尺不到100 m，嚴重影響了工程進度。

圖2　開挖面分布的卵石、漂石

2　土壓平衡盾構砂卵石地層掘進刀具磨損量計算

盾構掘進過程中，刀盤最外圈的刀具處于最不利的位置，磨損最為嚴重，外圈刀具磨損嚴重或失效后，刀盤開挖直徑變小，推進速度會明顯減小。因此，對刀盤最外圈的刀具磨損量的及時掌握，對盾構掘進至關重要。刀盤最外圈的刀具磨損量的推測值

δ=(k×π×D×N×L)/v。

式中：k為磨損系數，取0.035 mm/km；D為盾構外徑,6.48 m;N為刀盤轉速，1.7 r/min；L為刀具切削長度，0.38 km；v為掘進速度，0.02 m/min。

根據計算,得δ=23 mm。在砂卵石地層中，當盾構掘進完成380 m時，刀盤邊緣的滾刀磨損量達到23 mm，這與試驗段盾構掘進刀具磨損情況基本吻合。當刀具的磨損量超過20 mm時，必須進行更換。而此時地層是不穩定的，必須進行地層降水和加固處理才能進艙更換刀具，這不僅耽誤工期，同時增加了工程成本，因此開展砂卵石地層盾構掘進刀具的使用壽命延長措施研究顯得非常必要。

3　砂卵石地層土壓平衡盾構掘進刀具壽命延長措施研究

3.1刀盤開口率設計

為了讓刀盤前方的卵石、漂石不產生堆積和撞擊刀具，及時地進入到土艙，需要設計較大的刀盤開口率，但是由于螺旋機設計最大直徑為900 mm，最大通過的卵石粒徑為450 mm，因此為了保證砂卵石的出碴順暢，并考慮到刀盤開口率對掌子面穩定性的影響，蘭州地鐵土壓盾構的刀盤開口率設計為35%，刀盤開口位置在最寬為600 mm處，刀盤開口位置不設置格柵，見圖3。這樣有利于開挖面長條形的卵石盡快進入到土艙，避免在刀盤前方集聚并影響刀盤順利掘進，也減少了卵石對刀盤的撞擊和磨損，延長了刀具的使用壽命。

圖3　1/4刀盤

3.2刀具的設計和組合

合理的刀間距設計，能夠使開挖下來的渣土合理流動，并及時進入到土艙內。在土壓盾構刀盤上不僅安裝了一定數量的耐磨損切刀、刮刀和貝殼刀，同時增加了滾刀的數量。通過滾刀、切刀和刮刀的組合(見表2)增強了刀具的耐磨性，延長了刀具的使用壽命。

表2　刀具數量、類型統計

在盾構刀具設計時，科學的刀具布局，合理的刀具高度差設置，使得刀具分層次作用于開挖面，充分發揮了滾刀的破巖、防撞擊作用，使得切刀的開挖壽命得以延長。

以刀盤正面的寬切刀刀高為基準面，配置了邊緣刮刀、貝殼刀、中心(正面)滾刀，刀具高度差分別是+5、+20、+44 mm，見表3。

表3　刀具高度差配置

3.3掘進參數設計

在盾構掘進中，刀盤轉速控制在1.7 r/min以內，掘進速度控制在35 mm/min，刀盤扭矩控制在3 000～4 000 kN·m。若刀盤扭矩大于該范圍，必須停止掘進，增加泡沫和膨潤土的注入量，空轉刀盤，降低扭矩后再掘進；若刀盤的轉速和掘進速度設定的太快，大粒徑卵石和漂石很容易撞落刀具，卡住刀盤，甚至損害盾構設備。因此，采取“刀盤慢轉速，推進慢進尺”的指導思想，不僅能較好地保護刀具，同時可以防止刀盤被卡。

3.4盾構姿態控制

控制好盾構姿態，讓刀盤均勻受力，可防止滾刀發生偏磨。若盾構姿態控制的不好，在曲線糾偏的過程中，滾刀在不同的位置受力不均，在受推力大的位置容易被卡死，發生偏磨[14]，見圖4。尤其是邊緣滾刀，由于線速度大故更容易被磨損，嚴重時甚至會造成刀轂被磨穿，使得刀具的使用壽命大大降低。

圖4　滾刀偏磨

3.5一般欠土壓模式掘進

目前不可能通過大幅度地提高盾構的設計扭矩來解決砂卵石地層盾構刀盤被卡的問題，因此，采用欠土壓模式掘進同時把地表沉降控制在要求的范圍之內，是工程建設的實際需要。如果不采用欠土壓模式，而是采用傳統的土壓平衡模式，在高含量砂卵石地層中盾構掘進時，刀盤正反兩面同時受到卵石和漂石的摩阻力，很難轉動，致使刀盤被卡而無法掘進，如果盲目推進，易使刀盤主驅動齒輪箱保險軸損壞。

通過在砂卵石地層土壓盾構掘進試驗，得到不同盾構土艙壓力下地表沉降曲線如圖5所示。當盾構偽壓(也稱無壓)掘進時，地表沉降最大，達到41 mm左右；其次為嚴重欠壓掘進時，地表沉降達到35 mm；再次為一般欠壓掘進時，地表沉降達到26 mm；而保壓掘進時地表沉降最小，為14 mm。

