復(fù)合盾構(gòu)盤形滾刀在石英巖地層掘進(jìn)中的應(yīng)用研究*

黃 健

(隧道股份上海城建國際工程有限公司，上海 200232)

本文通過新德里軌道交通三期工程中的Vasant Vihar—Shankar Vihar區(qū)間上行線盾構(gòu)掘進(jìn)(以下簡稱“項(xiàng)目”)來介紹滾刀在石英巖中的磨損情況[1]。

1 工程概況

區(qū)間單線長1 425m，地層以不同程度風(fēng)化石英巖為主，盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)無地下水；區(qū)間微風(fēng)化的石英巖占7%(單軸抗壓強(qiáng)度在90MPa以上，最大可達(dá)125MPa)，中風(fēng)化的石英巖占56%(單軸抗壓強(qiáng)度在50～90MPa)，強(qiáng)風(fēng)化石英巖占37%(單軸抗壓強(qiáng)度在15～50MPa)。巖石的石英含量在85%～95%，巖石完整性指數(shù)RQD最高可達(dá)97%。采用復(fù)合盾構(gòu)施工[2]，隧道覆土厚10～18m，隧道內(nèi)徑5 800mm，外徑6 350mm，管片環(huán)寬1 500mm，厚275mm，采用5+1拼裝模式，管片分R-S-L 3種類別，采用錯(cuò)縫拼裝。軸線最小轉(zhuǎn)彎半徑為600m(見圖1)。

圖1 全斷面石英巖

2 盾構(gòu)機(jī)

項(xiàng)目使用海瑞克EPB 6 660mm土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，最大推力達(dá)42 500kN，額定扭矩4.62MPa，脫困扭矩5.54MPa，刀盤最大轉(zhuǎn)速可達(dá)7r/min。

2.1 刀盤結(jié)構(gòu)

刀盤采用面板式，開挖直徑6 660mm，開口率28%(見圖2)。土壓平衡掘進(jìn)時(shí)，在穩(wěn)定正面土體的前提下，有利于提高出土效率，又能為在掘進(jìn)施工時(shí)安裝更換各種刀具提供足夠空間。

圖2 刀盤結(jié)構(gòu)

為提高硬巖中刀盤需具有足夠強(qiáng)度和破硬巖能力，刀盤重達(dá)85t。在磨損角度部位，如刀盤開挖面、攪拌棒、刀盤邊緣處，大量堆焊了網(wǎng)格狀耐磨層，增加刀盤耐磨性能，有效保護(hù)刀盤整體結(jié)構(gòu)。

2.2 刀具布置

刀盤配置4把18in(1in=25.4mm)中心雙刃滾刀，38把18in單刃滾刀(正面25把，邊緣13把)；50把四孔切刀，48把邊緣刮刀。

滾刀高出刀盤面板187.3mm，四孔切刀高出刀盤面板125mm。滾刀高出切刀62.3mm，提高了滾刀的破巖能力，并能充分保護(hù)切刀和刮刀(見表1)。

表1 滾刀軌跡直徑 mm

2.2.1滾刀

盾構(gòu)需穿越中風(fēng)化、微風(fēng)化石英巖，故選用硬巖型刀圈，同時(shí)考慮到石英含量較高，刀具在具有良好破巖性能的同時(shí)，需具有一定的耐磨性能，最終采用R12的圓弧形刃口刀圈，刀圈硬度在HRC55-58。單刀出廠扭矩設(shè)置為27～30N·m，中心刀出廠扭矩設(shè)置為30～36N·m。

2.2.2切刀、刮刀

切刀、刮刀主要是對滾刀破碎的巖層進(jìn)行二次切削，而本區(qū)間主要為風(fēng)化石英巖，對刀具磨損性要求較高，故切刀、刮刀均采用大塊合金，且合金材料均選用耐磨性和抗沖擊性較好的鎢鋼材料，其牌號為YG13C，以有效延長刀具使用壽命。切刀、刮刀的安裝均采用螺釘連接式，便于拆卸和更換。

3 滾刀磨損預(yù)測

根據(jù)盾構(gòu)初始階段推進(jìn)滾刀磨損測量數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)，在未掘進(jìn)前確定合理的刀具檢查與換刀距離是確保盾構(gòu)機(jī)安全順利掘進(jìn)的重要參數(shù)。根據(jù)張鳳祥提出的刀具磨損預(yù)測公式如下[3]。

通常盾構(gòu)刀盤刀具的磨損量δ由下式計(jì)算：

δ=K·πD·N·L/V

(1)

