硬土地層施工中的盾構(gòu)刀具損壞機(jī)理及防治措施

段戊龍

中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 030032

盾構(gòu)法施工是當(dāng)前隧道鉆進(jìn)施工的主要應(yīng)用方式之一，在我國(guó)得到了較為廣泛的推廣和應(yīng)用，當(dāng)前該項(xiàng)施工技術(shù)可應(yīng)用在各種復(fù)雜地層的鉆進(jìn)施工中，且表現(xiàn)出較高的施工效率和施工安全性[1]。但是盾構(gòu)機(jī)在硬土地層中鉆進(jìn)時(shí)，常出現(xiàn)盾構(gòu)刀具受損嚴(yán)重的現(xiàn)象，使盾構(gòu)鉆進(jìn)施工的成本大幅度增加。在此情況下，對(duì)盾構(gòu)刀具損壞機(jī)理進(jìn)行深入分析，總結(jié)盾構(gòu)刀具的磨損規(guī)律，采取科學(xué)的防治措施，不僅有助于提升施工效率，還能夠顯著降低盾構(gòu)施工成本，針對(duì)這方面的研究具有較為積極的意義。

1 盾構(gòu)機(jī)刀具的主要配置

盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)行施工時(shí)，主要配置的刀具類型包括滾刀、焊接式先行刀、切刀、邊緣刮刀、超挖滾刀、保護(hù)刀、外周耐磨塊等，各種刀具在盾構(gòu)過(guò)程中所具有的作用存在著較大的差異。（1）滾刀在盾構(gòu)機(jī)中主要承擔(dān)開(kāi)挖面硬巖土層的挖掘施工，也是盾構(gòu)機(jī)中最先與開(kāi)挖面接觸的刀具，其在安裝時(shí)通常比盾構(gòu)機(jī)的刀盤高度高出175mm；（2）焊接式先行刀在盾構(gòu)機(jī)中起保護(hù)切刀的作用，其安裝高度相較于切刀高出20mm，相較于滾刀高出15mm；（3）切刀和邊緣刮刀主要發(fā)揮切削和裝載的功能，開(kāi)挖面土層經(jīng)滾刀破碎后，產(chǎn)生的渣土經(jīng)切刀和邊緣刮刀處理，然后進(jìn)入渣槽中；（4）保護(hù)刀主要焊接在刀盤注入口的上端部位，該刀具可有效保護(hù)刀盤注入口，降低其受損程度；（4）外周耐磨塊也被稱為外周保護(hù)刀，其能夠?qū)Φ侗P外圓周進(jìn)行有效保護(hù)，通過(guò)在刀盤外圓周均勻布置外周耐磨塊，形成環(huán)狀保護(hù)刀盤外圓周[2]。

2 盾構(gòu)機(jī)滾刀的工作原理

從盾構(gòu)機(jī)刀具配置的實(shí)際情況來(lái)看，盾構(gòu)機(jī)在硬土地層中施工時(shí)，受損較為嚴(yán)重的刀具主要為滾刀，受損類型可分為單邊磨損、多邊磨損、崩刃等。盾構(gòu)機(jī)滾刀的受損情況與滾刀的工作原理密切相關(guān)，其工作原理如下：盾構(gòu)機(jī)滾刀在推力作用下直接壓上需要開(kāi)挖的硬質(zhì)土層，刀盤在旋轉(zhuǎn)工作的過(guò)程中，滾刀自身會(huì)繞軸線呈自轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)還會(huì)繞刀盤的中心軸呈現(xiàn)公轉(zhuǎn)的狀態(tài)[3]。如果在此運(yùn)行過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)對(duì)開(kāi)挖面施加的推力較大，超出開(kāi)挖面的強(qiáng)度數(shù)值時(shí)，則滾刀能夠順利破碎開(kāi)挖面，將刀刃插入開(kāi)挖面中，并在開(kāi)挖面上形成1塊壓碎區(qū)域；然后在此基礎(chǔ)上，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)一步加大推力，相鄰滾刀作用下的開(kāi)挖面會(huì)形成1個(gè)貫通面，使得開(kāi)挖面中的硬質(zhì)土層崩落，至此盾構(gòu)機(jī)滾刀便順利完成1次切削加工。

