淺談全斷面硬巖盾構掘進刀具的選擇與更換

文/鄭曉飛、王栓、郝保安、羅興元 中交隧道工程局第三工程公司 江蘇南京 210000

淺談全斷面硬巖盾構掘進刀具的選擇與更換

文/鄭曉飛、王栓、郝保安、羅興元 中交隧道工程局第三工程公司 江蘇南京 210000

在硬巖地層條件下，掘進存在的問題是刀具磨損嚴重，掘進速度慢，且在控制不當的情況下易造成刀具非正常損壞，可能對刀盤造成磨損或損壞。依據廣州市軌道交通七號線一期工程南村站～中間風機房（不含）區間，盾構掘進穿越硬巖的實例。通過選擇合理的刀具及配置，分析施工中刀具的磨損原因并采取應對措施，有計劃地更換刀具，建立完善的刀具更換流程并加強管理等，確保盾構在硬巖中安全順利推進。

硬巖；盾構掘進；刀具選擇；刀具更換

一.工程概況

廣州市軌道交通七號線一期工程南村站～中間風機房（不含）盾構區間，線路縱斷面為下坡，最大坡度為26‰，線路埋深12.04m～36.73m，隧道頂覆土7.86m～32.55m。根據地質勘察資料，隧道主要穿行于＜6＞全風化泥質粉砂巖、＜7＞強風化泥質粉砂巖、＜8＞中風化泥質粉砂巖、＜6Z＞全風化混合花崗巖、＜7Z＞強風化混合花崗巖、＜8Z＞中風化混合花崗巖和＜9Z＞微風化混合花崗巖等。

區間左線長1678.269m，穿越＜8Z＞中風化混合花崗巖、＜9Z＞微風化混合花崗巖及其混合巖地層為962.57m，占左線線路的57.35%。區間右線長1703.560m，穿越＜8Z＞中風化混合花崗巖、＜9Z＞微風化混合花崗巖及其混合巖地層為776.806m，占右線線路的45.6%。

＜8Z＞中風化混合花崗巖：灰黃色、褐黃，細粒花崗變晶結構，條帶狀構造。裂隙發育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀局部短柱狀，巖質較硬。天然單軸極限抗壓強度值為11.43～58.30Mpa，平均值為26.76M pa。

＜9Z＞微風化混合花崗巖：淺灰、灰白色、青灰色，花崗變晶結構，條紋、條帶構造。局部裂隙較發育，巖芯呈柱狀，局部機械破碎呈碎塊狀，RQD為50～90%，巖質堅硬。天然單軸極限抗壓強度值為26.4～107.3M pa，平均值為73.0Mpa。

二.盾構機情況

根據本工程線路情況及地層特性，經綜合考慮比選，選用德國海瑞克公司生產的直徑6280mm的復合式土壓平衡盾構機。兩臺盾構機均為液壓驅動式土壓平衡盾構機，具有高轉速、大推力和大扭矩的特點，盾體中盾和尾盾之間采用鉸接連接，便于在曲線上掘進。盾構機配備有適用該標段地層掘進的刀具、渣土改良系統、完善的人倉和保壓系統、同步注漿系統，且人倉位于中隔板的上部，以方便刀具更換。

在硬巖段掘進中，盾構機布設的刀具為35把滾刀（31把單刃滾刀，4把雙刃滾刀），64把齒刀、8把邊刮刀和1把超挖刀。滾刀有高度耐磨的切削環，完全滿足在硬巖掘進的需要，刀盤的形狀采用防堵塞設計，刀具型式和安裝位置便于切割巖石。

三.刀具的選擇

刀具是盾構施工的重要部件，在盾構施工時，選用什么樣的刀具通常取決于盾構機掘進通過的地層條件。在硬巖條件下盾構機破巖主要靠盤型滾刀，刀盤旋轉帶動刀具掃過開挖面，滾刀對圍巖的擠壓使得巖層表面形成裂紋繼而與掌子面脫落，實現巖層的成功破碎。

