中風化石英巖地層刀具磨損分析及對策措施

通過總結和分析江陰項目汽江區間左右線土壓平衡式盾構機在中風化石英砂巖地層中掘進近530m的滾刀刀具磨損情況，對滾刀刀具磨損做出多種分類，并根據滾刀刀刃磨損的主要因素，提出滾刀刀刃磨損的對策，來指導今后中風化石英砂巖地層中盾構機刀盤刀具選擇、配置及盾構掘進。

石英砂巖; 刀刃磨損; 分析; 措施

U455.43A

建筑設備與建筑材料建筑設備與建筑材料

［定稿日期］2023-02-20

［作者簡介］汪馮（1992—），男，本科，助理工程師，主要從事土木工程相關工作。

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Symbol`@@"" 工程概況

1.1" 汽車客運站及江陰高鐵站工程概況和特點

汽車客運站—江陰高鐵站區間出汽車客運站后下穿花北路后沿規劃道路向南敷設，先后側穿碧桂園暨陽府、澄楊路工農河橋，下穿工農河，向東拐入江陰高鐵站。區間沿線地勢平坦，主要為空地。本區間左右線在里程右JXDK7+200.000—右JXDK7+900.000處下穿新建虹橋南路，道路紅線寬為40 m。

本區間右線采用一段曲線，曲線半徑為830 m；左線采用一段曲線，曲線半徑為815 m。線路中心線間距為14～17 m。區間縱斷面為“V”型節能坡，線路出汽車客運站以24‰坡度下降，然后以緩坡5.14‰上升，最后再以17.065‰坡度上坡至江陰高鐵站。隧道埋深約為10.01～19.15 m（圖1）。

1.2" 區間地質情況

本區地貌成因和形態類型是在印支—燕山運動所奠定的基底構造格局基礎上，經受各種內、外營力的長期作用而塑造成的。總體地貌屬長江三角洲沖積平原區-太湖沖湖積平原地貌，本區地層屬江南地層區江蘇部分。根據區域地質資料，本分部地貌單元屬長江三角洲平原區的新三角洲平原。

汽車客運站—江陰高鐵站區間主要穿越②2砂質粉土、②3淤泥質粉質黏土、②4粉質黏土、③-1黏土、③-2粉質粘土、⑥1黏土、⑥2黏土、⑥3粉質黏土、⑥4粉質黏土、B182強風化石英砂巖、B183中風化石英砂巖。盾構機換完滾刀后，主要穿越B182強風化石英砂巖、B183中風化石英砂巖。

地質勘探報告表明：B182強風化石英砂巖風化強烈，巖石結構大部分破壞，節理裂隙發育，巖芯多呈碎屑狀、碎裂狀，巖體破碎，遇水易軟化。巖芯采取率為70%左右，巖石質量指標RQD約10%，承載力特征值fak為500 kPa，天然抗壓強度24.1～29.48 MPa，飽和抗壓強度7.64～21.72 MPa。滲透系數4.0×10-4 cm/s，3.4×10-1m/d，弱透水。B183中風化石英砂巖主要成分為石英，巖體裂隙略發育，巖芯多呈柱狀，少量碎塊狀，巖體較破碎，較軟巖。巖芯采取率為85%～90%，巖石質量指標RQD40%～50%，巖體基本質量等級為Ⅳ級。承載力特征值fak為800 kPa，天然抗壓強度38.02～40.9 MPa，飽和抗壓強度25.08～28.67 MPa。滲透系數6.0×10-5 cm/s，5.2×10-2 m/d，弱透水，無需降水。

2" 刀盤配置

刀盤共配置刀具136把，其中刀盤中心可更換撕裂刀16把（中心滾刀1套，每套含8把滾刀；雙刃滾刀4套，每套含2把滾刀），刀盤中心刀設計如圖2所示。

正面及邊緣可更換撕裂刀28把，焊接型切削刀16把，正面刮刀40把，邊緣刮刀36把。磨損檢測刀（液壓型）2把，面板磨損檢測條2根，添加劑注入口保護刀5把，仿形刀1把，注入口保護刀6把（表1）。

