卵石地層土壓平衡盾構撕裂刀布置模式對比研究

曹伍富, 邵小康, 劉 哲, 營 升, 董立朋, 江玉生, 楊志勇, *

(1. 北京市軌道交通建設管理有限公司, 北京 100068; 2. 中國礦業大學(北京)力學與土木工程學院, 北京 100083; 3. 中鐵十八局集團有限公司, 天津 300222; 4. 中鐵隧道局集團有限公司, 廣東 廣州 511458)

0 引言

卵石地層具有磨蝕性強、顆粒級配極為不均、強度較高等特點,盾構在此類地層中掘進時刀具磨損嚴重,對施工效率、成本和安全性均有不利影響。因此,研究卵石地層盾構掘進刀具磨損規律與減磨措施尤為重要。

近年來,國內外學者對地層磨蝕特性、刀具磨損機制和磨損預測模型等砂卵石地層刀具磨損相關熱點問題展開了大量研究。Thuro等[1]對比研究了3種巖土體磨蝕性分類方法; Rostami等[2]通過試驗研究表面條件、測試距離和速度等參數對Cerchar試驗的影響,并在不同實驗室對試驗結果進行驗證; Barzegari等[3]提出了一種新的土壤磨損性分析系統(SATC),并將測試結果與CerChar、LCPC和SAT進行比較; 宋克志等[4]以切削刀為主要研究對象進行了詳細的受力分析,給出了切削力的計算模型。

刀具磨損預測模型是刀具磨損特性研究的一個重要方向。吳俊等[5]采用理論分析推導和實測工程數據分析的方法,對刀具磨損機制和磨損預測模型進行了分析研究; 楊志勇等[6]提出了刀盤環向開口率的概念,并結合北京地鐵9號線軍—東區間盾構工程實例,對其刀盤結構合理性進行評價分析; 楊俊哲等[7]采用支持向量機模型對刀具磨損速率進行預測,并驗證了人工智能預測模型的可行性與精確度; 周建軍等[8]借助滾刀巖機作用試驗臺進行了不同刀具布置位置的磨損試驗,通過磨損量預測模型計算得出磨損系數,并跟據現場實測結果進行對比分析; Jiang等[9]依托北京新機場線隧道工程,分析了直徑9 m的輻條式盾構掘進機在砂卵石地層中的多種配置刀具的磨損特性,并針對高撕裂刀擬合現場數據建立了磨損預測模型。

數值模擬計算也是研究刀具受力的有效方法,夏毅敏等[10]采用有限元軟件計算了不同刀具幾何參數和切削參數下的刀具切削力; 彭鈞等[11]通過PFC2D模擬了不同間距先行刀耕松土體,并提出了耕松效率的概念; 譚青等[12]采用離散元法建立了巖石與切刀的二維數值模型,研究切深和切削速度對破巖的影響; Yang等[13]基于JTS公式計算了卵石地層土壓平衡盾構分層布置撕裂刀磨損系數,并得到了相應修正系數; 馬騰[14]研究了不同刀盤形式和覆土厚度下盾構刀具磨損特性。

目前對于卵石地層盾構撕裂刀布置的研究多限于刀間距參數,對于撕裂刀分層布置刀高差的研究尤為缺乏,而撕裂刀布置模式是提升盾構掘進效率和減小刀具磨損的重要方法。鑒于此,本文結合北京地鐵19號線04標段平安里站—積水潭站區間(簡稱平—積區間)、19號線05標段牛街站—金融街站區間(簡稱牛—金區間)的工程實例,通過對比分析類似卵石地層條件、不同撕裂刀布置模式下的刀具磨損規律,研究撕裂刀高差、安裝間距對刀具磨損影響,以期得到卵石地層盾構撕裂刀最優布置模式。

1 工程背景

1.1 工程概況

本文選取北京地鐵19號線04標段平—積區間和19號線05標段牛—金區間盾構工程做實例分析。兩區間均位于北京市西城區,且位置鄰近,隧道管片均為外徑6 400 mm、厚度300 mm、寬度1 200 mm。平—積盾構區間左線全長約1 203 m,右線全長約1 178 m,區間隧道頂板覆土厚度為13～27 m,隧道底板標高為16～30 m。牛—金盾構區間全長約1 676 m,區間隧道頂板覆土厚度為14.4～25.4 m,隧道底板標高為13～31 m。

1.2 地質情況分析

隧道區間地質剖面如圖1所示。平—積區間、牛—金區間盾構均主要穿越⑦卵石層。⑦卵石層的顆粒級配曲線如圖2所示。兩區間所處地區、隧道埋深、地層類別、顆粒級配均基本相同,且不受地下水的影響。因此,可認為兩區間盾構施工地層條件基本一致,均為北京地區的典型無水砂卵石地層。