3 硬土地層施工中盾構(gòu)機(jī)滾刀受損類型及原因

硬土地層的泥石結(jié)構(gòu)相對(duì)較為穩(wěn)固，盾構(gòu)機(jī)滾刀在進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，為保證順利完成開(kāi)挖，必須施加更大的推力，在較大的推力作用下，滾刀的受損程度無(wú)疑將增大，進(jìn)而可能出現(xiàn)單邊磨損嚴(yán)重、多邊磨損嚴(yán)重、崩刃等情況。下面對(duì)以上受損類型的具體引發(fā)原因展開(kāi)分析。

3.1 滾刀均勻磨損

在正常盾構(gòu)施工作業(yè)過(guò)程中，滾刀在與開(kāi)挖面長(zhǎng)時(shí)間接觸的過(guò)程中，刀具會(huì)受到磨損，正常情況下滾刀不同位置的受損程度應(yīng)保持均勻，即滾刀的刀圈周邊位置受到的磨損程度基本相同，這種現(xiàn)象屬于盾構(gòu)機(jī)滾刀施工作業(yè)的正常現(xiàn)象，在長(zhǎng)時(shí)間盾構(gòu)施工作業(yè)之下，盾構(gòu)機(jī)滾刀都會(huì)表現(xiàn)出這種受損狀態(tài)[4]。

3.2 滾刀單邊磨損

從盾構(gòu)機(jī)滾刀旋轉(zhuǎn)切削作業(yè)的情況來(lái)看，刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滾刀自傳，如果滾刀在實(shí)際工作時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的盾構(gòu)貫入度不足，導(dǎo)致刀盤提供的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)力矩不足，則會(huì)使?jié)L刀的自轉(zhuǎn)受到影響，可能出現(xiàn)滾刀單邊破損的情況。此外，如果出現(xiàn)機(jī)械故障，也可能引起滾刀自轉(zhuǎn)停止，進(jìn)而出現(xiàn)滾刀刀圈單邊磨損嚴(yán)重的情況，這種狀況對(duì)滾刀造成的損害較大，屬于盾構(gòu)施工作業(yè)中的重點(diǎn)防范問(wèn)題[5]。

3.3 滾刀多邊磨損

盾構(gòu)機(jī)滾刀出現(xiàn)多邊磨損的情況大多與引起滾刀單邊磨損的原因相關(guān)。在實(shí)際盾構(gòu)施工作業(yè)過(guò)程中，滾刀刀圈單邊受到較為嚴(yán)重的磨損后，在偏磨角產(chǎn)生的外部應(yīng)力作用下，會(huì)使盾構(gòu)機(jī)的滾刀出現(xiàn)瞬時(shí)性旋轉(zhuǎn)，然后出現(xiàn)第二邊磨損、第三邊磨損，乃至多邊磨損。

3.4 滾刀崩刃

為保證滾刀的切削性能，通常需要在刀具的刃口位置鑲嵌少量硬質(zhì)合金，以此提升刀具的硬度，但隨之產(chǎn)生的缺點(diǎn)也較為明顯，刀具的韌性較差。在滾刀與硬土地層碰撞接觸的過(guò)程中，瞬間將產(chǎn)生較大的沖擊力，該作用力可能對(duì)刀具的刃口部位造成損傷，嚴(yán)重時(shí)便會(huì)出現(xiàn)崩刃故障。

4 硬土地層施工中盾構(gòu)機(jī)刀具受損防治措施

在盾構(gòu)挖掘施工中，硬土地層屬于一種較為常見(jiàn)的地質(zhì)類型，其會(huì)在很大程度上加劇盾構(gòu)機(jī)滾刀的受損程度，為有效降低其受損程度，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具采取必要的防治措施十分必要。基于盾構(gòu)機(jī)滾刀的各類型受損情況，主要可采取以下受損防治措施。

4.1 把握盾構(gòu)機(jī)滾刀的換刀時(shí)機(jī)

