蘭州地鐵砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)刀具使用壽命延長技術(shù)

劉　奇, 靳世鶴，2

(1. 蘭州市軌道交通有限公司， 甘肅 蘭州　730030； 2. 蘭州交通大學(xué)， 甘肅 蘭州　730070)

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蘭州地鐵砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)刀具使用壽命延長技術(shù)

劉奇1, 靳世鶴1，2

(1. 蘭州市軌道交通有限公司， 甘肅 蘭州730030； 2. 蘭州交通大學(xué)， 甘肅 蘭州730070)

為了降低刀具的磨損，延長刀具的使用壽命，以蘭州地鐵工程施工案例為背景，對土壓平衡盾構(gòu)在砂卵石地層中掘進(jìn)刀具磨損的問題進(jìn)行了跟蹤研究。通過理論計算與工程實際對比分析得出刀具的磨損規(guī)律，在刀盤設(shè)計和刀具組合等研究成果的基礎(chǔ)上，對渣土改良、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、盾構(gòu)姿態(tài)和一般欠土壓模式掘進(jìn)等控制措施進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和實踐，成功地延長了刀具使用壽命，減少了刀具更換的次數(shù)，加快了工程進(jìn)度并降低了工程成本；同時，解決了土壓平衡盾構(gòu)在砂卵石地層掘進(jìn)刀盤被卡、地面沉降控制等技術(shù)難題。

蘭州地鐵； 土壓平衡盾構(gòu)； 砂卵石地層； 刀具壽命

0　引言

土壓平衡盾構(gòu)在富水砂卵石地層中掘進(jìn)，刀具磨損快，更換頻繁。由于砂卵石會跟隨盾構(gòu)刀盤的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，且粒徑較大、強度較硬、石英含量較高，這就加大了對盾構(gòu)刀盤、刀具的沖擊破壞和磨損；同時卵石易在開挖艙大量積聚而“卡死”刀盤，造成盾構(gòu)長時間停機，無法連續(xù)掘進(jìn)。如何延長刀具的使用壽命以及減少刀具的更換頻率是研究的重點。國外，R.Teale提出了比能的概念，闡述了盾構(gòu)推力和扭矩對破巖的作用機制[1]，并提出了刀具刀刃角的改進(jìn)意見[2]；文獻(xiàn)[3-4] 研究了掘進(jìn)過程中的法向力FN和切向力FR的操作關(guān)系，使得刀盤掘進(jìn)達(dá)到最優(yōu)的切削狀態(tài)；F. F.Roxborough等[5]研究了巖體節(jié)理、開度及頻度對切削的影響。國內(nèi)，張明富等[6]對砂卵石地層盾構(gòu)刀具動態(tài)磨損進(jìn)行了研究分析，建立了刀具掘進(jìn)的磨損量與掘進(jìn)距離數(shù)學(xué)關(guān)系式；宋克志等[7]對盾構(gòu)刀具切削機制進(jìn)行了研究并提出了改進(jìn)措施；歐陽濤[8]對盾構(gòu)刀具組合破巖的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，為刀盤刀具設(shè)計以及研究刀盤刀具受力變化規(guī)律提供力學(xué)基礎(chǔ)；楊書江等[9]依托成都地鐵工程研究了富水砂卵石地層中刀具磨損的原因以及改進(jìn)措施；管會生等[10]介紹了刀具壽命預(yù)測分析的方法，總結(jié)了刀具磨損的原因和影響因素，給出了提高刀具壽命和降低刀具磨損的建議；王振飛等[11]對砂卵石地層中的刀具磨損的原因進(jìn)行了分析，并針對刀具材質(zhì)、設(shè)計及工藝方面提出了刀具使用壽命延長的措施；郭玉海[12]從刀盤設(shè)計、渣土改良方面提出了土壓式盾構(gòu)在無水砂卵石地層中掘進(jìn)提高刀具耐用性的措施。

