盤形滾刀在砂卵石地層盾構(gòu)施工中的適應(yīng)性研究

尚 軍

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河065201）

隨著地下空間的進(jìn)一步開發(fā)和施工機(jī)械化程度的逐步提高，盾構(gòu)/TBM在鐵路、公路、市政、水利等行業(yè)的工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)受到了業(yè)界和學(xué)界的密切關(guān)注，并在理論與實(shí)踐的雙重探索與積累中實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。作為盾構(gòu)/TBM的“爪牙”，刀具是盾構(gòu)/TBM的重要組成部分，也是其順利完成隧道掘進(jìn)工作的核心部件。隨著刀具技術(shù)的不斷發(fā)展，針對(duì)不同的地層特點(diǎn)，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及切削機(jī)理的差異，刀具可分為滾刀和切削刀兩大類，而這兩大類還可進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分。如滾刀是指隨著刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)還進(jìn)行自轉(zhuǎn)的刀具，可分為盤形滾刀、齒形滾刀等；切削刀則是指只隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)而不自轉(zhuǎn)的刀具，包括切刀、刮刀、齒刀、先行刀、仿形刀等。在現(xiàn)階段的盾構(gòu)/TBM施工中，常見的滾刀主要為盤形滾刀，又可分為單刃滾刀、雙刃滾刀和多刃滾刀幾種類型，如圖1。

圖1 盤形滾刀

滾刀常用于純硬巖地層的掘進(jìn)。在穿越松散地層但含有大粒徑礫石（粒徑大于400mm）且含量達(dá)到一定比例時(shí)，可以采用滾刀。此外，在隧道地質(zhì)條件復(fù)雜多變、巖石強(qiáng)度不算太高且與一般土體交錯(cuò)頻繁出現(xiàn)的情況，也有可能采用滾刀。

在砂卵石地層的隧道施工中，常見的盾構(gòu)刀具組合是以重型撕裂刀為先行刀，預(yù)先疏松土體，同時(shí)破碎強(qiáng)度較低和粒徑較小的卵石和礫石；切刀作為主刀具，用于大部分?jǐn)嗝娴那邢鳎坏侗P中心布置魚尾刀或羊角刀，起到定心和疏松部分土體的作用；周邊刮刀保證開挖斷面直徑；另外，一般還會(huì)配置仿形刀，用于曲線開挖和糾偏。不過(guò)，總體而言，在砂卵石地層中采用盾構(gòu)進(jìn)行隧道施工，在全世界范圍內(nèi)尚屬一個(gè)難點(diǎn)，存在著一系列的技術(shù)問(wèn)題，其中一個(gè)典型難題就是砂卵石對(duì)刀具的沖擊較大，容易導(dǎo)致齒刀崩齒乃至掉刀，進(jìn)而對(duì)刀盤刀具造成嚴(yán)重的損壞，而頻繁地更換刀具、修復(fù)刀盤不可避免地會(huì)對(duì)工程進(jìn)度、成本帶來(lái)極大的壓力，并且在城市環(huán)境中，由于換刀地點(diǎn)受到制約，這一操作也會(huì)造成一些難以避免的安全問(wèn)題，給盾構(gòu)施工埋下嚴(yán)重隱患。

從近年來(lái)北京、成都等地的城市軌道交通工程的建設(shè)過(guò)程來(lái)看，滾刀在砂卵石地層盾構(gòu)隧道施工中逐漸扮演了一個(gè)越來(lái)越重要的角色，解決了一部分此前難以解決的難題，同時(shí)也產(chǎn)生了一些新的技術(shù)問(wèn)題和盲點(diǎn)。在此背景下，本文擬結(jié)合施工實(shí)例，對(duì)滾刀在砂卵石地層盾構(gòu)施工中的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行探討，以期為相關(guān)問(wèn)題的解決提供一些思路和借鑒。

1 滾刀的破巖機(jī)理

從材料學(xué)角度看，巖石是各向異性的脆性材料。按照此前相關(guān)材料性能試驗(yàn)的研究結(jié)果，巖石的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的比值一般約為1：（15~20）：（2~8）[1]，視巖性具體差異而浮動(dòng)。滾刀破巖過(guò)程中，同時(shí)存在著擠壓、剪切和張拉等多種破碎方式，具體哪種方式起作用，首先要看其中哪種應(yīng)力最先達(dá)到巖石的極限強(qiáng)度。此外，巖石的破碎過(guò)程可以分為多個(gè)階段，且過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)不斷發(fā)生重分布，不同的階段起主要作用的應(yīng)力也是不同的。根據(jù)原東北工學(xué)院巖石破碎實(shí)驗(yàn)室相關(guān)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，以巖渣生成方式進(jìn)行劃分，盤形滾刀的破巖過(guò)程大致可分為三個(gè)階段：粉碎區(qū)形成階段、粉核體生成階段、破碎塊體形成階段。

