濟南軌道交通4號線燕山立交橋東站—漿水泉路站盾構滾刀選型及保養方法

劉萬熙 邱健 于文超 盧慶亮 欒守成

摘 ?要：該文對濟南城市軌道交通4號線一期工程燕山立交橋東站—漿水泉路站區間不良地質因素對刀具運用的問題進行分析。通過對不良地質分析、盾構滾刀破巖工作原理、滾刀性能需求、滾刀設計配置及應用策略進行分析，提出盾構滾刀減少損壞的措施及日常保養方法。

關鍵詞：盾構滾刀；盾構機；軌道交通；性能需求；裝配質量

中圖分類號：U455.3 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0165-04

Abstract： In response to the adverse geological factors affecting the use of cutting tools in the section between Yanshan Overpass East Station and Zhushuiquan Road Station of Jinan Urban Rail Transit Line 4 Phase I Project， this paper analyzes the adverse geological factors， rock breaking working principle of shield tunneling cutters， performance requirements of cutters， design configuration and application strategies， and then proposes measures to reduce damage to shield tunneling cutters and daily maintenance methods.

Keywords： Shield hob; shield machine; rail transit; performance requirements; assembly quality

盾構滾刀是盾構機的核心部件之一，主要用于在地下隧道開挖過程中切割土層和巖石。盾構滾刀是一種在地下工程中用于開挖硬質地層的工具，其選型直接關系到施工效率和質量。竺維彬等[1]對復合地層影響滾刀的因素進行分析，提出滾刀磨損的對策，為復合地層施工中盾構刀具的選擇具有指導意義。韓偉鋒等[2]針對軟硬不均地層條件，結合滾刀破巖機理試驗的方法，探索軟硬不均地層刀具的使用情況。郭成龍[3]通過開展滾刀貫入和切削試驗，得到滾刀破巖力變化數據，為選取適用于徐州地區復合地層的滾刀奠定基礎。鐘振力[4]為解決復合地層地質條件復雜多變的問題，對盤形滾刀進行破巖試驗，試驗結果為盾構機掘進施工提供參考。李帥遠[5]對盾構機刀盤滾刀進行破巖仿真分析，對刀盤滾刀進行布局優化，提高盾構設備的利用率，保證隧道建設工程的順利實施。楊育[6]為減少更換盾構刀具風險，提供工作效率，建立預測方法，對微風化花崗巖地層滾刀進行預測。在地質構造復雜的情況下，通過選擇合適的滾刀和科學的設計，可以為隧道建設的順利進行提供有力的支持。

1 ?項目概況

濟南城市軌道交通4號線一期工程燕山立交橋東站—漿水泉路站區間（圖1），隧道出燕山立交橋東站東端頭井后向東敷設，由北向南下穿經十路主路后終止于漿水泉路站西端頭井。區間擬采用盾構法施工，區間右線起止里程為右CK22+067.131～右CK22+572.776，全長 505.645 m，左、右線線間距為13.0～16.1 m，隧道主體結構底板埋深為25.3～29.0 m，隧道直徑約為6.4 m，具體見表1。

圖1 ?濟南城市軌道交通4號線一期工程

燕山立交橋東站—漿水泉路站區間

隧道洞身拱頂、邊墻及隧底圍巖主要包括：強風化閃長巖層（Ⅴ級）、中風化閃長巖3層（Ⅲ～Ⅳ級）、角礫巖層（Ⅴ級）、中風化石灰巖（破碎）層（Ⅳ～Ⅲ級）和中風化石灰巖2層（Ⅱ級）。

不良地質因素對刀具運用風險歸納為如下幾點。

首先，區間起點至終點橫跨閃長巖地層（右CK22+067.131～右CK22+170里程范圍）、斷層破碎帶（右CK22+170～右CK22+250里程范圍）、閃長巖地層（右CK22+250～右CK22+350里程范圍）、侵入接觸帶（右CK22+350～右CK22+400里程范圍）和石灰巖地層（右CK22+400～右CK22+572.776里程范圍），地層強度差異明顯且角礫巖地層固結成巖差，風化差異大，具有軟弱不均特性，對盾構刀具運用易造成偏磨、弦磨及崩壞等異常風險。

其次，擬建區間右CK22+170～右CK22+250里程范圍和右CK22+350～右CK22+400里程范圍隧道結構穿越斷層破碎帶和侵入接觸帶，巖體不均勻，強度差異明顯，致使盾構刀盤所受到的阻力不均勻，容易出現推偏現象，若強制糾偏時易導致盾構滾刀刀圈崩刃。

最后，擬建區間右CK22+400～右CK22+572.776里程范圍盾構穿越中風化石灰巖和中風化石灰巖（破碎）地層，飽和單軸抗壓強度最大值為82.50 MPa，天然單軸抗壓強度最大值為89.20 MPa，巖質較硬，影響盾構的掘進效率。

