蘇州地鐵4號(hào)線盾構(gòu)刀盤(pán)刀具設(shè)計(jì)改造研究

唐 歡，賀 軍TANG Huan, HE Jun（株洲鉆石鉆掘工具有限公司，湖南 株洲 412000）

蘇州地鐵4號(hào)線盾構(gòu)刀盤(pán)刀具設(shè)計(jì)改造研究

唐 歡，賀 軍
TANG Huan, HE Jun
（株洲鉆石鉆掘工具有限公司，湖南 株洲 412000）

[摘 要]基于蘇州地鐵4號(hào)線陽(yáng)澄湖路站-金民西路站盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)條件，針對(duì)既有盾構(gòu)刀盤(pán)刀具地質(zhì)適應(yīng)性不足的現(xiàn)狀，在分析原盾構(gòu)刀盤(pán)刀具配置及使用效果的基礎(chǔ)上，從更換刀具、強(qiáng)化處理、增設(shè)耐磨板及優(yōu)化材料選型等方面采取了優(yōu)化改造措施，有效確保了盾構(gòu)的正常掘進(jìn)。

[關(guān)鍵詞]土壓平衡盾構(gòu)；選型設(shè)計(jì)；刀盤(pán)刀具改造；蘇州地鐵

1 工程概況及難點(diǎn)分析

1.1 工程概況

蘇州市軌道交通4號(hào)線（主線）總體呈南北走向，連接了相城、蘇州古城、吳中區(qū)、吳江市松陵等重要片區(qū)。主線全長(zhǎng)約42.030km，設(shè)車(chē)站31座，均為地下站。陽(yáng)澄湖路站-金民西路站區(qū)間，全長(zhǎng)1 638.614m，為雙向隧道，隧道中心距離13.40～14.00m。隧道穿越地層主要為：③2粉質(zhì)粘土、③3粉土、④1粉質(zhì)粘土、④2粉土夾粉砂、⑤1粉質(zhì)粘土及⑥1粘土層，土層抗壓強(qiáng)度在5MPa以下，屬于典型軟土地質(zhì)。根據(jù)區(qū)間工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、地層特性、地面環(huán)境等因素，選擇土壓平衡盾構(gòu)或復(fù)合型盾構(gòu)較適宜，實(shí)際選用原用于南京地鐵3號(hào)線勝太路—天元西路盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)的海瑞克復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)S425進(jìn)行施工。

1.2 工程難點(diǎn)分析

1）大部分位于粉土粉砂地層。地質(zhì)松散，圍巖穩(wěn)定性差，且經(jīng)過(guò)刀盤(pán)的擾動(dòng)，很容易出現(xiàn)隧道頂部坍塌及超挖的現(xiàn)象，需控制好掘進(jìn)參數(shù)。此外盾構(gòu)推進(jìn)引起的地層變形情況也不容忽視，若處理不當(dāng)會(huì)使地表產(chǎn)生較大的隆起或塌陷，對(duì)地上房建筑物或交通造成極大的危險(xiǎn)。

2）盾構(gòu)穿越區(qū)為軟土，承載力差，很容易出現(xiàn)盾構(gòu)下陷的情況，容易使盾構(gòu)偏離軸線，造成“磕頭”現(xiàn)象，需合理控制掘進(jìn)參數(shù)及調(diào)整油缸的推力，確保姿態(tài)的正常。

3）因地層主要為粘性土層，土層的粘性大，出現(xiàn)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)較大，注意添加適當(dāng)?shù)奶砑觿?，改善泥土的流?dòng)性，防止結(jié)餅。

4）軟土地層，此對(duì)換刀來(lái)說(shuō)也是個(gè)嚴(yán)峻考驗(yàn)，很容易產(chǎn)生坍塌。造成地表沉降并出現(xiàn)人員傷亡的現(xiàn)象。

2 原盾構(gòu)刀盤(pán)刀具配置及使用效果

本工程所采用的海瑞克S425盾構(gòu)之前用于南京地鐵3號(hào)線，所掘進(jìn)區(qū)間地層特性為全斷面砂巖。原盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式如下圖1所示。

圖1　 原刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式示意圖

原刀具配置情況如下表1所示。

表1　 原刀具配置參數(shù)表

刀盤(pán)的外徑設(shè)計(jì)為6 400mm，比盾體外徑6 390mm大10mm，盾體呈前大后小錐形，便于盾構(gòu)在推進(jìn)時(shí)減少盾殼與圍巖的摩擦；刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為0～2.5r/min，由液壓系統(tǒng)無(wú)級(jí)調(diào)速，在遇到不同地質(zhì)的情況下，可調(diào)節(jié)速度，以滿足開(kāi)挖的需要。

盾構(gòu)首先通過(guò)滾刀進(jìn)行破巖，且滾刀的超前量大于切刀的超前量（滾刀刀刃間距為100mm，比刮刀高35mm），我們因由此將正面滾刀的刀圈極限磨損量設(shè)置為25mm，從而確保在滾刀磨損到極限后仍能保證刀圈高出刮刀10mm以上，避免切刀直接進(jìn)行破巖，以防止對(duì)刮刀產(chǎn)生破壞，最終起到保證切刀使用壽命的作用。