1.1 粉碎區(qū)形成階段

滾刀剛開始接觸巖面，力學(xué)模型可看作半無(wú)限體承受一個(gè)集中荷載，接觸點(diǎn)附近巖石的壓應(yīng)力會(huì)最先到達(dá)極限強(qiáng)度，從而產(chǎn)生擠壓破壞，同時(shí)產(chǎn)生巖石粉末。

1.2 粉核體形成階段

滾刀刀刃開始深入巖石，形成的巖石粉末有一部分隨滾刀的運(yùn)動(dòng)而掉落，另一部分則被壓進(jìn)巖石的縫隙或在滾刀碾出的巖槽底部被滾刀刀刃壓實(shí)成粉核體。粉核體在滾刀和巖石之間起力的傳遞作用，在滾刀作用下，在巖槽處的巖石內(nèi)造成拉應(yīng)力集中，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)巖石抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石內(nèi)出現(xiàn)拉伸裂縫，如圖2。

圖2 粉核體形成階段破巖原理示意圖

1.3 破碎塊體形成階段

由于上一階段巖石內(nèi)已產(chǎn)生徑向裂縫，根據(jù)格里菲斯強(qiáng)度理論[2]，在滾刀持續(xù)作用下，裂縫尖端附近將出現(xiàn)拉應(yīng)力集中并超過(guò)巖石抗拉強(qiáng)度，宏觀的結(jié)果則是裂縫不斷擴(kuò)展。考慮到相鄰滾刀的相互影響，當(dāng)裂縫擴(kuò)展到一定程度并相交時(shí)，破碎塊體形成并脫落，至此滾刀破巖的單次循環(huán)完成，如圖3。

圖3 破碎塊體形成原理

2 工程背景

某鐵路隧道盾構(gòu)段長(zhǎng)5175m，采用一臺(tái)直徑12.04m的氣墊式泥水平衡盾構(gòu)獨(dú)頭掘進(jìn)。根據(jù)地勘報(bào)告，盾構(gòu)隧道穿越的地層為：圓礫、卵石土層雜色，密實(shí)，濕~飽和，一般粒徑20~60mm，大于20mm的顆粒含量約占總重的65%，亞圓形，中粗砂充填；隧道西段以卵石、礫石為主，東段黏土含量逐漸增大。隧道全線富水，部分洞段處于承壓水中。

針對(duì)地層特點(diǎn)，盾構(gòu)刀盤采用了“輻條+面板”復(fù)合式設(shè)計(jì)，開口率30%；刀具按照常規(guī)砂卵石掘削理論進(jìn)行配置，雙層布置，以重型撕裂刀為先行刀，切刀為主刀具，輔以中心魚尾刀和邊刮刀等，見圖4。

圖4 初裝刀盤模型圖

盾構(gòu)始發(fā)后的檢測(cè)結(jié)果顯示，部分刀具在掘進(jìn)施工中的磨損較為嚴(yán)重，且多為非正常磨損。其中，切刀崩齒的現(xiàn)象較普遍，刀齒基座面有一定磨損，并出現(xiàn)了掉刀的情況；部分邊刮刀中間部位的刀齒已全部磨去，基座磨成平面；輻條上的先行刀磨損情況嚴(yán)重；隨著掘進(jìn)距離增長(zhǎng)，刀盤也出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象，且邊緣部位比中間部分磨損程度更大，見圖5。

事后對(duì)原因進(jìn)行了分析。施工中發(fā)現(xiàn)，工程實(shí)際地質(zhì)情況與初步設(shè)計(jì)的地勘報(bào)告有一定出入。實(shí)際穿越地層密實(shí)度較大，揭露的卵石粒徑比地勘報(bào)告所描述的大，且由于地下水位隨季節(jié)變化，在變化區(qū)域產(chǎn)生了一層1~2m厚的卵石膠結(jié)層，取樣試驗(yàn)結(jié)果顯示其最大強(qiáng)度達(dá)到了23MPa[3]，見圖6。如此一來(lái)，刀具無(wú)法有效地松動(dòng)地層，刀齒受到了強(qiáng)烈沖擊力而崩落，受損刀具很快因劇烈磨蝕而產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞，進(jìn)而導(dǎo)致刀盤磨損的出現(xiàn)；部分切刀因刀座受沖擊力發(fā)生疲勞破壞而出現(xiàn)掉刀，而掉落的刀具隨刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)刀盤造成二次破壞。

基于以上結(jié)論，為有效破碎巖層，保護(hù)刀盤刀具，該工程在刀盤修復(fù)改造時(shí)引入了滾刀。

圖5 邊刮刀磨平

圖6 卵石膠結(jié)體

3 滾刀的應(yīng)用試驗(yàn)及效果分析

優(yōu)化改造后的刀具采用三層立體配置，以雙刃滾刀為先行刀，利用滾刀的“滾壓”破巖機(jī)理提前對(duì)致密地層和卵石膠結(jié)體進(jìn)行破碎，滾刀和切刀之間增設(shè)一層撕裂刀參與土體切削并保護(hù)切刀，中心刀改用5把雙刃滾刀，每塊輻板外周增加一把單刃滾刀以保護(hù)刀盤外緣，將原有的齒刀改成大合金塊結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)抗沖擊能力，同時(shí)對(duì)刀盤薄弱部位進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)[4]。