2 ?滾刀的工作原理

滾刀的工作原理是當刀盤在縱向油缸的巨大推力作用下，使安裝在刀盤上的盤形滾刀壓入巖石；同時刀盤在旋轉裝置的驅動下給滾刀施加滾動力矩帶動滾刀繞刀盤中心軸公轉，在滾刀公轉的同時，由于掌子面對滾刀的摩擦力作用，使滾刀還繞各自的刀軸自轉，這樣就使得滾刀在巖面上連續滾壓。刀盤推力使刀圈壓入巖體，滾動力矩使滾刀刀圈滾壓巖體，通過滾刀刀圈對巖體的連續擠壓和剪切，使安裝在不同刀位的滾刀在巖面上滾切出一系列的同心圓槽，完成破巖過程，滾刀破巖過程如圖2所示。

由于盤形滾刀為滾壓切削，其磨損速度比先行刀要慢得多。加之刀刃較窄，在相同刀盤推力作用下，滾刀作用于巖石上的壓強要大得多，因而能破碎的原始地層也比先行刀要硬得多。

3 ?滾刀組成結構

盾構用單刃滾刀主要包括刀圈、刀體、刀軸、密封裝置和軸承等，如圖3所示。

4 ?滾刀性能需求選型

整體來講，本項目盾構隧道大半里程區間處于S型半徑轉彎狀態，區間內涉及中風化石灰巖硬巖，同時考慮中風化花崗巖層的比例，結合濟南地區類似的項目地層條件，基本可以認為將存在中等以上的沖擊性風險（軟硬不均、球狀風化孤石）。邊緣滾刀在此類地層條件下和半徑條件下的承載受力條件較為苛刻，且穿越斷層破碎帶和侵入接觸帶時，由于巖體不均勻，強度差異明顯，容易出現推偏現象，邊緣刀具的異常損壞率預期會比較高。結合濟南重工集團有限公司在其他地區的相關工程經驗案例，本項目的掘進總合難度較大，破巖刀具應用消耗率和異常損壞風險均預計為較高水平。

針對本項目的滾刀設計配置及應用策略重點進行分析：本項目涉及連續S型半徑轉彎、較高強度的中風化硬巖、中等以上沖擊性風險（軟硬不均、斷層破碎帶和侵入接觸帶），邊緣滾刀勢必要持續承受高負載、交變負載、沖擊性負載混合更替的工況，如何確保邊緣滾刀能經受住嚴苛條件下可靠持續運轉的穩定性考驗，是首先要解決的基本問題。

滾刀的穩定性水平，在理論層次上，關鍵要素來自于2個方面：①刀圈與殼體（刀體/刀轂與端蓋）的整體抗變形剛性，為軸承和浮動密封等動平衡運轉內件提供的剛性支撐條件；②軸承和浮動密封等動平衡運轉內件自身的穩定性、可靠性。

上述二者為滾刀穩定持續運行所提供的可靠性要素，彼此相輔相成。前者的構建與改善，主要來自于結構設計、選材強度、熱處理工藝和裝配參數等；后者則與軸承/浮動密封本身性能等級、工藝質量、裝配參數相關。

針對本項目滾刀的刀圈設計，應著重注意提升耐沖擊的相關性能，刀圈貫入性的考慮居于其次。應優先保證強化刀圈的韌性和強度，確保刀圈在強沖擊性風險條件下崩口碎裂的概率可控，在此基礎上兼顧硬度以保證對巖層的貫入破碎-連續破碎能力，提高體積性破巖的比重，在可控范圍內降低一次磨銼和二次磨蝕的影響。

滾刀（無論是用于TBM還是用于盾構的）在其破巖過程中，有3種共存的破巖（階段）模式：①模式A＝磨削，刀圈和掌子面之間擠壓摩擦+滑移式的磨銼。②模式B＝應力疲勞性碎巖，巖層掌子面受擠壓至疲勞極限時破裂出比例較多的小碎塊。③模式C＝最理想的連續體積性破巖，巖層掌子面連續破裂成大約1/2～1個巴掌大小的石砬塊。

3種模式是客觀共存的。顯然，模式C占比越高，刀具的破巖比能（來自刀盤，經刀具輸出到巖層掌子面上釋放出來的能量）釋放就越順暢；反之，A+B的占比越高，破巖比能釋放效率就越低下，刀具被輸出能量所反噬，刀具更容易損耗（體現為刀圈的高磨損率和整體的高異常損壞率）。要提高刀具的破巖比能，核心路徑就是設法去提高滾刀影響模式C的比例和適應性，并降低刀具受刀盤前蓄積的石碴/砬塊二次磨損的程度。然而，在本項目的應用場景中，模式C預期占比將難以達到很高的程度，這是由于地層條件和小半徑轉彎路徑施工的現實條件所決定的，如此則刀圈的磨蝕損耗比重將較大，因此，刀圈設計應層面應保證足夠的耐磨性及強度儲備，同時可適當降低對貫入銳性的追求。