3" 滾刀磨損分類

按其外觀特點和磨損程度的大小，將滾刀的磨損狀況分類：

3.1" 滾刀刀具均勻磨損

滾刀刀圈周邊各方位的磨耗程度相同的，屬于均勻磨損（圖3）。

3.2" 滾刀刀具非均勻磨損

滾刀刀刃周圍各部分的磨耗程度不一致，也就是偏磨發生了，叫磨耗不均。以偏磨形狀為基礎，又分為弦磨與刃磨兩種。

6邊緣刮刀邊緣36（1）弦偏磨。刀刃偏磨有單邊偏磨、多邊偏磨、軸承損壞三種情形：①單邊偏磨：安裝滾刀后不會隨著刀盤轉動而轉動，或者安裝早期瞬時的旋轉，之后會停止旋轉，從而導致滾刀圈單邊弦磨損（圖4）；②多邊偏磨：單邊弦偏磨的發生偏磨角部受力集中而產生瞬間的轉角出現次邊弦偏磨，這樣循環的往復就會產生多邊角磨損（圖5）。該區域間滾刀的邊偏磨多達6處；③軸承損壞：沒有及時發現滾刀出現弦偏磨時，沒有及時更換刀具，導致偏磨日趨嚴重，讓整把滾刀報廢，直到軸承磨到滾刀的位置。這種磨削損失不但對刀具造成傷害，而且對刀盤的磨削也十分嚴重（圖6）。

建筑設備與建筑材料汪馮， 劉濤， 符忠祥： 中風化石英巖地層刀具磨損分析及對策措施

（2）刃偏磨。從磨損形式上看，刀角兩側的磨損不均勻，與刀圈法線方向呈差異，刀尖邊緣不規則曲折狀，刀刃和刀圈法線方向為止。

（3）弦、刃都有偏磨的情況。施工過程中，發現滾刀上同時出現弦刃偏磨。

3.3" 滾刀刀圈崩裂

滾刀的刀圈直徑方向形成裂縫或崩裂，使滾刀在受到很大的影響時喪失碎巖功能，同時也會產生刀圈掉艙的情況（圖7）。

4" 滾刀刀具磨損的影響因素

4.1" 地層因素

在實際施工過程中，滾刀磨損對石料的強度、硬度、磨削度、造巖礦物種類、開挖斷面的地質均勻度等都有一定的影響。其中，滾刀磨耗速度的比率是：越不均勻的巖石，其強度、硬度、磨削度的變化速率愈快，一些區域的滾刀磨削度越不均勻，甚至會導致刀盤的損傷。

滾刀磨損對造巖礦物種類的影響是非常大的，這一點需要特別說明。當巖石破碎時，首先產生的是礦物顆粒交界面的破碎，而大部分情況下顆粒本身并沒有破碎。所以滾刀的磨損雖然不會直接受到影響，但在刀刃前容易產生粘粉含量過高的結泥餅子，這也就間接造成了偏磨滾刀。

4.2" 滾刀的結構功能和破巖功能

滾刀的磨損也要看其自身的結構作用，并其適應能力，或者是對巖土的破巖作用。

（1）滾刀刀具的直徑。但是，實際應用表明，直徑6.94 m的中交天和盾構機在其他相同條件下，在切削易崩解、易軟化的強風石英砂巖和中風化石英砂巖中，17寸的帶齒光圈滾刀比17寸不帶齒光圈滾刀破巖更有效，見圖8、圖9。

（2）滾刀刀刃數目。使用單刃滾刀，在中風化石英砂巖地層中挖掘出進度效果更為顯著。

（3）壓力最大的滾刀設計。施工過程中，當盾構機的有效推力過大，單個滾刀所分配的壓力已遠大于其設計的最大壓力時，就會造成輪轂的損壞和密封性失效，從而導致滾刀無法正常轉動，從而導致滾刀刀圈的損壞。