式中：δ為磨損量(mm)；K為磨損系數(shù)(mm/km)；D為滾刀軌跡直徑(m)；N為刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度(r/min)；L為掘進(jìn)距離(m)；V為掘進(jìn)速度(mm/min)。

為了確定當(dāng)?shù)侗P磨損達(dá)到刀具限定磨耗量時(shí)盾構(gòu)所能推進(jìn)的距離，即確定刀具的掘進(jìn)距離L，可對式(1)作適當(dāng)變化：

L=δ·V/(πK·V·N·D)

(2)

令Pe=V/N，λ=δ/K=t/K，可得到：

L=Pe·λ/(πD)=Pe·t/(πD·K)

(3)

式中：Pe為滾刀貫入度，即滾刀每轉(zhuǎn)的切入深度(mm/r)；λ為達(dá)到刀具限定磨損量時(shí)可開挖距離(km)；t為限定磨損量，即刀具磨損量δ的最大限定值(mm)；D為滾刀軌跡直徑(m)。

3.1 計(jì)算條件

假設(shè)滾刀均為均勻磨損，沒有偏磨和刀圈斷裂情況；假設(shè)全斷面微風(fēng)化、中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化石英巖長度分別為100，798，527m。

3.2 計(jì)算方法

1) 滾刀貫入度Pe[4]根據(jù)初始階段Pe取值，微風(fēng)化地層取值5mm/r，中風(fēng)化地層取值8mm/r，強(qiáng)風(fēng)化地層Pe取值12mm/r。

2) 限定磨損量t1～33號為30mm，34～37號為25mm，38～40號為20mm，41～42號為15mm，43～46號為10mm。

3) 磨損系數(shù)K由式(1)變換可得：

K=δV/(πD·N·L)

(4)

工況1：從37環(huán)開始第6次換刀-推進(jìn)至52環(huán)第7次換刀，推進(jìn)22.5m，為全斷面中風(fēng)化石英巖，推進(jìn)平均速度V=25.06mm/min，刀盤平均轉(zhuǎn)速N=2.48r/min，選取第25號刀切削軌跡D=4.22m，刀具磨損量δ=3mm。

由式(4)計(jì)算得K1=101.6mm/km。

工況2：從166環(huán)開始第11次開倉換刀至200環(huán)第12次開倉換刀，推進(jìn)51m，為全斷面微風(fēng)化～中風(fēng)化(以微風(fēng)化為主)石英巖，平均推進(jìn)速度V=20.64mm/min，刀盤平均轉(zhuǎn)速N=2.73r/min，第30號刀切削軌跡D=5.02m，刀具磨損量δ=12mm。

由式(4)計(jì)算得出K2=112.9mm/km。

按差值計(jì)算原理計(jì)算強(qiáng)風(fēng)化地層磨損系數(shù)K3=89.5mm/km。

由磨損系數(shù)的定義即滾刀每掘進(jìn)1 000m時(shí)的滾刀磨損量，可知磨損量一定時(shí)磨損系數(shù)越小, 可掘進(jìn)的距離越長。

根據(jù)式(3)可計(jì)算出不同編號滾刀在相應(yīng)地層下的可掘進(jìn)距離L及計(jì)算換刀次數(shù)，如表2所示。

表2 滾刀計(jì)算可掘進(jìn)距離和換刀次數(shù)

由表1可看出需更換9把中心滾刀(18個(gè)刀圈)、163把正面滾刀、285把邊緣滾刀，共計(jì)466個(gè)刀圈。在不同限定磨損量下，不同地層最小可掘進(jìn)距離微風(fēng)化地層為21.2m、中風(fēng)化地層為37.7m、強(qiáng)風(fēng)化地層為63.8m。

4 滾刀實(shí)際使用情況

4.1 滾刀破巖機(jī)理

在盾構(gòu)機(jī)推力作用下，盤形滾刀緊壓在巖面上，在刀盤扭矩作用下，盤形滾刀繞刀盤中心轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也繞其自身軸自轉(zhuǎn)。當(dāng)盤形滾刀的有效推力超過巖石強(qiáng)度時(shí)，盤形滾刀貫入巖層，在巖層中形成壓碎區(qū)和放射性裂紋。當(dāng)盤形滾刀的間距滿足一定距離時(shí)，相鄰滾刀之間的放射性裂紋相互貫通，形成巖石碎片在自重作用下從開挖面剝離。

