全斷面卵礫石地層盾構先行刀異常磨損特征研究*

路開道

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 211899)

0 引言

盾構法以其對地層適應性強、施工速度快且安全、對周圍環境干擾小等特點得到了快速發展和應用[1]。然而，當盾構在卵礫石地層中掘進時，由于卵礫石強度高，顆粒間摩阻力大，刀具磨損嚴重，異常磨損現象突出[2]。頻繁停機換刀將影響地層穩定，這勢必增加工程造價和施工風險，嚴重影響施工進度[3-4]。

國內外學者已針對盾構刀具磨損問題開展了大量研究，并取得一系列研究成果，如竺維彬等[4]通過對復合地層中40臺盾構滾刀磨損情況進行分析，研究了影響滾刀磨損的因素，并提出了相應對策；王振飛等[5]依托實際工程，分析了富水砂卵石大直徑盾構刀具磨損規律；彭鈞[6]針對復雜地層土壓平衡盾構刀具磨耗嚴重的問題，結合工程案例分析了刀具嚴重磨損原因和影響因素，并提出相應的降磨措施；張明富等[7]建立了刀具磨損系數與刀盤扭矩、刀盤轉速、推力、掘進速度等掘進參數的關系式，通過計算提出了合理的掘進參數范圍；江華等[8]利用數值模擬方法研究了貫入度、刀間距及速度對先行刀切削效果的影響，并結合刀具實際工程數據對計算結果準確性進行驗證；張怡潾[9]結合福州地鐵1號線硬巖地層盾構刀具損壞機理，提出了提前換刀時間、優化掘進參數、渣土改良等降磨措施；董洪星[10]提出適當增加相同軌跡半徑上的先行刀數量，可有效減少單個先行刀磨損量；李達[11]以廣州地鐵4號線大涌站—塘坑站盾構區間工程為依托，研究了上軟下硬地層掘進參數對刀具的影響；孫振川[12]利用數值模擬方法研究了盾構刮刀遭遇孤石地層時的受力情況和異常磨損情況，得出刮刀保護塊設計不合理易導致刀具異常磨損的結論，并提出了相應優化措施；Gharahbagh等[13]對刀具檢測、更換及由刀具磨損過度導致的停機所需時間與成本進行了統計分析；Amoun等[14]對德黑蘭地鐵7號線工程施工過程中盾構刀具磨損情況進行了研究，提出了合理的渣土改良措施，以有效降低刀具磨損。

由上述研究可知，目前國內外學者主要對滾刀、切刀磨損特征和規律進行了研究，對先行刀的研究較少，對卵礫石地層中先行刀異常磨損的研究更少。因此，本文以常德沅江隧道工程為依托，分析先行刀切削方式與工作原理，總結先行刀整體磨損情況，對先行刀異常磨損情況進行分類，研究異常磨損原因，并提出改進措施。

1 工程概況

常德沅江隧道采用1臺外徑為11.71m、帶有常壓換刀功能的泥水盾構掘進施工。隧道過江段地質條件相對單一，卵礫石含量高，部分地段含少量粉土和粉細砂，圓礫地層占69%，卵石地層占14%。長達752m的掘進斷面為全斷面圓礫地層，斷面超過50%的圓礫地層長達1 379m，全斷面卵石地層長達191m。圓礫地層以石英質為主，粒徑0.5～20mm。卵石地層中卵石含量約55%，最大粒徑達7～10cm，對刀具磨損造成極大影響。

2 刀盤配置

刀盤由5個星型布置輻條組成，開挖直徑11.75m，開口率35%。刀盤共配置各類刀具227把，常壓可更換刮刀共40把(編號為MF1L～MF10L，MF1R～MF10R，MG11L～MG20L，MG11R～MG20R)，常壓可更換先行刀共21把(編號為BF1～BF21)，可更換中心刀共10把(編號為C1～C10)，如圖1所示。常壓可更換先行刀高出刀盤面板210mm，高出焊接式先行刀和刮刀20mm。