4.3" 刀盤結構外觀形式與滾刀刀具組合

刀盤是滾刀的載體，刀盤強度、開口率、開口均勻性與滾刀的磨損都有著有很大的關系。在滾刀磨損中，刀具結合、刀間距等也有不小的影響。不同的刀具，其線速率不同，滾刀在同一挖掘進長度中所經歷的軌道也不同，導致磨損不均勻的幾率也不同，刀具的磨損程度也會不同。

4.4" 盾構施工控制因素

在盾構挖掘技術控制中，滾刀磨損主要原因包含有：盾構機的有效推力、施工環境（包括土壓、土艙內溫度、開挖面表面動摩擦系數等）、刀具檢查頻率等。

滾刀的切割環境主要：有無土壓、表面干燥或者潮濕的開挖表面，以及泥漿和泡沫劑注入土艙或開挖表面的溫度和性能，這些都與滾刀的磨損有著很大的關系。

（1）在整體推力不變下，有效推力一方面會很大的程度降低；另一方面，與滾刀接觸密實石英砂巖渣土和磨蝕礦物時間變長，從而加速滾刀磨損均勻的速度。

（2）在磨削巖過程中，滾刀會產生大量的機械熱能，其中大多數的熱能都會被石碴排放，其中包含了滾刀，這些熱能會吸收部件的金屬部件，進而增加金屬部件的溫度；另外一些部分熱會吸收水和散發到掌子面中的巖土。在高土壓時，大部分熱量都會隨著刀盤旋轉而聚集，主要集中于刀盤和開挖面，如果開挖面的吸熱性能比較差，則會導致在刀盤面板和開挖面之間形成熱區（highseat）。

（3）切割環境對摩擦因數有較大的影響，對耐磨性能有較大的影響，其作用程度甚至比自然因素大。例如：艙內滿是淤泥，摩擦系數下降；空土艙干燥的環境，開挖面的動摩擦因數和土壓成立后的潮濕環境，泥漿環境，添加劑環境存在較大的差異。通常情況下，將水、泥漿、泡沫等添加劑注入到土壤中，減少動摩擦系數，使滾刀在相同有效推力時不會產生順利旋轉，從而產生偏磨，從而降低刀盤扭矩，進而降低土艙內溫度，防止土艙內結泥，保持開挖面穩定。

5" 滾刀磨損的對策措施

實際情況下主要有觀察、測量、分析等三種判別滾刀刀刃磨損的方法。在對滾刀刀刃磨耗原因進行分析的基礎上，結合對滾刀刀刃磨耗的判別，對滾刀刀刃磨耗有了有效的對策和措施加以控制（表2）。

5.1" 選用適合自身的施工工法

在設計階段，要依據盾構開挖穿越的地質狀況，選取適當的盾構施工工法。

5.2" 選用相應的滾刀配置及刀具組合

5.2.1" 滾刀為主，刮刀、超挖刀作為輔助的施工掘進模式

按照實際磨損，江陰項目汽江區間只涉及中風化石英砂巖和強風化石英砂巖，邊緣切削滾刀刀具實際磨損系數取33 mm/km，正面和中心切削滾刀刀具實際磨損系數取25 mm/km。

實際過程中，汽江區間左線滾刀掘進里程為247.2 m（972～1 178環），汽江區間右線滾刀掘進里程為281.8 m（954～1 188環）。由地質剖面圖可以得知：汽江左線中風化石英砂巖里程195.6 m（972～1 135環），強風化石英砂巖里程51.6 m（1 135～1 178環）；汽江右線中風化石英砂巖里程223.2 m（954～1 140環），汽江右線強風化石英砂巖里程58.6 m（1 140～1 188環）。汽江區間在石英砂層換刀情況如圖10所示。

光圈滾刀刀具實際磨損經驗值。根據實際盾構在中風化石英砂巖和強風化石英砂地層的掘進中統計和總結，確定刀具在此地層的磨損情況（如：刀圈平均磨損1 mm/掘進里程m）。

