砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)的刀具磨損和改善措施

郭家慶

(中鐵隧道集團(tuán)成都地鐵2號(hào)線盾構(gòu)項(xiàng)目部,610041,成都∥工程師)

成都地鐵砂卵石地層的石英含量高,致使盾構(gòu)刀具磨損快。據(jù)施工統(tǒng)計(jì),剛開(kāi)始用普通標(biāo)準(zhǔn)刀具時(shí),每掘進(jìn)130～200 m就需進(jìn)行刀具的檢查與更換。因此,如何延長(zhǎng)刀具的使用壽命、減少更換刀具的時(shí)間,以縮短施工工期、節(jié)約施工成本、減少換刀的施工風(fēng)險(xiǎn)、減少因換刀對(duì)城市交通的干擾,已成為成都地鐵盾構(gòu)施工企業(yè)的重點(diǎn)研究課題。成都地鐵各盾構(gòu)施工企業(yè)通過(guò)多方面的努力,刀具使用水平已有了較大的提高。本文主要是將成都地鐵1號(hào)線盾構(gòu)4標(biāo)段有關(guān)刀具使用的一些經(jīng)驗(yàn)與同行共同探討。

1 成都地鐵1號(hào)線4標(biāo)段工程概況

成都地鐵1號(hào)線盾構(gòu)4標(biāo)段起于省體育館站南端,止于火車(chē)南站北端,共分為省體育館站—倪家橋站—桐梓林站—火車(chē)南站站3個(gè)區(qū)間。左線隧道長(zhǎng)2 328.20 m,采用1臺(tái)德國(guó)海瑞克土壓平衡式盾構(gòu)施工;右線隧道長(zhǎng)2 572.23 m,采用1臺(tái)德國(guó)海瑞克泥水加壓平衡式盾構(gòu)施工。2臺(tái)盾構(gòu)均從火車(chē)南站站始發(fā)。

本標(biāo)段內(nèi)地表多為第四系全新統(tǒng)人工填土覆蓋,其下為全新統(tǒng)沖積層黏性土、粉土、砂土、卵石土,再下為第四系上更新統(tǒng)冰水、沖積層(為卵石土夾砂層),下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組紫紅色泥巖。

據(jù)初勘鉆探及探井揭露,漂石最大粒徑為270 mm,一般體積分?jǐn)?shù)為5%～10%,局部富集成層漂石體積分?jǐn)?shù)高達(dá)20%～30%;漂石分布隨機(jī)性較強(qiáng),但主要分布于卵石層中下部,一般埋深大于6.5 m;漂石單軸抗壓強(qiáng)度最大為 94.3 MPa,最小為92.8 MPa,平均值為93.7 MPa。

2 盾構(gòu)的主要施工參數(shù)

2.1 推力

盾構(gòu)所需的理論總推進(jìn)摩擦阻力為:

式中:

Fm——盾構(gòu)推進(jìn)總摩擦阻力;

F1——盾殼和土層的摩擦力;

F2——正面土壓形成的阻力;

F3——盾構(gòu)機(jī)前體與水壓形成的阻力;

F4——盾尾密封形成的摩擦力;

F5——推拉拖車(chē)的力。

在本工程的隧道工況條件下,計(jì)算得到φ 6 280 mm盾構(gòu)的總推進(jìn)阻力為Fm=19 017 kN?？紤]盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的推力安全系數(shù)為1.5,故推力F=1.5 Fm=28 525 kN。

盾構(gòu)機(jī)實(shí)際配備推力為34 210 kN,能夠滿(mǎn)足工程實(shí)際需要。

2.2 扭矩

按照土壓平衡式盾構(gòu)的扭矩估算公式:

式中:

T——扭矩;

α——土壓平衡式盾構(gòu)系數(shù),根據(jù)盾構(gòu)直徑的大小不同一般取值14～23 kN/m2;

D——盾構(gòu)直徑。

在同樣或類(lèi)似地質(zhì)條件下,小直徑盾構(gòu)α取大值,大直徑盾構(gòu)α取小值。

研究認(rèn)為,在砂卵石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),盾構(gòu)刀盤(pán)扭矩一般較大,而且施工中常會(huì)出現(xiàn)刀盤(pán)瞬間扭矩過(guò)大的現(xiàn)象,故有必要結(jié)合砂卵石地層的特點(diǎn)對(duì)α值進(jìn)行調(diào)整。現(xiàn)取 α=20 kN/m2,D=6.28 m,由式(2)計(jì)算得T=4 953 kN·m。此扭矩值應(yīng)為盾構(gòu)機(jī)的脫困扭矩值。盾構(gòu)機(jī)實(shí)際配備扭矩為 6 000 kN·m,能夠滿(mǎn)足工程實(shí)際需要。

3 盾構(gòu)刀具的磨損和管理

3.1 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)