在后續(xù)掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)多次帶壓進(jìn)倉(cāng)檢查、更換刀具，對(duì)換下的滾刀采用游標(biāo)卡尺測(cè)量刀圈磨損量并計(jì)算滾刀磨損系數(shù)。

3.1 掘進(jìn)88m后刀具磨損情況分析

刀盤優(yōu)化改造后掘進(jìn)了88m進(jìn)行了刀具檢查并更換了部分滾刀。從換刀情況看，除了少量邊緣滾刀出現(xiàn)偏磨外，所有滾刀均表現(xiàn)為正常磨損，而切刀幾乎沒有任何磨損跡象，說(shuō)明切刀基本未參與工作。由于正面滾刀全部表現(xiàn)為正常磨損，因此可得出結(jié)論，該工程致密卵石地層可以給滾刀提供足夠的反力令其正常工作；而切刀的工作情況也表明，在這類地層中，先行刀起到了主要作用，而切刀并非主要掘削刀具。總體而言，同改造前相比，本刀具方案較好地適應(yīng)了砂卵石地層掘進(jìn)要求，各類刀具均得到了很好的保護(hù)。根據(jù)邊緣滾刀偏磨情況，本次換刀將部分邊緣滾刀換成重型撕裂刀進(jìn)行下一輪試驗(yàn)。

3.2 掘進(jìn)133m后刀具磨損情況分析

盾構(gòu)掘進(jìn)133m后第二次進(jìn)行了刀具檢查和部分刀具的更換。這一次檢查結(jié)果同第一次類似，大部分滾刀表現(xiàn)為正常磨損，只有少量滾刀出現(xiàn)了偏磨。中心部位的滾刀磨損系數(shù)較邊緣部位更高，這說(shuō)明小半徑運(yùn)行對(duì)滾刀的正常工作不利。本次換刀將部分雙刃滾刀更換為單刃滾刀，進(jìn)行下一輪試驗(yàn)。

3.3 掘進(jìn)288m后刀具磨損情況分析

盾構(gòu)掘進(jìn)288m后，進(jìn)行了第三次刀具檢查和部分刀具更換。檢查結(jié)果顯示，除個(gè)別滾刀出現(xiàn)偏磨外，絕大部分正面滾刀運(yùn)行狀況良好，更換的刀具均表現(xiàn)為正常磨損。

同第二次檢測(cè)結(jié)果相似，中心區(qū)域的滾刀平均磨損系數(shù)仍然比邊緣區(qū)域滾刀高，從運(yùn)行機(jī)理分析來(lái)看，應(yīng)是由于中心區(qū)域刀具運(yùn)行半徑較小，長(zhǎng)時(shí)間處于碴土的包圍中磨蝕所致[5]。在此基礎(chǔ)上，對(duì)雙刃滾刀和單刃滾刀的磨損情況分別統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。

表1 單刃滾刀與雙刃滾刀磨損情況對(duì)比

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，在中心區(qū)域，雙刃滾刀的磨損系數(shù)較單刃滾刀大，而邊緣區(qū)域兩者相差不多。因此可初步得出結(jié)論，在砂卵石地層中，更適宜采用單刃滾刀作為先行刀。在后續(xù)施工過(guò)程中，根據(jù)這一原則進(jìn)行了刀具配置，也的確取得了良好的應(yīng)用效果，單刃滾刀的使用壽命較雙刃滾刀延長(zhǎng)了1/3[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合實(shí)際隧道工程施工，進(jìn)行了大直徑盾構(gòu)刀具在砂卵石地層中的配置研究和盤形滾刀應(yīng)用試驗(yàn)。針對(duì)初裝刀具對(duì)地層的不適應(yīng)問(wèn)題，滾刀的應(yīng)用起到了良好的效果，并可得出以下結(jié)論：

（1）盤形滾刀在砂卵石地層中，尤其是較為致密的砂卵石地層中，可以起到很好的破巖作用。

（2）由于工程中使用的滾刀刀圈材料為耐磨合金鋼，而其磨損系數(shù)遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金，根據(jù)廣州等地隧道施工的成功經(jīng)驗(yàn)，可從材料角度對(duì)滾刀刀圈材料或者滾刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以進(jìn)一步增強(qiáng)滾刀的耐磨性能。

（3）就本工程而言，單刃滾刀表現(xiàn)出了比雙刃滾刀更強(qiáng)的地層適應(yīng)能力。

（4）針對(duì)單刃滾刀和雙刃滾刀對(duì)砂卵石地層的適應(yīng)性問(wèn)題，由于應(yīng)用范圍的局限，本文的結(jié)論還需通過(guò)更多的實(shí)際工程進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。