4.2 滾刀磨損主要形式

從滾刀消耗情況分析來看，主要以刀圈正常磨損和刀圈非正常磨損為主，而刀圈非正常磨損主要以刀圈偏磨(包含弦磨)、刀圈斷裂為主。

4.2.1滾刀正常磨損情況

滾刀在切削巖石過程中，其自轉(zhuǎn)的同時(shí)也隨刀盤一起公轉(zhuǎn)，與巖層不停沖擊摩擦，而造成均勻磨損。磨損量達(dá)到限定磨損量t時(shí)，對滾刀進(jìn)行更換，若不及時(shí)更換，刀刃不斷磨損，刀刃寬不斷增加，進(jìn)而影響刀刃破巖能力。此類磨損在本段區(qū)間中為最主要形式，如圖3所示。

圖3 滾刀正常磨損

4.2.2滾刀偏磨

由于某種原因致使?jié)L刀隨著刀盤公轉(zhuǎn)的同時(shí)不能自轉(zhuǎn)，使?jié)L刀產(chǎn)生單側(cè)面或多側(cè)面磨損而造成損壞，如圖4所示。

圖4 滾刀刀圈偏磨

4.2.3刀圈斷裂

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，滾刀刀圈會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著刀圈不斷沖擊巖層，這些疲勞裂紋逐步擴(kuò)大直至貫穿刀圈致使刀圈斷裂。此種情況主要發(fā)生在軟硬不均地層中，如圖5所示。

圖5 滾刀刀圈斷裂

4.3 滾刀消耗情況

掘進(jìn)950環(huán)(1.5m/環(huán))，換刀40次，共更換20把中心雙刀(40個(gè)刀圈)，598把單刀，共消耗638個(gè)刀圈。

中心滾刀4把(刀間距90mm)共更換20次，平均每把更換5次；正面滾刀9把(刀間距85mm)共更換74次，平均每把更換8次；正面滾刀16把(刀間距80mm)共更換214次，平均每把更換13次；周邊滾刀13把，共更換310次，平均每把更換24次。其中，40，41號刀位更換次數(shù)最多，高達(dá)29次，而最外緣刀位45A，45B更換次數(shù)為24，23次，即在刀盤上，呈45°左右受力的邊緣滾刀消耗量大于最外邊緣滾刀消耗量，滾刀軌跡半徑如圖6所示。

圖6 滾刀軌跡半徑

滾刀非正常磨損消耗184把，正常磨損消耗454把，非正常磨損消耗占比28.8%，如表3所示。

表3 刀圈實(shí)際消耗數(shù)量 把

不同刀型的滾刀非正常磨損率不盡相同，其中以中心滾刀的非正常磨損率最高：中心滾刀45%，正面滾刀37.8%，邊緣滾刀19.2%，總體28.8%。

不同刀型的滾刀非正常磨損數(shù)量基本上在同一水平線上，如圖7所示。

圖7 滾刀消耗統(tǒng)計(jì)

4.4 滾刀計(jì)算消耗量與實(shí)際消耗量對比

在計(jì)算滾刀消耗時(shí)，假設(shè)滾刀都是正常磨損，故采用滾刀實(shí)際正常磨損消耗量與計(jì)算消耗量對比，對比曲線如圖8所示。

圖8 計(jì)算換刀數(shù)與實(shí)際換刀數(shù)對比曲線

中心雙刀實(shí)際正常磨損消耗刀圈22個(gè)略大于計(jì)算值消耗18個(gè)刀圈，正面滾刀實(shí)際正常磨損消耗179個(gè)略大于計(jì)算消耗數(shù)163個(gè)，邊緣滾刀實(shí)際正常磨損消耗252個(gè)小于計(jì)算消耗285。總體上，計(jì)算消耗466個(gè)刀圈略大于實(shí)際消耗454個(gè)刀圈。

4.5 換刀失敗案例

自第556環(huán)開倉換刀后至第593環(huán)開倉換刀，共掘進(jìn)37環(huán)(中風(fēng)化地層居多的復(fù)合地層)，推進(jìn)主要參數(shù)為：推力8 183.89kN，推進(jìn)速度30.49mm/min，貫入度10.95mm/r，扭矩2.79MN·m，刀盤轉(zhuǎn)速2.81r/min。更換30把單刃滾刀、2把雙刃滾刀，其中2把雙刃滾刀刀圈斷裂，8把單刃滾刀掉刀圈，3把單刃滾刀偏磨。滾刀刀圈非正常磨損率高達(dá)44.1%。兩把中心刀是5～7,6～8號，單刀發(fā)生偏磨和刀圈斷裂為17～27號，非正常磨損的單刀和中心雙刀均為連號刀，這說明滾刀非正常磨損的連帶性很強(qiáng)，若換刀不及時(shí)，1把滾刀非正常磨損可導(dǎo)致其周邊一片滾刀非正常磨損。