在盾構(gòu)施工中，為保證整體掘進(jìn)作業(yè)效率，同時(shí)形成對(duì)刀盤和其他刀具的有效保護(hù)，應(yīng)在盾構(gòu)施工作業(yè)過(guò)程中有效控制滾刀的磨損量，準(zhǔn)確把握盾構(gòu)機(jī)滾刀的換刀時(shí)機(jī)[6]。當(dāng)前關(guān)于滾刀磨損量的預(yù)測(cè)、推算主要可通過(guò)以下兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：

（1）在盾構(gòu)機(jī)滾刀受到較為嚴(yán)重的磨損時(shí)，如果維持盾構(gòu)機(jī)的總推力不變，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度明顯降低，且總扭矩?cái)?shù)值明顯升高，根據(jù)這些參數(shù)信息能夠較為準(zhǔn)確地估算出滾刀的磨損狀況，進(jìn)而判斷是否需要行換刀。

（2）研究發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作狀態(tài)下，盾構(gòu)機(jī)的單一滾刀受到的磨損情況與盾構(gòu)機(jī)的施工工藝、地質(zhì)條件、刀盤轉(zhuǎn)速等眾多因素有直接聯(lián)系，可根據(jù)這些基礎(chǔ)性參數(shù)，應(yīng)用式（1）和式（2）推算盾構(gòu)機(jī)滾刀的磨損量，該計(jì)算方法的準(zhǔn)確性較高。

式中：δ為磨損量；k為磨損系數(shù)；D為切削軌跡直徑；N為刀盤轉(zhuǎn)速；L為推進(jìn)距離；υ為掘進(jìn)速度；a為刀具每轉(zhuǎn)掘進(jìn)長(zhǎng)度。

此外，在實(shí)際掘進(jìn)作業(yè)中，應(yīng)適當(dāng)提高開(kāi)倉(cāng)頻率，做到勤檢、勤看、勤換、勤查，同時(shí)注意加強(qiáng)渣土取樣，根據(jù)出渣情況，判斷刀具磨損情況，并對(duì)出渣溫度進(jìn)行檢測(cè)，避免渣溫過(guò)高引起刀具軸承故障。

4.2 優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)滾刀掘進(jìn)參數(shù)

從盾構(gòu)機(jī)滾刀的運(yùn)行工作原理來(lái)看，其在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中所受荷載大小與貫入度具有較為緊密的聯(lián)系，貫入度越大，其所受到的荷載越大，當(dāng)荷載超過(guò)滾刀承受能力時(shí)，便可能對(duì)滾刀造成較大的損害。因此，在實(shí)際掘進(jìn)施工中，首先應(yīng)調(diào)查了解滾刀能夠承受的最大荷載，然后在此基礎(chǔ)上控制貫入度數(shù)值，降低作用在滾刀上的總推力，延長(zhǎng)其實(shí)際使用壽命，同時(shí)順利完成掘進(jìn)施工任務(wù)。

4.3 改良開(kāi)挖面渣土土體性能

在硬土地層施工中，當(dāng)滾刀作用在開(kāi)挖面上時(shí)，由于土質(zhì)較硬，容易形成“砂輪效應(yīng)”，進(jìn)而對(duì)滾刀產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損，降低其使用壽命。在此情況下，可通過(guò)添加泡沫劑的方式，改良開(kāi)挖層渣土的土體性能，使渣土具備更高的流塑性，促進(jìn)挖掘施工的順利進(jìn)行。為保證土體獲得較好的改良效果，需注意結(jié)合土體情況配置合適濃度的泡沫劑原液，同時(shí)在掘進(jìn)施工作業(yè)中結(jié)合推進(jìn)速度，對(duì)泡沫劑的注入量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[7]。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于盾構(gòu)機(jī)刀具在硬土地層施工作業(yè)時(shí)容易產(chǎn)生磨損，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)增加掘進(jìn)成本，降低掘進(jìn)效率，為有效保障整個(gè)施工作業(yè)過(guò)程的高效性、經(jīng)濟(jì)性，加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)刀具受損防治工作至關(guān)重要。基于盾構(gòu)機(jī)刀具工作原理以及受損原因，在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，主要可通過(guò)把握盾構(gòu)機(jī)滾刀的換刀時(shí)機(jī)、優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)滾刀掘進(jìn)參數(shù)、改良開(kāi)挖面渣土土體性能等措施來(lái)進(jìn)行防治。