盾構刀具布置對滾刀破巖效能影響

韓偉鋒，陳 饋，李鳳遠，張 兵

(盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001)

盾構是盾構法隧道施工的重要設備，工程進展情況很大程度取決于盾構的設計。盾構掘進過程中，主要依靠滾刀擠壓破巖，在滾刀破巖的同時，巖石也會對滾刀造成磨蝕。因此，刀具磨損是硬巖地層中影響盾構掘進的最為重要因素之一。

滾刀在硬巖地層中破巖效能的研究越來越多，從國內外知名盾構專家學者對硬巖地層滾刀磨損研究成果來看，無論從學術理論還是現(xiàn)場應用基本都是針對巖石物理特性對刀具磨損特性進行的研究分析，即使有部分專家對刀盤布置進行了研究，但是主要側于破巖效率，在破巖效能方面仍然缺乏量化指標（破巖效率是指刀具破速度，破巖效能是指刀具破巖量與磨損量比值）。

現(xiàn)場刀具磨損數(shù)據(jù)表明，除了巖石物理特性對刀具破巖性能有較大影響外，盾構的刀盤刀具配置，如刀間距、刀具安裝位置等因素對刀具破巖效能也有較大影響。

1 滾刀破巖磨損機理

滾刀破巖過程中，巖石破壞主要是掘進過程中巖石內部裂紋生成、擴展、交匯,使得巖渣剝落。一般來說,盤形滾刀侵入巖石的初始階段,巖石內部產(chǎn)生大量細觀裂紋,局部產(chǎn)生變形,并逐漸向外釋放能量,隨著切削深度的增加,巖石局部發(fā)生破壞,有少量巖渣掉落,隨著切削深度的進一步增加,巖石破壞加劇并由細觀損傷形成宏觀的巖石破壞。相鄰滾刀切削時,產(chǎn)生的側向裂紋與前一把滾刀切削產(chǎn)生的側向裂紋貫通,形成了完整的塊狀巖渣。刀間距過大，則溝槽破碎寬不能過完全重疊，就形成埂，而影響盾構正常掘進；刀間距過小，而巖石破碎溝槽重疊太多，則會造成刀具二次磨損而降低刀具使用壽命，滾刀破巖機理如圖1所示。

圖1 滾刀破巖機理

刀圈與巖石擠壓破巖過程中，在刀圈擠碎巖石的同時，巖石對刀圈也會有磨蝕，當磨蝕達到一定程度，刀圈就會形成宏觀的磨損。滾刀的磨損分為正常磨損和非正常損壞，正常磨損是指在滾刀滾動破巖過程中刀圈均勻磨蝕的過程，如圖2所示，而非正常損壞主要指滾刀偏磨、斷裂、刀圈移位、崩刃等現(xiàn)象，如圖3所示。本文主要針對滾刀正常磨損進行分析研究。

2 工程地質概況

某盾構工程地質斷面如圖4所示，圖中品紅色和紅色為硬巖地層，隧道穿越長度約500m，分別對應中風化花崗巖和微風化花崗巖，其飽和單軸極限抗壓強度較為均勻，90%為36.5～42.3MPa，巖石石英含量40%～45%，地層條件差異性較小。

3 滾刀破巖分析

3.1 盾構刀盤布置

刀盤共配置46把滾刀，其中1～6#為中心刀，7～35#為正滾刀，36～46#為邊滾刀，所有滾刀直徑為17英寸，刃寬為3/4英寸。中心1#刀安裝半徑為70mm，1～12#刀間距為90mm，13～35#刀間距為75mm，35#、36#、37#、38#、39#、40#、41#、42#、43#、44#、45#、46#刀間距分別為70mm、65mm、55mm、45mm、40mm、35mm、29mm、21mm、12mm、8mm、0mm。刀具安裝如圖5所示。

3.2 刀具磨損趨勢分析

對該工程500m硬巖段刀具磨損使用壽命進行統(tǒng)計，1～45#刀磨損18mm所能完成的破巖量如圖6所示，

其中橫坐標為刀位號，縱坐標為刀具磨損18mm完成的破巖量。

從圖6中1～45#滾刀磨損18mm破巖量變化可知，隨著刀具安裝位置和刀間距不同，其破巖總量有所差別的。1～46#中心刀，其破巖量隨著刀具安裝半徑增大而增大；13～34#正滾刀具的破巖量隨著刀具安裝半徑增大而增大；邊滾刀破巖量隨著安裝半徑的增大而減小。