（1）中風化地質：中心滾刀平均磨損速度1 mm/10 m；正滾刀平均磨損速度1 mm/7 m；邊滾刀平均磨損速度1 mm/4 m。

（2）強風化地質：中心滾刀平均磨損速度1 mm/20 m；正滾刀平均磨損速度1 mm/16 m;邊滾刀平均磨損速度1 mm/8 m。

帶齒光圈滾刀刀具實際磨損經驗值。根據實際盾構在中風化巖地層中的掘進中統計和總結，確定刀具在此地層的磨損情況（如：帶齒刀圈平均磨損1 mm/掘進里程m）。

（1）中風化地質：中心滾刀平均磨損速度1 mm/30 m；正滾刀平均磨損速度1 mm/20 m；邊滾刀平均磨損速度1 mm/10 m。

（2）強風化地質：中心滾刀平均磨損速度1 mm/40 m；正滾刀平均磨損速度1 mm/30 m;邊滾刀平均磨損速度1 mm/15 m。

從實際施工中可以看出，邊緣滾刀的磨損程度大于正面滾刀的磨損程度，正面滾刀的磨損程度大于中心滾刀磨損程度。其中邊緣滾刀換刀的把數最多，中心滾刀換刀把數最少。在實踐過程中可得出，相同條件下，滾刀磨損程度與滾刀線速率成正比例關系，見圖11。

由圖11可知，在相同條件下，帶齒光圈滾刀比光圈滾刀磨損程度更小，掘進里程更長。通過對江陰項目汽江區間中風化石英砂巖地層的盾構施工實踐表明，發現在中風化石英砂巖地層的挖掘過程中，滾刀宜選擇17寸帶齒光圈滾刀。

5.2.2" 確保出泥順暢

當施工方案中選擇設計刀盤時應確保足夠剛度，且開口

率應設置均勻，以確保滾刀所切出的泥土可以順利地進入土艙。

5.2.3" 滾刀承受的最大正應力應合理

以直徑6.94 m的中交天和盾構機為例，實際施工采集的總推力最大在1 300～1 500 t之間，扭矩2 000～3 500 kN·m，常用的推力在1 000～1 500 t之間，扭矩2 000～3 500 kN·m。根據施工經驗，傳導至刀盤的最大有效推力約占全部最大推力的40%～45%，也就是說，估計最大有效推力為585～675 t。常用的有效推力為400～600 t。如果以10 cm常規間距的滾刀為主，那么滾刀的每一刀盤布局數量為44把，每一刀所需承受的正應力最大不能小于15 t。

5.3" 盾構施工對策措施

（1）必須正確判斷出有效推力大小，保證為了使滾刀旋轉達到對巖土的有效切割和磨損均勻效果，具有充分的有效推力。

（2）滾刀和刮刀控制貫入度不會比高差大，減少了滾刀碎巖效果所受到的沖擊。

（3）對凸起或楔入到滾刀切削范圍內的硬巖石，在剛更換完滾刀重新掘進前，應先鑿除；在掘進時，應放慢刀盤速度，將掘進速度控制在20 mm/min以內，這樣滾刀和巖面才能完全磨合，防止發生滾刀崩壞。

（4）磨損量限值的合理確定。一般可將前滾刀的磨損量設定在25～30 mm，中心滾刀的磨損量最好不要超過滾刀和刮刀之間的最大差值或最大30 mm。

（5）加強對涉及盾構維護的機電人員的管理，經常檢查，在刀具的科學管理上下功夫。在開挖面十分穩定的條件下，對刀具的工作進行檢查，可以采取開艙觀察和同時掘進的方法。

（6）對地質狀況及隧道線路變化情況進行及時跟蹤，對施工參數進行動態改善。

在汽江區間中風化石英砂巖地層掘進過程中總結得出：遵守現場地質條件是基礎、盾構機選型是關鍵、人的協調管理是基本的原則，才能控制中風化石英砂巖地層盾構挖掘施工中的滾刀嚴重磨損、崩裂。

參考文獻

［1］" 竺維彬，鞠世健.盾構施工泥餅（次生巖塊）的成因和對策［J］.地下工程與隧道，2003（2）