由于黃河?xùn)|西向貫穿，因而，蘭州具有非常明顯的砂卵石地層特點，地層中富含水，卵石含量達(dá)到 70%～80%，局部分布一定的漂石，并時常見直徑達(dá)600 mm以上的大粒徑塊石。在蘭州地鐵工程盾構(gòu)掘進(jìn)中，刀具不斷被砂、卵石及漂石磨損和撞擊，刀具損害嚴(yán)重，使得盾構(gòu)無法繼續(xù)掘進(jìn)，必須要進(jìn)行刀具更換，但是受到地層及周邊環(huán)境等因素影響，開挖面不利于加固并使之穩(wěn)定，一般不具備常壓換刀的條件，而壓氣作業(yè)因為砂卵石地層透氣性強及土艙壓力平衡難以建立等原因不易實施。另外，采用艙內(nèi)潛水作業(yè)，因無法短期內(nèi)培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)人員故無法實施。因此，及時開展刀具磨損研究，延長刀具使用壽命，減少刀具更換頻率顯得非常必要和迫切。本文在前人對盾構(gòu)刀盤以及刀具的耐磨設(shè)計研究的基礎(chǔ)上，重點對盾構(gòu)施工過程中，在盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制、盾構(gòu)姿態(tài)控制、渣土改良以及充分掌握地層的自穩(wěn)能力、有效控制地表沉降的前提下，合理利用欠土壓掘進(jìn)模式來降低刀具的磨損性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了良好的效果。

1　土壓平衡盾構(gòu)在砂卵石地層施工難點

蘭州地鐵1號線土壓平衡盾構(gòu)在砂卵石地層中掘進(jìn)時，刀盤不僅受到開挖面卵石的摩阻力，同時也受到開挖艙集聚的卵石和漂石的摩阻力，如圖1所示。刀盤時常被卡難以轉(zhuǎn)動，土艙難以建立土壓平衡，開挖面難以穩(wěn)定，造成地表沉降[13]，危及地面建筑物的安全，施工難度極大。

圖1　刀盤“肉夾饃”示意圖

蘭州地鐵1號線1期工程盾構(gòu)隧道開挖面卵石成窩狀堆積?，F(xiàn)場隨機抽取1 m3渣土進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1　隧道開挖面渣土分析結(jié)果

隧道開挖面的卵石、漂石有橫向分布的(1類型)，也有縱向分布的(2類型)，見圖2。在盾構(gòu)掘進(jìn)時，1類型卵石、漂石易被滾刀壓斷和擾動脫落，跟隨刀盤轉(zhuǎn)動；2類型卵石、漂石因為縱向分布在開挖面，在開挖面鑲嵌牢固，不易被開挖且造成刀具沖擊破壞比較嚴(yán)重。正是因為1類型和2類型卵石、漂石的大量存在以及在刀盤艙的大量堆積，使得土壓盾構(gòu)掘進(jìn)功效低，月進(jìn)尺不到100 m，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度。

圖2　開挖面分布的卵石、漂石

2　土壓平衡盾構(gòu)砂卵石地層掘進(jìn)刀具磨損量計算

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，刀盤最外圈的刀具處于最不利的位置，磨損最為嚴(yán)重，外圈刀具磨損嚴(yán)重或失效后，刀盤開挖直徑變小，推進(jìn)速度會明顯減小。因此，對刀盤最外圈的刀具磨損量的及時掌握，對盾構(gòu)掘進(jìn)至關(guān)重要。刀盤最外圈的刀具磨損量的推測值

δ=(k×π×D×N×L)/v。

式中：k為磨損系數(shù)，取0.035 mm/km；D為盾構(gòu)外徑,6.48 m;N為刀盤轉(zhuǎn)速，1.7 r/min；L為刀具切削長度，0.38 km；v為掘進(jìn)速度，0.02 m/min。