為確保盾構(gòu)在小曲線半徑隧道掘進(jìn)時(shí)，能夠順利調(diào)向，盾構(gòu)需要有較大的開(kāi)挖直徑，因此在刀盤(pán)上需配置了滾刀型的仿形刀。同時(shí)，為提高刀盤(pán)的壽命，刀盤(pán)面板及周邊焊有耐磨條。圖2為盾構(gòu)原刀盤(pán)配置的幾種典型刀具。

圖2　 原刀盤(pán)配置刀具

考慮到南京項(xiàng)目區(qū)間地層為全斷面砂巖，局部巖石單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)50MPa，需要滾刀進(jìn)行破巖，將巖層分割壓碎，最后由正面刮刀和邊緣刮刀將已松動(dòng)的巖層刮削下來(lái)收集到土倉(cāng)內(nèi)部。

針對(duì)南京地鐵3號(hào)線工程的地質(zhì)條件特點(diǎn)，原刀盤(pán)結(jié)構(gòu)及刀具配置具有較好的適應(yīng)性，也取得了良好的掘進(jìn)效果。

3 刀盤(pán)及刀具改造設(shè)計(jì)

3.1 地質(zhì)適應(yīng)性分析

1）盾構(gòu)最大推力 經(jīng)計(jì)算可知盾構(gòu)最大設(shè)計(jì)推力大于實(shí)際掘進(jìn)所需推力。因而該盾構(gòu)在最大推力設(shè)計(jì)上能滿足要求。此外根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)：由于原來(lái)盾構(gòu)配置就能滿足一般較硬巖層（80MPa以下）的地層施工，在對(duì)待軟土地層，盾構(gòu)所需推力小于巖層施工，故在盾構(gòu)最大推力設(shè)計(jì)方面能完全能滿足要求。

2）盾構(gòu)最大扭矩 通過(guò)計(jì)算可知盾構(gòu)設(shè)計(jì)最大扭矩大于刀盤(pán)實(shí)際所需扭矩，即滿足使用要求。

3）開(kāi)口率 盾構(gòu)土壓平衡盾構(gòu)在穿越多種地層時(shí)一般開(kāi)口率要求在30%～40%左右，本工程所使用盾構(gòu)開(kāi)口率為28%，基本達(dá)到了要求。但為了防止盾構(gòu)在軟土層施工時(shí)出現(xiàn)結(jié)泥餅的現(xiàn)象，建議適當(dāng)增大開(kāi)口率，以增加排渣能力；同時(shí)能夠有效降低渣土對(duì)刀盤(pán)和刀具的磨損。

3.2 刀盤(pán)及刀具改造

我們通過(guò)分析，針對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)及刀具，應(yīng)從如下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.2.1 采用羊角刀替換滾刀

取消原滾刀設(shè)計(jì)，采用羊角刀替代滾刀進(jìn)行軟土刮削，原因?yàn)椋孩偈褂迷黾泳蜻M(jìn)距離。羊角刀等硬質(zhì)合金刀具在20MPa以下的地層，其性能能夠得以穩(wěn)定發(fā)揮，另一方面，其耐磨性較滾刀刀圈更加優(yōu)良，能增加盾構(gòu)掘進(jìn)距離，以降低松散地層盾構(gòu)停機(jī)換刀的機(jī)率及人員進(jìn)倉(cāng)換刀的風(fēng)險(xiǎn)；②降低偏磨失效現(xiàn)象出現(xiàn)的機(jī)率。當(dāng)盾構(gòu)在軟土地層掘進(jìn)時(shí)，由于地層較為松散，掌子面無(wú)法提供足夠的反推力保證滾刀能正常轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，現(xiàn)在市面上的滾刀一般啟動(dòng)扭矩在20Nm以上，在這種地層下使用，滾刀無(wú)法完成自轉(zhuǎn)，造成偏磨失效是必然的。具體改進(jìn)設(shè)計(jì)分析如下。

1）優(yōu)化刀具配置 正面位置采用寬度為100mm的正面羊角刀（圖3a），中心位置采用200mm寬的中心羊角刀（圖3b），邊緣采用60mm、間距為100mm的邊緣雙頭羊角刀（圖3c），這樣既增加了刀具耐磨性，又能保證刀盤(pán)具備良好的刮削效率，對(duì)于長(zhǎng)距離掘進(jìn)至關(guān)重要。

圖3　 羊角刀結(jié)構(gòu)示意圖

2）合理選擇刃口寬度 由于刀盤(pán)中心位置空間較小，無(wú)法布置切刀，導(dǎo)致中心位置切削能力較弱，因此需要增加刀刃的寬度。改造過(guò)程中，選用200mm寬的刃口，用來(lái)保證中心位置的切削寬度，以防止由于刀具寬度過(guò)窄而使得刮刀覆蓋不到而出現(xiàn)較寬土帶的現(xiàn)象出現(xiàn)（即刮削盲區(qū)），有效避免了中心位置粘土的堆積，降低了刀盤(pán)接泥餅的幾率，確保了盾構(gòu)掘進(jìn)效率。