(a) 牛—金區間

(b) 平—積區間

圖2 ⑦卵石層顆粒級配曲線圖

2 刀盤結構設計及掘進參數

2.1 刀盤設計方案對比

平—積區間采用的土壓平衡盾構刀盤開挖直徑為6 680 mm,刀盤開口率為60%,有6根主輻條。刀盤上配置中心魚尾刀1把,刀高400 mm; 刮刀78把,刀高120 mm,其中1#—3#同一軌道上布置2把刮刀,4#—12#同一軌道上布置3把刮刀; 撕裂刀55把,高撕裂刀刀高175 mm,低撕裂刀刀高145 mm,其中,B1—B4同一軌道上布置2把撕裂刀,B5—B14同一軌道上布置2把高撕裂刀和1把低撕裂刀,B15—B16同一軌道上布置3把高撕裂刀和2把低撕裂刀; 周邊布置保徑刀12把,伸出量為50 mm。平—積區間刀盤結構及刀具布置如圖3(a)所示。

牛—金區間采用的土壓平衡盾構刀盤開挖直徑為6 640 mm,刀盤開口率為66%,有4根主輻條和4根副輻條。刀盤上布置中心魚尾刀1把,刀高542 mm; 撕裂刀38把,高撕裂刀刀高220 mm,低撕裂刀刀高160 mm,其中,B1—B4同一軌道上布置1把高撕裂刀,B5—B17同一軌道上布置1把高撕裂刀和1把低撕裂刀,B18同一軌道上布置4把高撕裂刀和4把低撕裂刀; 刮刀56把,刀高120 mm,其中,1#—4#同一軌道上布置1把刮刀,5#—16#同一軌道上布置2把刮刀; 保徑刀16把,包含高、低撕裂刀各8把。牛—金區間刀盤結構及刀具布置如圖3(b)所示。

(a) 平—積區間

(b) 牛—金區間

2.2 掘進參數與渣土改良方案

盾構掘進參數控制和渣土改良方案如表1所示。兩區間盾構正常掘進時的土壓力、總推力、刀盤轉速、刀盤轉矩等主要掘進參數基本一致,平—積區間刀盤貫入度為30～45 mm/r,牛—金區間刀盤貫入度為30～50 mm/r。

表1 平—積區間、牛—金區間掘進控制參數

平—積區間、牛—金區間的刀盤渣土改良管路布置相同,均設有6個改良劑注入口,刀盤中心刀附近位置設有1個、中心區域2個、外周區域3個。由于兩區間地質情況、掘進參數、渣土改良、刀盤開口率等多種因素均基本一致,可認為兩區間盾構掘進時地層磨蝕性基本相同,這些因素對刀具磨損的影響基本一致。

3 刀具磨損預測模型與磨損量測

3.1 刀具磨損預測模型

本文采用JTS公式對兩區間中的刀具磨損量進行分析,該預測模型考慮了掘進過程中掘進速度、刀盤轉速、安裝半徑等因素對刀具磨損量的影響,見式(1)—(2)[15-16]。

(1)

(2)

式中:δ為刀具磨損量,mm;L為盾構掘進距離,km;KJn為等效地層磨損系數,μm/km;KJ為地層磨損系數,μm/km;R為刀具半徑,mm;N為盾構轉速,r/min;v為盾構推進速度,mm/min;n為軌跡中刀具的數量。

大量工程實測磨損量驗證了該工程可以應用到砂卵石地層之中,并能夠通過對磨損系數KJn進行反分析,優化參數取值[13]。

3.2 兩區間刀具磨損量統計與對比

3.2.1 刀具磨損量統計

根據牛—金、平—積區間刀具磨損測量數據,對刀盤上不同安裝半徑的刀具累計磨損量進行數學回歸分析,如圖4所示。牛—金、平—積區間高—低撕裂刀磨損量均隨安裝半徑增大呈線性增長,累計磨損量最大值分別達到75 mm和38 mm,平—積區間撕裂刀平均磨損量約為牛—金區間的2倍。此外,兩區間刮刀磨損量與安裝半徑均無顯著線性關系,磨損量分布較為平均: 牛—金區間刮刀平均磨損量為3.2 mm,平—積區間為5 mm。

(a) 平—積區間

(b) 牛—金區間

3.2.2 刀具磨損系數對比

目前,刀具在刀盤上有同心圓、螺旋線等布置方法,牛—金、平—積區間刀盤均采用雙螺旋線布置。刀盤在旋轉過程中,不同位置的撕裂刀與刮刀在開挖面上形成不同直徑的同心圓軌跡。因此,距離刀盤中心越遠的刀位,其刀具線速度越大、切削軌跡越長,磨損量通常也更大。由轉速和掘進速度,根據式(1)計算出各個刀具的掘進跡長,并以此為橫坐標、以刀具累計磨損量為縱坐標進行線性擬合,得到刀具磨損系數如表2所示。由表可知,平—積區間高撕裂刀、低撕裂刀、刮刀的磨損系數分別約為牛—金區間的1.5、3.2、2倍。