土壓平衡式盾構(gòu)刀盤(pán)按照工程地質(zhì)條件和施工控制要求可分為面板式和輻條式兩種形式。根據(jù)成都地區(qū)的地質(zhì)條件,選擇面板式刀盤(pán)(刀盤(pán)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1)。面板式刀盤(pán)不但具有支撐掌子面的功能,同時(shí)具有泥土攪拌功能。此刀盤(pán)直徑為6 280 mm,是帶有輪廓的封閉鋼結(jié)構(gòu)件,4條輻射臂連接到主驅(qū)動(dòng);刀盤(pán)上裝有4把432 mm(17英寸)中心雙刃滾刀、32把432 mm(17英寸)單刃滾刀、28把寬齒刀、8把周邊耐磨刮刀;單刃受力刀具的最大間距為100 mm;刀盤(pán)開(kāi)口率為24%。

3.2 滾刀

3.2.1 滾刀起動(dòng)扭矩的控制

在成都砂卵石地層中,滾刀的起動(dòng)扭矩是決定一把滾刀能否正常工作的最關(guān)鍵因素之一。如果起動(dòng)扭矩過(guò)大,砂卵石地層無(wú)法給滾刀足夠的自轉(zhuǎn)反作用力,滾刀就會(huì)產(chǎn)生偏磨(在成都地鐵1號(hào)線施工前期,這是滾刀產(chǎn)生偏磨的重要原因之一);如果刀具的起動(dòng)扭矩太小,用于密封刀具的浮動(dòng)密封預(yù)緊力太小(指普通標(biāo)準(zhǔn)尺寸的刀具),造成滾刀軸承的刀具密封性差。

圖1 土壓平衡盾構(gòu)面板式刀盤(pán)圖

在成都地鐵1號(hào)線某盾構(gòu)機(jī)剛施工時(shí),采用通用的432 mm(17英寸)滾刀的起動(dòng)扭矩(50 Nm)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)130 m后進(jìn)倉(cāng)檢查刀具,發(fā)現(xiàn)所有的32把正滾刀有13把偏磨(比例達(dá)40%)。該工地將起動(dòng)扭矩下降后,每次檢查刀具時(shí)發(fā)現(xiàn)偏磨的刀具不到10%。

成都地鐵1號(hào)線盾構(gòu)4標(biāo)段在開(kāi)工前就對(duì)滾刀進(jìn)行了起動(dòng)扭矩的分析,并初步確定滾刀的起動(dòng)扭矩為20～25 Nm。盾構(gòu)4標(biāo)段的海瑞克泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)共有13把正滾刀,第一次檢查發(fā)現(xiàn)有一把正滾刀偏磨(因?yàn)榈毒吲c刀箱之間卡了一塊大卵石,分析認(rèn)為偏磨是因?yàn)榇舐咽ㄗ〉稛o(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)而造成),沒(méi)有發(fā)現(xiàn)因?yàn)榕ぞ靥蠖l(fā)生自轉(zhuǎn)困難的情況。但是,因采用的是標(biāo)準(zhǔn)密封,故密封的效果有所下降,有三把正滾刀進(jìn)了泥漿,造成刀具損壞。

從以上實(shí)例可知,起動(dòng)扭矩直接關(guān)系到刀具的使用情況。成都地鐵1號(hào)線盾構(gòu)4標(biāo)段將滾刀的起動(dòng)扭矩調(diào)到30～40 Nm后,基本上未發(fā)生偏磨的刀具,也很少發(fā)生刀具軸承進(jìn)泥沙的情況。

3.2.2 滾刀刀體的選擇與二次保護(hù)

從刀具工廠采購(gòu)的新刀都是標(biāo)準(zhǔn)件,對(duì)刀體只要求有足夠的強(qiáng)度與剛度,但并無(wú)特別的耐磨性要求。而在本工程中,除了砂卵石以外的其它地層對(duì)滾刀的刀圈都有較高的耐磨性要求,因刀體的加工量比較大,且硬度太高加工困難,故各廠家的刀體硬度都很低。有些廠家的刀體硬度只有H RC 35～40。因此,在采購(gòu)新刀時(shí),要選用硬度較高的刀體,以保證第一次使用時(shí)不會(huì)使刀體報(bào)廢。如刀體硬度達(dá)不到使用要求,應(yīng)在使用前增加保護(hù),防止新刀的軸及軸承受損害,使其能二次使用。在第二次使用時(shí),可以在刀體外加焊耐磨焊層,如圖2所示。

圖2 滾刀的刀體外加焊耐磨層

3.2.3 中心滾刀的替代

中心滾刀可用重型撕裂刀來(lái)替代,其有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):①成本比中心滾刀要低;②重型撕裂刀的壽命可以估算,不會(huì)有中心滾刀偏磨的風(fēng)險(xiǎn);③更換方便。

3.3 邊刮刀及齒刀

3.3.1 邊刮刀的配置

在成都的砂卵石地層中,因?yàn)樯奥咽谋戎卮?故其相對(duì)滑動(dòng)能力差,致使邊刮刀受力比較大。為防止其脫落,要加強(qiáng)邊刮刀的固定。

海瑞克泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的邊刮刀與海瑞克土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的邊刮刀在配置與選型上有著很大的區(qū)別:泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)使用的是2種邊刮刀,都是3孔的扇形刮刀;土壓平衡式盾構(gòu)使用的是3種邊刮刀。兩種盾構(gòu)的邊刮刀外型差別也比較大。土壓平衡式盾構(gòu)的刮刀比泥水加壓平衡式盾構(gòu)的刮刀要“強(qiáng)壯”,使用效果要好。外型尺寸的差距使土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的邊刮刀比泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)邊刮刀的使用壽命長(zhǎng);泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的邊刮刀是3孔,固定螺栓有3顆,其固定效果比土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)邊刮刀螺栓的固定效果要差,在使用過(guò)程中由于刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)刀具有一定的沖擊,會(huì)使螺栓斷裂、邊刮刀脫落。