圖1 刀具布置示意

3 先行刀切削方式

先行刀是先行切削土體的刀具，切刀切削土體前，先行刀利用刀刃對掌子面土體進行切削，使土體發生極限破環，為切刀創造良好的切削條件。根據掘進地層及切削方式的不同，可將先行刀切削方式分為流動型、剪切型、斷裂型和剝落型(見圖2)。在卵礫石地層中，顆粒之間黏聚力較小，單個顆粒強度較大，刀具難以進行真正意義上的切削，僅將顆粒從原始地層中剝離，表現為以剝落型切削為主。

圖2 先行刀切削方式

卵礫石地層具有較高的磨蝕性，盾構掘進時先行刀磨損嚴重，且卵礫石渣土會造成刀具二次磨損。切削土體過程中遇到大粒徑卵石或漂石時，刀具將受到較大的沖擊作用，從而導致刀具異常磨損。

4 先行刀與卵礫石地層作用關系

掌子面在先行刀刀刃作用下主要發生剪切破壞，在F1作用下(見圖3)，黏聚力較小的卵礫石因無法提供足以發生破碎的反力而向兩側移動。在F3作用下，區域1因受剪力作用產生剪切破壞，形成剪切體，進而達到切削土體的目的。

圖3 先行刀與卵礫石地層作用關系示意

5 先行刀磨損特征

盾構在東線隧道掘進過程中，刀具磨損嚴重，停機檢查、換刀多達30次。由于中心刀、切刀磨損量較小，因此，主要對先行刀磨損情況進行分析。

5.1 整體磨損情況

先行刀整體磨損情況如表1所示。由表1可知，先行刀BF1～BF17累計磨損量基本隨編號的增加逐漸增大，即隨著距刀盤中心距離的增加，90%以上的先行刀累計磨損量逐漸增大；先行刀BF19，BF20累計磨損量異常大，表明最外緣先行刀磨損最嚴重；最外緣先行刀BF21累計磨損量異常小，表明該刀具未起到應有作用。

表1 先行刀整體磨損情況

5.2 異常磨損情況

盾構自始發掘進至81環時，進行第1次停機檢查。先行刀BF19刀刃完全磨平，進而傷及刀具母材，磨損量達60mm，已完全失效。先行刀BF18磨損量正常，但刀刃合金出現3處崩齒，母材偏磨。先行刀BF20正常磨損，但磨損量較大，達37mm。先行刀BF21磨損量異常小，僅6mm。與先行刀BF19同軌跡的刮刀MG19僅磨損9～10mm，因此可判定在第1次換刀區間內，先行刀BF18，BF19，BF21發生了嚴重非正常磨損。

由于先行刀BF19累計磨損量最大，且存在異常磨損，因此對其進行重點研究。第2，3次(分別掘進至82～125，126～146環)停機檢查過程中，先行刀BF19均磨損30mm，均出現刀刃合金崩齒、刀具母體偏磨現象，嚴重時刀具母體甚至偏磨出洞。前3次停機檢查過程中，邊緣位置4把先行刀(BF17～BF20)刀刃存在普遍偏磨現象。

先行刀異常磨損類型可分為崩齒、偏磨、超磨、少磨(見圖4)，對異常磨損特征與原因進行總結，如表2所示。

圖4 先行刀異常磨損示意

表2 先行刀異常磨損情況

邊緣位置先行刀BF17～BF20普遍存在偏磨現象，需頻繁檢查、更換刀具，刀具偏磨直接造成內刀筒固定刀頭位置及螺栓磨損，增加了刀頭拆卸難度。刀具更換及配套作業時間約占掘進施工總時間的9.2%，邊緣先行刀異常磨損嚴重制約了工期。由于盾構隧道穿越地層透水性強，滲透系數達120m/d，在長時間停機換刀過程中，掌子面維護困難，面臨掌子面坍塌風險，進而增加了停機換刀作業風險。