4 撕裂刀磨損規律對比分析

4.1 撕裂刀分層布置模式

由于刀盤上撕裂刀刀高均高于刮刀,掘進時撕裂刀首先對開挖面原狀土體進行犁松,而刮刀只需應對被撕裂刀擾動后較為松散的土體,并將其剝離開挖面、刮入土艙。因此,在掘進過程中撕裂刀對刮刀具有保護作用。平—積、牛—金區間盾構刀盤上的撕裂刀均采用了“梯度化”分層布置,高、低2層撕裂刀按雙螺旋線交替布置在刀盤上。以撕裂刀間距與高差的區別來看,平—積區間采用“小高差窄間距”,牛—金區間采用“大高差寬間距”的撕裂刀布置方法,如圖5所示。

(a)“大高差寬間距”布置 (b)“小高差窄間距”布置

4.2 撕裂刀磨損規律

根據平—積、牛—金區間左線撕裂刀磨損測量結果,分別分析平—積區間高撕裂刀(175 mm)、低撕裂刀(145 mm)及牛—金區間高撕裂刀(220 mm)、低撕裂刀(160 mm)的磨損規律,以運動跡長為橫坐標、撕裂刀累計磨損量為縱坐標,進行數學回歸分析,如圖6所示。

4.2.1 撕裂刀磨損量回歸分析

由圖6可知,根據刀盤轉速、掘進速度、貫入度等掘進參數,結合各刀具的安裝半徑,計算出各刀具的掘進跡長,再由運動跡長和累計磨損量回歸分析得到磨損系數,該系數充分反映撕裂刀磨損速率,磨損公式如下:

(3)

(4)

式(3)—(4)中:δ175為175 mm高度撕裂刀累計磨損量;δ145為145 mm高度撕裂刀累計磨損量;δ220為220 mm高度撕裂刀累計磨損量;δ160為160 mm高度撕裂刀累計磨損量。

4.2.2 撕裂刀分層布置模式對磨損量的影響分析

平—積區間高、低撕裂刀的磨損系數分別為76.14 μm/km和73.21 μm/km,相差不超過5%; 而牛—金區間高、低撕裂刀的磨損系數為48.02 μm/km和22.41 μm/km,相差超過50%。牛—金區間采用“大高差寬間距”布置,撕裂刀高差為60 mm,盾構掘進時刀盤貫入度為30～50 mm/r,貫入度小于撕裂刀高差。高、低撕裂刀起分層“犁松”作用,其中,高撕裂刀起主要作用,低撕裂刀接觸的是高撕裂刀“犁松”后的地層,在高撕裂刀磨損到的一定程度后,才開始與低撕裂刀協同發揮作用,因此造成高撕裂刀的磨損系數大,而低撕裂刀的磨損系數較小。這種布置對于低撕裂刀起到了很好的保護作用,并且增加了撕裂刀的整體使用壽命。

(a) 平—積區間

(b) 牛—金區間

與牛—金區間撕裂刀的“大高差寬間距”布置相比,平—積區間的撕裂刀布置采用“小高差窄間距”設計,其盾構掘進時貫入度(30～45 mm/r)高于撕裂刀高差(30 mm)。盾構一開始掘進,高、低撕裂刀即同時在開挖面上切削,沒有充分發揮撕裂刀分層布置的優勢,從而導致其高、低撕裂刀的磨損系數基本一致且都很高,刀具磨損量大。

5 刮刀磨損規律分析

5.1 刮刀磨損系數對比分析

刮刀的安裝高度低于撕裂刀,在撕裂刀“犁松”開挖面上的土層后,將開挖面土體刮進土艙。因此,撕裂刀的布置對于刮刀的磨損保護作用尤為重要。現以平—積、牛—金區間刮刀磨損量數據為例,分析撕裂刀布置形式對刮刀磨損影響,如圖7所示。由圖可知,刮刀磨損量分布較為均勻,并且與其安裝半徑無明顯相關性,可見2個區間盾構掘進過程中刮刀均充分受到其相鄰撕裂刀的保護。

圖7 刮刀磨損量

刮刀磨損系數如表3所示。在牛—金區間撕裂刀刀間距(600 mm)和平—積區間撕裂刀刀間距(320 mm)不變的情況下,撕裂刀分層布置高差的改變(即不布置低撕裂刀和布置低撕裂刀2種情況),使得兩區間刮刀磨損系數出現不同程度的減小: 牛—金區間刮刀磨損系數由13.306 μm/km下降至7.623 μm/km,減小了42.7%; 而平—積區間刮刀磨損系數從18.101 μm/km下降至15.851 μm/km,僅減小了12.4%。兩區間刮刀磨損系數降低程度的差異說明了低撕裂刀的設置高差在掘進過程中對于高撕裂刀起著不同程度的輔助犁松土層作用。