4.6 改進(jìn)措施

4.6.1滾刀方面

調(diào)整滾刀啟動(dòng)扭矩，針對不同地層，合理調(diào)整滾刀扭矩；在全斷面硬巖中，滾刀扭矩調(diào)整為28～31N·m，在復(fù)合地層滾刀扭矩控制在26～28N·m，在全風(fēng)化地層滾刀扭矩調(diào)整為24～26N·m。盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)入不同巖層時(shí)，滾刀扭矩必須調(diào)整到位才可安裝使用。

4.6.2換刀方面

1)檢查刀具時(shí)特別注重滾刀在刀盤前側(cè)部分的檢查，對偏磨、刀圈斷裂、磨損量超過限定值的滾刀及時(shí)更換。在更換新刀掘進(jìn)約100mm后，需開倉對新刀裝配螺栓進(jìn)行復(fù)緊。

2)參照計(jì)算的可推進(jìn)距離L，嚴(yán)格開倉換刀推進(jìn)長度。

4.6.3推進(jìn)方面

1)根據(jù)不同地層合理控制推進(jìn)參數(shù)，以控制貫入度為主。

2)采用空倉或半倉模式推進(jìn)以減少刀具二次磨損。

3)查看皮帶機(jī)上的碎石情況用以判斷滾刀破巖情況，若出現(xiàn)大塊巖渣說明滾刀破巖能力下降，大塊巖渣也易砸壞滾刀，造成滾刀的非正產(chǎn)磨損消耗。

4)合理使用泡沫系統(tǒng)，在提高巖渣流動(dòng)性的同時(shí)，對刀具降溫能起到一定效果[5]。

4.7 改進(jìn)效果

以最后272環(huán)盾構(gòu)推進(jìn)為例，推進(jìn)長度272環(huán)，換刀14次，平均推進(jìn)19環(huán)換1次刀，刀圈消耗總數(shù)為187個(gè)(刀圈斷裂4個(gè)，刀圈偏磨24個(gè)，刀圈正常磨損159個(gè))。

滾刀非正常磨損率只有14.9%，遠(yuǎn)小于前678環(huán)的非正常磨損率34.6%，也小于整個(gè)區(qū)間平均值28.8%。采取以上措施對減少滾刀非正常磨損效果明顯。此段盾構(gòu)主要推進(jìn)參數(shù)為：推力9 992kN，推進(jìn)速度22.8mm/min，貫入度8.2mm/r，扭矩2.4MN·m，刀盤轉(zhuǎn)速2.78r/min。

5 結(jié)語

根據(jù)地層實(shí)際情況選取的工況條件計(jì)算出來的滾刀預(yù)測消耗量與滾刀實(shí)際正常磨損數(shù)量基本匹配，而滾刀的消耗量與滾刀的切削半徑存在近似線性關(guān)系。非正常損壞以中心滾刀的非正產(chǎn)損壞率最高，施工過程中要特別注意中心滾刀的偏磨及掉刀圈損壞。

滾刀消耗量控制以減少滾刀的非正常磨損為重點(diǎn)，以提高滾刀的耐磨性來提高可掘進(jìn)長度為常態(tài)可從以下3個(gè)方面著手。

1)在掘進(jìn)參數(shù)方面，在此工況條件下以控制貫入度為主，微風(fēng)化地層貫入度取值5mm/r，中風(fēng)化底層貫入度取值8mm/r，強(qiáng)風(fēng)化底層貫入度取值12mm/r。

2)在刀具方面，提高刀圈的耐磨性和刀圈的抗沖擊性，可嘗試使用梯度刀圈，即刀圈外層硬度HRC63以上、內(nèi)層硬度HRC55，刀圈既具備足夠的耐磨性也具備一定的抗沖擊性。

3)嚴(yán)格換刀推進(jìn)距離對減少滾刀非正常磨損效果顯著，參考滾刀的可掘進(jìn)距離L及掘進(jìn)參數(shù)來判斷換刀時(shí)機(jī)，后期可向刀具的自動(dòng)化監(jiān)測方面發(fā)展，使用滾刀自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，對達(dá)到磨損極限和非正常磨損的刀具及時(shí)更換。