根據(jù)計算,得δ=23 mm。在砂卵石地層中，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)完成380 m時，刀盤邊緣的滾刀磨損量達(dá)到23 mm，這與試驗段盾構(gòu)掘進(jìn)刀具磨損情況基本吻合。當(dāng)?shù)毒叩哪p量超過20 mm時，必須進(jìn)行更換。而此時地層是不穩(wěn)定的，必須進(jìn)行地層降水和加固處理才能進(jìn)艙更換刀具，這不僅耽誤工期，同時增加了工程成本，因此開展砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)刀具的使用壽命延長措施研究顯得非常必要。

3　砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)刀具壽命延長措施研究

3.1刀盤開口率設(shè)計

為了讓刀盤前方的卵石、漂石不產(chǎn)生堆積和撞擊刀具，及時地進(jìn)入到土艙，需要設(shè)計較大的刀盤開口率，但是由于螺旋機設(shè)計最大直徑為900 mm，最大通過的卵石粒徑為450 mm，因此為了保證砂卵石的出碴順暢，并考慮到刀盤開口率對掌子面穩(wěn)定性的影響，蘭州地鐵土壓盾構(gòu)的刀盤開口率設(shè)計為35%，刀盤開口位置在最寬為600 mm處，刀盤開口位置不設(shè)置格柵，見圖3。這樣有利于開挖面長條形的卵石盡快進(jìn)入到土艙，避免在刀盤前方集聚并影響刀盤順利掘進(jìn)，也減少了卵石對刀盤的撞擊和磨損，延長了刀具的使用壽命。

圖3　1/4刀盤

3.2刀具的設(shè)計和組合

合理的刀間距設(shè)計，能夠使開挖下來的渣土合理流動，并及時進(jìn)入到土艙內(nèi)。在土壓盾構(gòu)刀盤上不僅安裝了一定數(shù)量的耐磨損切刀、刮刀和貝殼刀，同時增加了滾刀的數(shù)量。通過滾刀、切刀和刮刀的組合(見表2)增強了刀具的耐磨性，延長了刀具的使用壽命。

表2　刀具數(shù)量、類型統(tǒng)計

在盾構(gòu)刀具設(shè)計時，科學(xué)的刀具布局，合理的刀具高度差設(shè)置，使得刀具分層次作用于開挖面，充分發(fā)揮了滾刀的破巖、防撞擊作用，使得切刀的開挖壽命得以延長。

以刀盤正面的寬切刀刀高為基準(zhǔn)面，配置了邊緣刮刀、貝殼刀、中心(正面)滾刀，刀具高度差分別是+5、+20、+44 mm，見表3。

表3　刀具高度差配置

3.3掘進(jìn)參數(shù)設(shè)計

在盾構(gòu)掘進(jìn)中，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.7 r/min以內(nèi)，掘進(jìn)速度控制在35 mm/min，刀盤扭矩控制在3 000～4 000 kN·m。若刀盤扭矩大于該范圍，必須停止掘進(jìn)，增加泡沫和膨潤土的注入量，空轉(zhuǎn)刀盤，降低扭矩后再掘進(jìn)；若刀盤的轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度設(shè)定的太快，大粒徑卵石和漂石很容易撞落刀具，卡住刀盤，甚至損害盾構(gòu)設(shè)備。因此，采取“刀盤慢轉(zhuǎn)速，推進(jìn)慢進(jìn)尺”的指導(dǎo)思想，不僅能較好地保護(hù)刀具，同時可以防止刀盤被卡。

3.4盾構(gòu)姿態(tài)控制

控制好盾構(gòu)姿態(tài)，讓刀盤均勻受力，可防止?jié)L刀發(fā)生偏磨。若盾構(gòu)姿態(tài)控制的不好，在曲線糾偏的過程中，滾刀在不同的位置受力不均，在受推力大的位置容易被卡死，發(fā)生偏磨[14]，見圖4。尤其是邊緣滾刀，由于線速度大故更容易被磨損，嚴(yán)重時甚至?xí)斐傻遁灡荒ゴ?，使得刀具的使用壽命大大降低?/p>

圖4　滾刀偏磨

3.5一般欠土壓模式掘進(jìn)