3）邊緣羊角刀優(yōu)化設(shè)計(jì) 邊緣位置采用雙頭邊緣羊角刀，增加刀刃的數(shù)量，從而使得刮削軌跡線增多，進(jìn)而導(dǎo)致土體被分割成更更小面積的區(qū)域，方便邊緣刮刀進(jìn)行刮削。此外刀頭增多，刀具耐磨性增加，我們知道邊緣位置的線速度相當(dāng)于中心位置的幾十上百倍，意味著刀盤(pán)每旋轉(zhuǎn)一圈它走過(guò)的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)中心及正面位置，因此增加邊緣羊角刀的耐磨性至關(guān)重要。

同時(shí)可以看出，滾刀改裝成羊角刀后，刀箱內(nèi)的間隙明顯增大，這樣無(wú)形中增加了刀盤(pán)的開(kāi)口率。經(jīng)過(guò)刀具替換后經(jīng)計(jì)算刀盤(pán)開(kāi)口率可到30%以上，這樣增加了渣土排送速度，降低了刀盤(pán)及刀具的磨損，還增大了開(kāi)口率減小了結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。圖4為刀箱安裝羊角刀與滾刀的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出，用羊角刀替代滾刀后開(kāi)口率有了明顯的增加。

圖4　 刀箱安裝羊角刀/滾刀示意圖

3.2.2 對(duì)切刀和邊緣刮刀進(jìn)行強(qiáng)化處理（圖5）

切刀和邊緣刮刀均采用大合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。小齒刀、邊緣刮刀分別采用雙排、三排合金設(shè)計(jì)（圖5a），加大刃口部位合金尺寸，以增加刀具的耐磨性和抗崩性。實(shí)踐證明：增加硬質(zhì)合金的厚度有利于提高硬質(zhì)合金的抗崩性能。同時(shí)，在邊緣刮刀背部預(yù)設(shè)兩條合金條以起到保護(hù)作用，防止邊緣刮刀外周被過(guò)度磨損，進(jìn)而造成盾構(gòu)卡盾的現(xiàn)象出現(xiàn)；刃口接近合金部位用耐磨堆焊層進(jìn)行保護(hù)，耐磨堆焊主要硬質(zhì)相為WC，相對(duì)于高鉻鑄鐵，耐磨性更好。

圖5　 加強(qiáng)型刀具結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.3 增設(shè)耐磨板

刀盤(pán)外周增設(shè)耐磨板進(jìn)行保護(hù)（圖6），以防止刀盤(pán)外周由于過(guò)度磨損而導(dǎo)致外徑減小。

盾構(gòu)刀盤(pán)采用優(yōu)化改造后刀具的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖6　 增設(shè)耐磨板結(jié)構(gòu)示意圖

圖7　 優(yōu)化改造后刀盤(pán)示意圖

3.2.4 采用YG11C合金替代YG13C

由表2可以看出，YG11C牌號(hào)的硬質(zhì)合金在耐磨性上優(yōu)于YG13C牌號(hào)的硬質(zhì)合金，而前者的抗沖擊韌性則小于后者。

表2　 材料性能對(duì)比

該盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)間地層的風(fēng)化程度較為均勻，對(duì)刀具沖擊較小，采用更為耐磨的YG11C牌號(hào)硬質(zhì)合金，有利于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離掘進(jìn)，同時(shí)抗沖擊性也能滿足地質(zhì)要求。

3.2.5 優(yōu)化沖刷系統(tǒng)

中心隔板配備高壓沖洗水口，一旦中心處結(jié)泥餅，可以通過(guò)噴射高壓水進(jìn)行緩解和治理。

4 結(jié) 論

蘇州地鐵軟土地層圍巖穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)地表沉降、隆起及結(jié)泥餅等不良現(xiàn)象，本文針對(duì)陽(yáng)澄湖路站-金民西路站區(qū)間的地層特點(diǎn)，在分析既有盾構(gòu)存在適應(yīng)性不足的基礎(chǔ)上，對(duì)刀盤(pán)、刀具進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化改造。研究結(jié)果表明：①刀盤(pán)刀具具有良好的地層適應(yīng)性是確保盾構(gòu)順利掘進(jìn)的關(guān)鍵；②配備高耐磨型刀具，對(duì)盾構(gòu)長(zhǎng)距離掘進(jìn)能夠起到至關(guān)重要的作用；③保證排料順暢的能力，能夠有效延長(zhǎng)盾構(gòu)刀盤(pán)和刀具的使用壽命。通過(guò)工程實(shí)踐證明，優(yōu)化改造后的盾構(gòu)刀盤(pán)刀具的地層適應(yīng)性得到了進(jìn)一步提高，完全滿足了本工程中盾構(gòu)正常掘進(jìn)的需求。

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（編輯 張海霞）

［中圖分類(lèi)號(hào)］TU621

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366（2015）02-0063-04

［收稿日期］2014-11-29

Research of reconstruction design of shield cutter head tools of Suzhou metro line 4