3.1 滾刀刀圈的材質

滾刀刀圈的材質是滾刀能否勝任掘進硬巖的關鍵，一般有以下4種類型的刀圈。

（1）耐磨層表面刀圈

適用于掘進硬度40M pa的緊密地層，硬度80～100M pa的斷裂礫巖、砂巖、凝灰巖及砂性土等地層。

（2）標準鋼刀圈

適用于掘進硬度50～150Mpa的礫巖、大理石、砂巖、灰巖及有石塊的地層。

（3）重型鋼刀圈

適用于掘進硬度120～250M pa的硬巖，硬度80～150M pa的高磨損巖層，如花崗巖、閃長巖、斑巖、大理石、蛇紋石及玄武巖等地層。

（4）鑲齒硬質合金刀圈

適用于掘進硬度高達150～250Mpa的花崗巖、斑巖、玄武巖及石英等地層。

根據刀具使用情況，標準鋼刀圈滾刀可以較好的適用于本標段的地層。

3.2 滾刀直徑

滾刀按刀圈外徑規格一般分為12"、15.5"、17"及19"等系列，見表1。

表1 刀具尺寸

本標段使用17"單刃滾刀，可以較好的用于掘進硬巖地層。刀圈高于刀盤面板175mm，其刀圈可以更換，根據巖石的強度可以選用破巖能力不同的刀圈。

3.3 滾刀廠家的比選

本標段使用了洛陽九久、滬馬、龐萬力等廠家生產或維修的滾刀，通過對硬巖掘進中刀具的更換數量、刀具的磨損情況等進行分析，選擇適合本標段的刀具廠家。并在施工中選擇合理的掘進參數，確保盾構在硬巖中順利掘進。

右線在YDK17+581.89（對應274環、＜7Z＞地層）進行了全盤刀具的更換，刀具為洛陽九久生產的刀具。恢復掘進后穿過全斷面＜7Z＞和＜7Z＞、＜8Z＞、＜9Z＞的混合地層進入＜8Z＞、＜9Z＞地層，掘進到363環開倉換刀。在YDK17+669.405～YDK17+856.902段，對應環數為361～487環，隧道基本處于全斷面中、微風化混合花崗巖地層中，共換刀5次。刀具更換情況見表2。

表2 檢查更換刀具情況

由表2可知，洛陽九久的刀具在混合巖段掘進63環，刀具更換28把單刃滾刀，磨損嚴重，平均2.25環/把。滬馬刀具在硬巖段掘進62環，刀具更換26把單刃滾刀，2把雙刃滾刀，磨損較嚴重，平均2.21環/把。龐萬力刀具在硬巖段掘進62環，刀具更換27把單刃滾刀，2把雙刃滾刀，磨損嚴重，平均2.14環/把。通過對滾刀的磨損情況、經濟投入等綜合比選后選用滬馬刀具廠家生產和維修的刀具。

四.刀具磨損原因分析及應對措施

4.1 刀具磨損原因分析

盾構在全斷面硬巖中掘進，刀具磨損常見形式有：均勻磨損、偏磨、崩刀圈、刀圈脫落等，通過現場施工觀察及分析，刀具磨損原因如下：

(1)掌子面巖面強度大，且石英含量高達40～45%，對刀具磨損量大。同時刀具與硬巖摩擦產生大量的熱加速刀具的磨損。

(2)刮刀出現磨損、脫落、崩裂等，特別是刀盤外周的刀具磨損嚴重，以至于滾刀破巖后巖石無法正常刮落。輔助刀具對滾刀保護基本失去作用，導致滾刀受損嚴重。

(3)刀具螺帽發生松動現象，甚至螺桿出現脫落，此時繼續掘進時，松動的刀具隨著刀盤轉動，刀軸也會跟著抖動造成刀具無法正常受力破巖，從而影響刀具壽命。

(4)盾構姿態不均衡，在調節姿態時各分區油缸壓差過大，使整個刀盤面受力不均，導致在轉動刀盤時刀具在不同位置受到的阻力扭矩不同，刀具旋轉不均勻，引起刀圈偏磨。

(5)海瑞克盾構機邊緣滾刀（31#-39#）布置較為薄弱，每個邊緣輪廓軌跡上只有一把刀具，一旦發生刀具損壞，易引起周邊刀具連鎖性破壞。

4.2 應對措施

（1）盾構在全斷面硬巖中掘進時，采用敞開式掘進模式，加快螺旋機轉速，減少土倉內的積土。通過向掌子面注入泡沫，降低刀具溫度，潤滑刀具，以此減少對刀具的影響。

（2）將刀具螺母全部更換為自鎖螺母，墊片更換為陰陽子母墊片，防止在掘進中松動。

（3）在保證盾構姿態的情況下盡量控制各分區的油缸壓力差在50ba r以內，在全斷面硬巖地層每一環盾構姿態調整量應控制在5mm以內。

（4）關注掘進參數的變化，參數異常時，選擇合適地點，盡快開倉檢查刀具和掌子面情況。掘進參數的選擇以保護刀具為原則，按高轉速、低扭矩選取參數，掘進參數控制范圍：推力800～1200T，刀盤轉速1.7～2.2r/m in，刀盤扭矩1600～2800KN·m，掘進速度≤25mm/m in。