目前不可能通過大幅度地提高盾構(gòu)的設(shè)計扭矩來解決砂卵石地層盾構(gòu)刀盤被卡的問題，因此，采用欠土壓模式掘進(jìn)同時把地表沉降控制在要求的范圍之內(nèi)，是工程建設(shè)的實際需要。如果不采用欠土壓模式，而是采用傳統(tǒng)的土壓平衡模式，在高含量砂卵石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)時，刀盤正反兩面同時受到卵石和漂石的摩阻力，很難轉(zhuǎn)動，致使刀盤被卡而無法掘進(jìn)，如果盲目推進(jìn)，易使刀盤主驅(qū)動齒輪箱保險軸損壞。

通過在砂卵石地層土壓盾構(gòu)掘進(jìn)試驗，得到不同盾構(gòu)土艙壓力下地表沉降曲線如圖5所示。當(dāng)盾構(gòu)偽壓(也稱無壓)掘進(jìn)時，地表沉降最大，達(dá)到41 mm左右；其次為嚴(yán)重欠壓掘進(jìn)時，地表沉降達(dá)到35 mm；再次為一般欠壓掘進(jìn)時，地表沉降達(dá)到26 mm；而保壓掘進(jìn)時地表沉降最小，為14 mm。

圖5　不同盾構(gòu)土艙壓力下地表沉降值

通過分析土壓盾構(gòu)土艙壓力與地表沉降的關(guān)系可知，當(dāng)盾構(gòu)采用一般欠土壓掘進(jìn)模式時，可以把地表沉降控制在規(guī)范要求的30 mm以內(nèi)，這充分說明，砂卵石地層的穩(wěn)定性較好，成拱效應(yīng)明顯。盡管采用欠土壓模式掘進(jìn)，但是在卵石地層，只要充分掌握地層的自成拱效應(yīng)，不僅能夠較好地控制地表沉降，也能解決刀盤被卡的技術(shù)難題，同時也降低了刀具的磨損量，延長了刀具的使用壽命，經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效果明顯。

3.6利用泡沫和膨潤土進(jìn)行渣土改良

渣土改良是一項成熟的技術(shù)，渣土改良效果的好壞，直接影響著盾構(gòu)掘進(jìn)的功效[15]，對延長刀具使用壽命至關(guān)重要。

泡沫。向刀盤前方注射泡沫，泡沫在刀具表面形成一層潤滑膜，使得渣土的流動性明顯增強，減小了刀具與開挖面渣土的摩阻力。

膨潤土。在盾構(gòu)掘進(jìn)時，向土艙及時注射膨潤土，使得土艙內(nèi)的渣土具有更好的和易性和流動性，防止渣水分離造成土艙內(nèi)渣土固結(jié)堆積并對刀具造成磨損和碰撞。

通過向土壓盾構(gòu)開挖艙注射1∶5的優(yōu)質(zhì)膨潤土漿液(見圖6)，使得渣土的黏性、和易性和流動性明顯改善。膨潤土漿液對盾構(gòu)刀具起到降溫、潤滑的作用，減少了刀具的磨損，延長了刀具的使用壽命。

3.7注射膨潤土輔助建立土壓

在富水砂卵石地層掘進(jìn)時，如果采用土壓平衡模式，盾構(gòu)刀盤極易被卡而無法脫困[16]，因此，采用一般的欠土壓模式掘進(jìn)。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)中臨時停機安裝管片或因其他特殊情況需要較長時間停機時，雖然砂卵石地層穩(wěn)定性較好，但是由于長時間停機，開挖面在地下水滲流的作用下，極易發(fā)生失穩(wěn)塌陷，造成地表沉降難以控制，極易引發(fā)安全事故。