目前邊刮刀的的結(jié)構(gòu)都是耐磨面鑲高強(qiáng)度合金齒,在砂卵石地層中使用時(shí),合金齒的損壞大部分不是磨損,而是掉落。這與邊刮刀母體的硬度有很大的關(guān)系。因合金齒之間有一定的間隙,使用時(shí)細(xì)砂會(huì)把母體磨損,導(dǎo)致合金齒的掉落。

3.3.2 齒刀的配制

泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)與土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的齒刀如圖3所示。

在實(shí)際使用中,發(fā)現(xiàn)泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)用的齒刀比土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)用的新型邊刮刀壽命要少一半。經(jīng)分析,其原因?yàn)?①泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的齒刀比較小,抗卵石沖擊能力差;②泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的齒刀前角太大,不適用于砂卵石地層。

圖3 盾構(gòu)機(jī)的齒刀

4 盾構(gòu)機(jī)刀具的保護(hù)措施

4.1 齒刀的保護(hù)

在盾構(gòu)機(jī)出洞到站對(duì)刀盤(pán)面板修理時(shí),要在刀盤(pán)、刀座周?chē)干献銐虻哪湍?以保護(hù)刀具。

加焊耐磨層時(shí)應(yīng)注意刀盤(pán)面板渣土的流動(dòng)性,如果耐磨層突出部分的位置不正確,就易在刀盤(pán)上結(jié)餅,造成盾構(gòu)無(wú)法正常推進(jìn)。刀盤(pán)、刀具的具體保護(hù)方案要根據(jù)前方施工地層的情況(如渣土的含泥量、大小卵石的比例等)來(lái)確定。但刀盤(pán)的中心部分要少作堆焊,以減少結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù),減少刀具磨損

在對(duì)刀盤(pán)、刀具的耐磨性進(jìn)行加強(qiáng)的同時(shí),應(yīng)優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù),這是延長(zhǎng)刀具使用壽命的重要措施。在砂卵石地層中,刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)與開(kāi)口、刀具的配置確定后,應(yīng)選用大的貫入度,這是減少磨損的一個(gè)重要方法。

4.3 改良渣土

在加強(qiáng)刀具耐磨性、提高滾刀可靠性、合理布局刀具的同時(shí),改良渣土以減少掘進(jìn)磨損是提高刀具使用壽命的重要措施。

常用的渣土改良方法可分為以下幾種:

1)加水改良。這種方法比較經(jīng)濟(jì),但是效果一般,在渣土改良要求不是很高的地層可以使用。

2)加入化學(xué)添加劑(如泡沫劑、肥皂液等)。這種改良渣土的方法針對(duì)性特別強(qiáng),如果選用正確都能達(dá)到較好的效果,但其價(jià)格比較昂貴。

3)加入黏土(如澎潤(rùn)土等)進(jìn)行渣土改良。這種方法的施工過(guò)程比較麻煩,在用量大時(shí)會(huì)影響施工速度。

在成都砂卵石地層施工中,應(yīng)高度重視渣土改良工作。在成都地鐵1號(hào)線盾構(gòu)4標(biāo)段的施工過(guò)程中,主要采用泡沫與泥漿改良相結(jié)合的方法。

5 結(jié)語(yǔ)

在成都砂卵石地層,渣土對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具的磨損非常嚴(yán)重。為減少盾構(gòu)刀具的磨損,首先要選用耐磨性好的刀具材質(zhì);其次要合理選擇刀具的外形尺寸,以減少磨擦;同時(shí)要合理利用各種添加劑對(duì)渣土進(jìn)行改良。

[1] 晁煥清,王漢音.盤(pán)形滾刀的改進(jìn)及應(yīng)用[J].隧道建設(shè),2007,27(6):79.

[2] 陳建,張寧川,呂建樂(lè).S259號(hào)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)改造[J].隧道建設(shè),2007,27(6):71.

[3] 郭家慶.成都砂卵石地層盾構(gòu)刀盤(pán)與刀具的選擇[J].建筑機(jī)械化,2009(2):56.

[4] 袁大軍,胡顯鵬,李興高,等.砂卵石地層盾構(gòu)刀具磨損測(cè)試分析[J].城市軌道交通研究,2009(5):48.

[5] 鞠世健,竺維彬.復(fù)合地層盾構(gòu)隧道工程地質(zhì)勘察方法的研究[J].隧道建設(shè),2007,27(6):10.

[6] 何川,晏啟祥.加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在成都砂卵石地層中應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題[J].隧道建設(shè),2007,27(6):4.