（5）勤檢查刀具，及時對松動的螺栓進行復緊，偏磨和磨損超限的刀具及時更換，避免造成周圍刀具的磨損損壞。

（6）堅持在土倉隔板處巡視觸聽土倉中的異常聲響，及時發現并盡早清除土倉中的異物，也是保護刀具非正常損壞的重要措施。

五.刀具管理

建立嚴格的刀具檢查管理制度，制定定期和不定期刀具檢查制度，是盾構機在硬巖掘進的必要保障，刀具管理要有專業的人員來管理和維護。

5.1 建立定期和不定期刀具檢查制度

（1）定期刀具檢查制度

一是刀具更換完成后，推進1-2環，檢查刀具的情況并對刀具螺栓進行復緊；二是每掘進10環進行刀具的常規磨損檢查，根據刀具檢查結果，制定刀具維護、更換方案。

（2）不定期刀具檢查制度

在盾構掘進過程中，盾構值班土建工程師和盾構司機根據掘進參數的異常和刀盤發出的異常聲響等情況，對刀具進行檢查，根據刀具檢查結果，制定刀具維護、更換方案。

（3）刀具檢查內容

刀具的檢查包括螺絲是否松動、斷絲，刀圈是否破裂、脫落，刀具是否偏磨并用卡尺檢查磨損量等。

5.2 刀具更換標準

（1）正面滾刀刀圈磨損量在15～20mm時須換刀，邊緣滾刀刀圈磨損量為5～10mm時須換刀。

（2）邊緣刮刀及齒刀出現崩齒或刀具上的合金堆焊層磨損較嚴重時須更換。

（3）換刀時如發現刀具偏磨、刀圈崩裂等，必須進行更換。

5.3 刀具更換

刀具更換流程：出土停機→打開艙門→通風、沖洗刀具→觀察掌子面及滲漏水情況→注雙液漿封環→工具準備→刀具磨損測量→拆、裝刀→檢查安裝質量→整理工具→關閉倉門→恢復掘進。

根據掘進過程中渣土的含水量，確定是否在盾尾后5-6環注雙液漿封環，開倉后先通風、沖洗刀盤刀具。同時觀察掌子面情況和土倉后方來水情況，水量大時在盾尾后方補注雙液漿封環截水。通知地面人員準備換刀工具和刀具，檢查、測量刀具磨損情況并詳細記錄。將磨損情況反饋到項目部，根據磨損情況制定換刀方案，同時通知換刀人員準備拆裝刀。對于斷絲或卡死刀箱的情況，準備絲桿、水下焊機、氧氣乙炔等。刀具更換完成后，全面檢查一遍并對刀具螺栓再次復緊，然后將工具全部整理出來，關閉倉門恢復掘進。

盾構機換刀目前大多數采用“背裝式”，該方式更換刀具較快，且易于操作。

（1）對于磨損超限的邊緣刀，可以放在正面刀使用的，調換到正面刀位置，以合理利用刀具。

（2）選擇專業的隊伍加快換刀速度，換刀結束后，由項目機電部安排有經驗的機電工程師對刀具進行檢查，確保刀具的安裝質量合格。

（3）換刀工具安排專人進行維修保養，對于換刀時采用的照明燈具提前檢查更換。

（4）刀具安裝前，用風鎬進行鑿刀槽，保證有足夠的長度和深度；對變形的刀箱進行修復處理，確保刀具安裝到位。

（5）對于刀具斷絲或卡死刀箱的情況，采用焊接螺帽取絲、絲桿拖拉等進行處理，必要時對刀具采取報廢處理，利用水下焊、氧氣乙炔進行割除，見圖5.2。

（6）將磨損超限的刀具送到專業的刀具維修廠家進行維修，保證刀具的裝配扭矩合理配置和各部件的質量；

（7）為每一把刀建立刀具維修、使用及更換臺賬。

結語：

在硬巖地層中掘進，刀具磨損嚴重，更換頻率高，施工難度大。施工中根據實際地質情況選擇標準鋼刀圈的刀具，分析刀具磨損的原因，并采取減少刀具磨損的應對措施。同時加強對刀具的管理，建立定期和不定期的刀具檢查制度，完善刀具更換流程，有計劃地更換刀具等，確保盾構在硬巖中安全順利推進。

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