圖6　膨潤土漿液

因此，在盾構(gòu)停機前向土艙內(nèi)注射一定量的膨潤土(膨潤土數(shù)量根據(jù)地層的微顆粒數(shù)量以及地下水量的多少來確定，本工程通過試驗確定7 m31∶5的膨潤土漿液為最佳，而注射太多膨潤土則會造成螺旋機噴涌，出渣困難)，補充欠土壓模式下的土艙壓力不足，輔助提高土艙的壓力，以便平衡開挖面；同時也有效降低了停機后刀盤重新啟動時的高扭矩需求[17]，減緩了對刀具的瞬間沖擊，延長了刀具的使用壽命。

4　結(jié)論與討論

1)通過盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和姿態(tài)控制、渣土改良以及合理利用欠土壓模式掘進(jìn)等措施，使得刀具的磨損系數(shù)降為0.03 mm/km。在掘進(jìn)速度為35 mm/min、盾構(gòu)掘進(jìn)長度為500 m時，刀盤的邊緣滾刀的磨損量平均為16 mm。這說明對刀具的減摩效果明顯，證明采取的技術(shù)措施是可行的。

2)在盾構(gòu)刀盤設(shè)計之前，必須要對工程地質(zhì)勘探清楚，因為地質(zhì)是盾構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，只有這樣，盾構(gòu)刀盤的設(shè)計和刀具的配置才有針對性。

3)渣土改良對刀具的減摩作用，在不同的工程實踐中，因水文地質(zhì)狀況不同，應(yīng)通過試驗來確定渣土改良的配方。采用科學(xué)的施工措施對延長刀具的使用壽命是很有幫助的，該項研究還需要進(jìn)一步深入。

4)合理地設(shè)定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、控制好盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，會使得盾構(gòu)掘進(jìn)中刀具受力更加合理，尤其是滾刀轉(zhuǎn)動順暢，防止?jié)L刀偏磨效果比較明顯。

5)在砂卵石地層中大幅度提高盾構(gòu)的掘進(jìn)扭矩，是解決盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)的最有效措施，但是提高盾構(gòu)掘進(jìn)扭矩的同時，對盾構(gòu)自身結(jié)構(gòu)設(shè)計將會提出更高的要求，這方面的研究應(yīng)該及時開展。

6)在砂卵石地層中，盾構(gòu)采用欠土壓模式掘進(jìn)，如何有效利用地層的自穩(wěn)性來控制地表沉降，在應(yīng)用于工程實踐之前，需要根據(jù)不同的工程地質(zhì)情況開展試驗研究并取得相關(guān)的參數(shù)。

7)在富水砂卵石地層中，由于受到目前盾構(gòu)整體設(shè)計尺寸限制，無法設(shè)計安裝更大直徑的螺旋機，這也限制了盾構(gòu)不能設(shè)計更大的刀盤開口率或者采用輻條式刀盤形式。這個問題需要及時開展研究，尤其是研究螺旋機的結(jié)構(gòu)形式并進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

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Increasing Technologies for Service Life of EPB Shield Cutting Tools Boring in Sandy Cobble Stratum in Lanzhou

LIU Qi1, JIN Shihe1, 2

(1. Lanzhou Rail Transit, Lanzhou 730030, Gansu, China;2.LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,Gansu,China)

The wear of cutting tools of EPB shield boring in sandy cobble stratum in Lanzhou is studied, so as to reduce wear of cutting tools and increase the service life of cutting tools.The wear rules of cutting tools are obtained by making comparison between theoretical calculation results and actual practice. Study is made on technologies, i.e. ground conditioning, boring parameter optimization, shield altitude control and shield boring under inadequate soil stress, on basis of study results of cutterhead design and cutting tool arrangement. The service life of cutting tool has been increased; the cutting tool replacing times have been reduced; the construction schedule has been shortened; and the construction cost has been reduced.

Lanzhou Metro; EPB shield; sandy cobble stratum; cutting tool service life

2015-06-03;

2016-07-27

劉奇(1981—)，男，陜西富平人，2006年畢業(yè)于南昌航空大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科，工程師,主要從事地鐵土建工程管理工作。E-mail：136865185@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.018

U 455.3+1

B

1672-741X(2016)08-1011-05