從1～45#刀具磨損18mm情況下破巖量的變化可知，隨著刀具安裝半徑的增大，單位磨損量的破巖量有所增大。

從13～34#正滾刀破巖數(shù)據(jù)分析，滾刀安裝位置半徑對破巖效能影響如圖7所示。

從圖7可知，刀具破巖效能隨滾刀安裝位置半徑增大而增大，且呈一次線性關系，滿足公式(1)

圖2 滾刀正常磨損

圖3 滾刀非正常損壞

圖4 地質斷面圖

圖5 盾構刀具安裝位置圖（單位：mm）

圖6 不同位置刀具磨損18mm的破巖量

圖7 刀具安裝位置對刀具破巖效能的影響

式中 X——刀具安裝位置半徑；

M——刀具磨損18mm的破巖總量。從39～45#滾刀破巖數(shù)據(jù)分析，刀間距對刀具破巖性能影響如圖8所示。由于研究數(shù)據(jù)局限性，圖6只適合此類地層條件下，且刀間距小于90mm（此處研究沒有過多考慮邊滾刀安裝角度問題，只是從刀間距單方面分析滾刀磨損趨勢，關于滾刀安裝角度對破巖效能的影響還需深入研究)。

從圖8可知，刀具破巖效能隨滾刀刀間距（小于90mm)增大而增大，且呈二次線性關系，滿足公式(2)

式中 a——刀間距。

圖8 刀間距對刀具破巖效能的影響(α＜90mm)

由圖7和圖8兩種刀具破巖量變化趨勢對比可知，在巖石抗壓強度為36.5～42.3MPa時，土壓盾構滾刀刀間距大于安裝位置半徑對刀具破巖效能的影響。因此在刀盤設計過程中應重點考慮刀間距的配置，如果刀間距過大，則不能完全破巖，影響盾構施工；如果刀間距過小，則刀具破巖面重合率過大，滾刀會過度破巖，降低破巖效能。

基于以上統(tǒng)計總結，在類似地層和盾構施工條件下，結合刀具破巖機理實驗，在滿足最大破巖刀間距的條件下，可參考公式(2)有效配置刀具盤型滾刀，完成刀盤刀具配置，再參考公式(1)計算不同位置刀具破巖壽命。為了消除刀具安裝半徑對刀具磨損的影響，在刀盤設計過程中建議刀盤按照金字塔造型進行設計，中心刀為塔頂，如圖9所示，如此可有效避免在盾構施工過程中越靠中心，滾刀破巖效能低的問題。

4 結論與討論

圖9 刀具排布示意圖

通過研究刀具布置對刀具破巖效能的影響分析，在飽和單軸抗壓強度為36.5～42.3MPa，石英含量為40%～45%的硬巖地層中，滾刀間距小于90mm，的情況下，土壓盾構滾刀間距比安裝位置半徑對破巖效能的影響要大。因此，在刀盤設計過程中，首先要通過破巖機理實驗，獲取最大破巖刀間距，并參考刀具安裝位置和刀間距對刀具破巖效能影響，為盾構施工刀具更換提供指導，進而有效預測施工工期和刀具使用成本。

文中討論了刀具布置對破巖效能的影響，但是由于現(xiàn)場數(shù)據(jù)局限性，只是以現(xiàn)有的工程條件為基礎，有針對性的討論了特定圍巖條件下滾刀安裝半徑與刀間距對滾刀破巖效能的影響。下一步仍需更廣泛研究在不同巖石特性、掘進參數(shù)、刀具安裝角度等條件下滾刀磨損影響因子。以達到地質、設備、操作三者有機結合，方能更加準確預測盾構在硬巖地層施工工期和刀具使用成本。 O

[1] 魏南珍，沙明元．秦嶺隧道全斷面掘進機刀具磨損規(guī)律分析[J]．石家莊鐵道學院學報，1999，(2)：88-91．

[2] 李鳳遠，陳 饋．基于巖石CAI磨蝕實驗的盾構刀具磨損探析[J]．建筑機械化，2012，(S2）：128-131．

[3] 劉高峰，宋天田．成都地鐵盾構刀具磨損分析研究[J]．隧道建設，2007，27，(6)：89-93．

[4] 盧美茂，周保軍．成都地鐵一號線盾構刀具磨損分析及對策[J]．隧道建設，2009，29，(4)：84-87．