6 改進措施

6.1 刀具優化設計

6.1.1刀具合金優化

1)初裝先行刀兩側主合金設計為圓弧過渡，位置略低于正面合金塊，在一定程度上增加了刀具抗沖擊性能，但兩側合金和中間合金厚度偏小，分別為30，15mm，不滿足全斷面卵礫石地層掘進需求。因此，將兩側主合金厚度由30mm增至50mm，將中間合金厚度由15mm增至25mm，可直接提高先行刀抗沖擊性能。

2)由于刀具母材較硬質合金耐磨性能低，在高磨蝕性地層中掘進時，硬質合金間的母材快速磨損，導致合金露出，突遇大粒徑卵石或漂石沖擊時，刀刃易遭受撞擊崩齒。因此，增加母材兩側保護刀體合金數量，以加強對母材的保護。

6.1.2刀具母材優化

1)刀具母材選用優質合金結構鋼42CrMo，保證刀具機械性能。

2)刀具母材具有較好的延展性及韌性，在兩端合金塊外側適當增加母材，可為主合金塊提供一定緩沖作用。

3)在易磨損部位加焊高強度耐磨堆焊層，以提高刀具耐磨性能。

6.2 刀盤優化設計

1)增設焊接式先行刀

盾構刀盤設計初期，為保證先行刀通用性，未根據地層特點對邊緣先行刀進行特殊設計，導致刀具母體與掌子面重疊，造成刀具磨損嚴重，刀刃及母體出現偏磨現象。因此，在邊緣先行刀切削軌跡上增設焊接式先行刀，在先行刀BF19切削軌跡上增設3把，在先行刀BF17，BF18，BF20切削軌跡上各增設1把。

2)邊緣先行刀刀座位置調整

調整先行刀BF19刀座位置，使刀具基體下沉，具體步驟如下：①拆除先行刀BF19及周邊常壓可更換刀具相關密封件，做好防塵、防變形處理；②將先行刀BF19上刀座刨除，注意保護內部密封面，防止變形；③將整個上刀座沿刀具軸線下移30mm，重新固定焊接；④焊接完成后對上刀座進行探傷，焊縫等級需滿足Ⅱ級要求；⑤重新制作刀具，刀刃部位較原刀具高30mm；⑥重新安裝刀具，完成優化。

6.3 掘進參數優化

由于盾構穿越高磨蝕性卵礫石地層，且地層較松軟，需保證掘進參數穩定。通過調整注漿參數、控制出渣流量，有助于渣土順利排出，避免渣土過度堆積，進而避免刀具二次磨損。

7 改進效果分析

以先行刀BF19，BF9為例，對邊緣、正面先行刀改進效果進行分析。先行刀BF19，BF9改進前、后磨損量及使用環數分別如表3，4所示。由表3，4可知，改進后的邊緣、正面先行刀在磨損量較小的情況下，使用環數大幅增加，使用壽命得到提高，刀具更換及盾構停機檢查次數減少，可有效降低施工成本，縮短工期，同時提高施工安全性。

表3 先行刀BF19改進效果

表4 先行刀BF9改進效果

8 結語

本文以常德沅江隧道工程為依托，闡述全斷面卵礫石地層盾構先行刀切削方式與工作原理，總結先行刀整體磨損情況，分析先行刀異常磨損原因，并提出相應改進措施，得出以下結論。

1)先行刀在卵礫石地層中的切削方式主要為剝落型切削，地層主要受剪切破壞作用。

2)先行刀刀刃崩齒主要原因為刀具合金塊設計不滿足卵礫石地層掘進需求。邊緣先行刀偏磨主要原因為刀具切削軌跡設計不足，刀具安裝布置不合理。刀具耐磨損性能差是導致刀具超磨的重要原因。先行刀少磨根本原因為刀具安裝位置、角度或設計不合理。

3)采取先行刀優化改進、刀具安裝布置調整、盾構施工參數控制等措施可有效降低刀具磨損程度。