圖5　不同盾構土艙壓力下地表沉降值

通過分析土壓盾構土艙壓力與地表沉降的關系可知，當盾構采用一般欠土壓掘進模式時，可以把地表沉降控制在規范要求的30 mm以內，這充分說明，砂卵石地層的穩定性較好，成拱效應明顯。盡管采用欠土壓模式掘進，但是在卵石地層，只要充分掌握地層的自成拱效應，不僅能夠較好地控制地表沉降，也能解決刀盤被卡的技術難題，同時也降低了刀具的磨損量，延長了刀具的使用壽命，經濟和技術效果明顯。

3.6利用泡沫和膨潤土進行渣土改良

渣土改良是一項成熟的技術，渣土改良效果的好壞，直接影響著盾構掘進的功效[15]，對延長刀具使用壽命至關重要。

泡沫。向刀盤前方注射泡沫，泡沫在刀具表面形成一層潤滑膜，使得渣土的流動性明顯增強，減小了刀具與開挖面渣土的摩阻力。

膨潤土。在盾構掘進時，向土艙及時注射膨潤土，使得土艙內的渣土具有更好的和易性和流動性，防止渣水分離造成土艙內渣土固結堆積并對刀具造成磨損和碰撞。

通過向土壓盾構開挖艙注射1∶5的優質膨潤土漿液(見圖6)，使得渣土的黏性、和易性和流動性明顯改善。膨潤土漿液對盾構刀具起到降溫、潤滑的作用，減少了刀具的磨損，延長了刀具的使用壽命。

3.7注射膨潤土輔助建立土壓

在富水砂卵石地層掘進時，如果采用土壓平衡模式，盾構刀盤極易被卡而無法脫困[16]，因此，采用一般的欠土壓模式掘進。當盾構掘進中臨時停機安裝管片或因其他特殊情況需要較長時間停機時，雖然砂卵石地層穩定性較好，但是由于長時間停機，開挖面在地下水滲流的作用下，極易發生失穩塌陷，造成地表沉降難以控制，極易引發安全事故。

圖6　膨潤土漿液

因此，在盾構停機前向土艙內注射一定量的膨潤土(膨潤土數量根據地層的微顆粒數量以及地下水量的多少來確定，本工程通過試驗確定7 m31∶5的膨潤土漿液為最佳，而注射太多膨潤土則會造成螺旋機噴涌，出渣困難)，補充欠土壓模式下的土艙壓力不足，輔助提高土艙的壓力，以便平衡開挖面；同時也有效降低了停機后刀盤重新啟動時的高扭矩需求[17]，減緩了對刀具的瞬間沖擊，延長了刀具的使用壽命。

4　結論與討論

1)通過盾構掘進參數和姿態控制、渣土改良以及合理利用欠土壓模式掘進等措施，使得刀具的磨損系數降為0.03 mm/km。在掘進速度為35 mm/min、盾構掘進長度為500 m時，刀盤的邊緣滾刀的磨損量平均為16 mm。這說明對刀具的減摩效果明顯，證明采取的技術措施是可行的。

2)在盾構刀盤設計之前，必須要對工程地質勘探清楚，因為地質是盾構設計的基礎，只有這樣，盾構刀盤的設計和刀具的配置才有針對性。

3)渣土改良對刀具的減摩作用，在不同的工程實踐中，因水文地質狀況不同，應通過試驗來確定渣土改良的配方。采用科學的施工措施對延長刀具的使用壽命是很有幫助的，該項研究還需要進一步深入。

4)合理地設定盾構掘進參數、控制好盾構掘進姿態，會使得盾構掘進中刀具受力更加合理，尤其是滾刀轉動順暢，防止滾刀偏磨效果比較明顯。

5)在砂卵石地層中大幅度提高盾構的掘進扭矩，是解決盾構連續掘進的最有效措施，但是提高盾構掘進扭矩的同時，對盾構自身結構設計將會提出更高的要求，這方面的研究應該及時開展。

6)在砂卵石地層中，盾構采用欠土壓模式掘進，如何有效利用地層的自穩性來控制地表沉降，在應用于工程實踐之前，需要根據不同的工程地質情況開展試驗研究并取得相關的參數。

7)在富水砂卵石地層中，由于受到目前盾構整體設計尺寸限制，無法設計安裝更大直徑的螺旋機，這也限制了盾構不能設計更大的刀盤開口率或者采用輻條式刀盤形式。這個問題需要及時開展研究，尤其是研究螺旋機的結構形式并進行設計優化。

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Increasing Technologies for Service Life of EPB Shield Cutting Tools Boring in Sandy Cobble Stratum in Lanzhou

LIU Qi1, JIN Shihe1, 2

(1. Lanzhou Rail Transit, Lanzhou 730030, Gansu, China;2.LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,Gansu,China)

The wear of cutting tools of EPB shield boring in sandy cobble stratum in Lanzhou is studied, so as to reduce wear of cutting tools and increase the service life of cutting tools.The wear rules of cutting tools are obtained by making comparison between theoretical calculation results and actual practice. Study is made on technologies, i.e. ground conditioning, boring parameter optimization, shield altitude control and shield boring under inadequate soil stress, on basis of study results of cutterhead design and cutting tool arrangement. The service life of cutting tool has been increased; the cutting tool replacing times have been reduced; the construction schedule has been shortened; and the construction cost has been reduced.

Lanzhou Metro; EPB shield; sandy cobble stratum; cutting tool service life

2015-06-03;

2016-07-27

劉奇(1981—)，男，陜西富平人，2006年畢業于南昌航空大學，土木工程專業，本科，工程師,主要從事地鐵土建工程管理工作。E-mail：136865185@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.018

U 455.3+1

B

1672-741X(2016)08-1011-05