本項目對破巖滾刀的需求重點歸納如下。

首先，保障刀具承載的可靠性為優先。作為滾刀運轉核心的軸承，設法提升軸承自身可靠性（承載能力、穩定運行時間）和啟轉扭矩應對交變載荷時的適應性；軸承穩定運行保障條件之一的剛性穩固支撐（整刀的殼體剛性保護），尤其是本項目涉及持續小半徑轉彎高負載條件的邊緣滾刀；軸承穩定運行保障條件之二的潤滑條件維持（整刀密封持續可靠），由殼體與浮動密封環的剛性/強度/加工質量共同實現保障。

其次，提高刀圈對強負載、多變負載、沖擊性負載與高磨蝕性工況的適應性。刀圈須有足夠的整體承載強度與抗沖擊韌性，刃部硬度適中，不宜設置太硬（脆性高）以降低崩刃風險；與工況匹配的刃形及刃寬設計，既要耐沖擊和耐磨，又要能夠順利貫入硬巖、保障順利開刃，具有磨損自銳特性。因此，本項目采用19寸單刃軸式滾刀圓弧刃型刀圈，如圖4所示，19寸單刃軸式滾刀圓弧刃型盾構滾刀，使刀圈兼具破巖貫入適應性和相對均衡的耐磨性儲備、抗沖擊性能。

5 ?滾刀減少損壞的措施

裝配質量是影響滾刀使用壽命非常重要的一個因素，要注意做好以下措施。

裝配滾刀過程中應注意檢查各個零部件的完好情況，使用質量合格的零部件，如軸承內外圈滾道表面應無壓痕、無裂紋等問題；應用的O型圈一般為質量合格且第一次使用，否則需全部更換。

裝配刀圈時，要注意控制加熱的溫度和時間不要超標，溫度不能超過175 ℃，加熱時間不要超過5 min，否則將引起刀圈退火、硬度下降。

安裝端蓋密封座時，加熱溫度不宜超過120 ℃，否則將引起O型圈損壞。

注油不能過量，否則使用過程溫度升高后由于熱脹效應將引起滾刀漏油。

滾刀裝配后要進行氣密性檢查，加氣壓至2～3.5 kPa，應能保持5 min不泄壓。

檢查不漏油后進行轉動扭矩檢測，一般啟動扭矩設為25～35 N·m比較合適。

定期檢查：由于硬巖掘進時刀具受到巨大沖擊載荷，導致刀具容易受損，緊固螺栓也容易松動。因此，在每個硬巖掘進環節完成后，都需要對刀具進行定期檢查。

多換刀：一般正面滾刀徑向允許磨損量為20～30 mm；邊緣滾刀允許磨損量為10～15 mm；相鄰滾刀磨損量差應小于15 mm。磨損量與地層情況、盾構機刀盤刀具布置及刀具類型有關。例如，在完整性良好的硬巖全斷面中，應適度縮減對滾刀的允許磨損量，否則滾刀磨損會導致推力增加、破巖效率下降。例如，對三菱1638#/1639#盾構機，滾刀和齒刀高差為20 mm，正面滾刀最大磨損量不要超過20 mm，否則齒刀就會接觸巖石，產生劇烈摩擦、發熱，并導致掘進困難；而該盾構機（邊緣滾刀）開挖直徑為6 290 mm，前體直徑為6 260 mm，兩者差30 mm，故最外2把滾刀的最大磨損量不能超過15 mm，否則將出現刀盤開挖洞徑小于盾構機前體直徑，導致盾構機出現卡殼事故。

多維護：開艙檢查時應先用水沖洗滾刀和刀箱（刀座），清理滾刀周圍的巖碴和雜物；對于相鄰滾刀磨損量差過大的（大于15 mm）要調高差，刀具換完后要對刀具螺栓進行復緊；恢復采掘時應小推力開始、緩慢速度進行逐步調試。

6 ?結束語

近年來，泥水盾構滾刀選型研究得到了廣泛關注和探索。研究人員通過對滾刀的結構設計、不同地質條件的研究，為泥水盾構滾刀選型提供了新的視角和方法。未來的研究可以進一步結合實際工程進行驗證和應用，以推動泥水盾構滾刀選型的發展和進步。

參考文獻：

[1] 竺維彬，王暉，鞠世健.復合地層中盾構滾刀磨損原因分析及對策[J].現代隧道技術，2006（4）：72-76，82.

[2] 韓偉鋒，陳饋，李鳳遠，等.軟硬不均地層盾構滾刀受力特性研究[J].建筑機械化，2016，37（9）：55-58.

[3] 郭成龍.徐州地區復合地層盾構滾刀破巖力及破巖效率的研究[D].徐州：中國礦業大學，2021.

[4] 鐘振力.盤形滾刀在軟硬地層界面處的破巖力試驗研究[D].廣州：暨南大學，2018.

[5] 李帥遠.盾構機盤形滾刀破巖仿真及刀盤結構優化研究[D].鄭州：鄭州大學，2020.

[6] 楊育.廈門軌道交通3號線跨海段盾構滾刀磨損預測[J].隧道建設（中英文），2018，38（S1）：182-187.