表3 刮刀磨損系數表

5.2 撕裂刀布置模式對刮刀磨損系數的影響分析

不同撕裂刀高差條件下,平—積區間刮刀磨損系數的變化不明顯,說明小撕裂刀高差(30 mm)的改變對刮刀的保護作用影響不顯著。撕裂刀分層高差為30 mm時,由于刀盤貫入度均大于此值,掘進時高、低撕裂刀幾乎同時接觸開挖面,低撕裂刀沒有發揮應有的輔助分層作用,刮刀在2層撕裂刀進行1次共同“犁松”作用后進行切削工作,因此刮刀的磨損系數基本不變。平—積區間刮刀磨損系數約為牛—金區間刮刀磨損系數的2倍,進一步說明: 大撕裂刀高差(60 mm)設計使得高撕裂刀在掘進時先接觸開挖面進行第1次“犁松”開挖面土層后,低撕裂刀充分發揮二次“犁松”作用,刮刀在高、低撕裂刀“雙重”保護下進行切削工作。因此,撕裂刀采用“大高差”布置模式比“小高差”布置模式對刮刀的保護作用強。

當撕裂刀高差均為0時(即不布置低撕裂刀),牛—金、平—積區間刮刀磨損系數分別為13.306 μm/km和18.101 μm/km,相差36.1%,說明對于刮刀的保護效果,“寬間距”撕裂刀布置優于“窄間距”撕裂刀布置。在兩區間撕裂刀高差不變的條件下,隨撕裂刀安裝半徑差的增減,兩區間刮刀磨損系數也出現相應的不同程度增減。當牛—金區間安裝半徑差由600 mm減小至450 mm時,其刮刀磨損系數由7.623 μm/km增加至8.65 μm/km,增加了13.5%; 而當平—積區間安裝半徑差由320 mm增加至360 mm時,刮刀磨損系數則由15.851 μm/km減小至9.076 μm/km,減小了42.74%,說明刮刀磨損系數隨撕裂刀安裝半徑差的增大而減小。因此,撕裂刀采取“寬間距”布置模式比“窄間距”模式能更好保護刮刀。

綜上,“大高差寬間距”撕裂刀布置無論是對于降低自身磨損還是對于刮刀的保護作用,均優于“小高差窄間距”撕裂刀布置模式。

6 結論與建議

本文采用回歸分析的方法,對比了北京地鐵19號線平—積區間和牛—金區間的撕裂刀布置模式和刀具磨損規律,在考慮地質情況、掘進參數、渣土改良、刀盤開口率等因素對刀具磨損影響基本一致的條件下,研究卵石地層盾構撕裂刀布置對刀具磨損的影響,主要得出以下結論。

1)地層磨蝕性基本相同的條件下,“大高差寬間距”撕裂刀布置模式優于“小高差窄間距”撕裂刀布置模式。“小高差窄間距”撕裂刀布置模式的刀盤上刀具磨損量更大,其高撕裂刀、低撕裂刀、刮刀的磨損系數分別為“大高差寬間距”布置模式的1.5、3.2、2倍。

2)撕裂刀采取“大高差寬間距”分層布置時,高、低撕裂刀的磨損系數分別為48.02、22.41 μm/km,兩者相差超過50%,高、低撕裂刀分層“犁松”作用明顯,撕裂刀磨損量小。

3)撕裂刀采取“小高差窄間距”分層布置時,高、低撕裂刀的磨損系數分別為76.14、73.21 μm/km,相差不超過5%,且磨損系數高于“大高差寬間距”布置模式,高、低撕裂刀無法發揮分層布置優勢,撕裂刀磨損量大、使用壽命短。

4)“大高差”撕裂刀布置使得刮刀磨損系數相較于不布置低撕裂刀時減小了42.7%,“寬間距”相較于“窄間距”撕裂刀布置使刮刀磨損系數減小36.1%。地層磨蝕性基本相同的條件下,“大高差寬間距”撕裂刀布置模式相較于“小高差窄間距”撕裂刀布置模式對刮刀保護作用更為顯著。

本文通過對比2種不同撕裂刀布置方法下的刀具磨損情況,得到了更為經濟適用的卵石地層撕裂刀分層布置方法。未來可進一步采用數值仿真計算和模型試驗等研究方法對撕裂刀分層工作原理、刀具磨損與掘進參數、土體改良效果等因素之間的關系開展深入研究。