淺談全斷面硬巖盾構(gòu)掘進刀具的選擇與更換

文/鄭曉飛、王栓、郝保安、羅興元 中交隧道工程局第三工程公司 江蘇南京 210000

淺談全斷面硬巖盾構(gòu)掘進刀具的選擇與更換

文/鄭曉飛、王栓、郝保安、羅興元 中交隧道工程局第三工程公司 江蘇南京 210000

在硬巖地層條件下，掘進存在的問題是刀具磨損嚴重，掘進速度慢，且在控制不當?shù)那闆r下易造成刀具非正常損壞，可能對刀盤造成磨損或損壞。依據(jù)廣州市軌道交通七號線一期工程南村站～中間風機房（不含）區(qū)間，盾構(gòu)掘進穿越硬巖的實例。通過選擇合理的刀具及配置，分析施工中刀具的磨損原因并采取應對措施，有計劃地更換刀具，建立完善的刀具更換流程并加強管理等，確保盾構(gòu)在硬巖中安全順利推進。

硬巖；盾構(gòu)掘進；刀具選擇；刀具更換

一.工程概況

廣州市軌道交通七號線一期工程南村站～中間風機房（不含）盾構(gòu)區(qū)間，線路縱斷面為下坡，最大坡度為26‰，線路埋深12.04m～36.73m，隧道頂覆土7.86m～32.55m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，隧道主要穿行于＜6＞全風化泥質(zhì)粉砂巖、＜7＞強風化泥質(zhì)粉砂巖、＜8＞中風化泥質(zhì)粉砂巖、＜6Z＞全風化混合花崗巖、＜7Z＞強風化混合花崗巖、＜8Z＞中風化混合花崗巖和＜9Z＞微風化混合花崗巖等。

區(qū)間左線長1678.269m，穿越＜8Z＞中風化混合花崗巖、＜9Z＞微風化混合花崗巖及其混合巖地層為962.57m，占左線線路的57.35%。區(qū)間右線長1703.560m，穿越＜8Z＞中風化混合花崗巖、＜9Z＞微風化混合花崗巖及其混合巖地層為776.806m，占右線線路的45.6%。

＜8Z＞中風化混合花崗巖：灰黃色、褐黃，細粒花崗變晶結(jié)構(gòu)，條帶狀構(gòu)造。裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀局部短柱狀，巖質(zhì)較硬。天然單軸極限抗壓強度值為11.43～58.30Mpa，平均值為26.76M pa。

＜9Z＞微風化混合花崗巖：淺灰、灰白色、青灰色，花崗變晶結(jié)構(gòu)，條紋、條帶構(gòu)造。局部裂隙較發(fā)育，巖芯呈柱狀，局部機械破碎呈碎塊狀，RQD為50～90%，巖質(zhì)堅硬。天然單軸極限抗壓強度值為26.4～107.3M pa，平均值為73.0Mpa。

二.盾構(gòu)機情況

根據(jù)本工程線路情況及地層特性，經(jīng)綜合考慮比選，選用德國海瑞克公司生產(chǎn)的直徑6280mm的復合式土壓平衡盾構(gòu)機。兩臺盾構(gòu)機均為液壓驅(qū)動式土壓平衡盾構(gòu)機，具有高轉(zhuǎn)速、大推力和大扭矩的特點，盾體中盾和尾盾之間采用鉸接連接，便于在曲線上掘進。盾構(gòu)機配備有適用該標段地層掘進的刀具、渣土改良系統(tǒng)、完善的人倉和保壓系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)，且人倉位于中隔板的上部，以方便刀具更換。

在硬巖段掘進中，盾構(gòu)機布設的刀具為35把滾刀（31把單刃滾刀，4把雙刃滾刀），64把齒刀、8把邊刮刀和1把超挖刀。滾刀有高度耐磨的切削環(huán)，完全滿足在硬巖掘進的需要，刀盤的形狀采用防堵塞設計，刀具型式和安裝位置便于切割巖石。

三.刀具的選擇

刀具是盾構(gòu)施工的重要部件，在盾構(gòu)施工時，選用什么樣的刀具通常取決于盾構(gòu)機掘進通過的地層條件。在硬巖條件下盾構(gòu)機破巖主要靠盤型滾刀，刀盤旋轉(zhuǎn)帶動刀具掃過開挖面，滾刀對圍巖的擠壓使得巖層表面形成裂紋繼而與掌子面脫落，實現(xiàn)巖層的成功破碎。

3.1 滾刀刀圈的材質(zhì)

滾刀刀圈的材質(zhì)是滾刀能否勝任掘進硬巖的關(guān)鍵，一般有以下4種類型的刀圈。

（1）耐磨層表面刀圈

適用于掘進硬度40M pa的緊密地層，硬度80～100M pa的斷裂礫巖、砂巖、凝灰?guī)r及砂性土等地層。

（2）標準鋼刀圈

適用于掘進硬度50～150Mpa的礫巖、大理石、砂巖、灰?guī)r及有石塊的地層。

（3）重型鋼刀圈

適用于掘進硬度120～250M pa的硬巖，硬度80～150M pa的高磨損巖層，如花崗巖、閃長巖、斑巖、大理石、蛇紋石及玄武巖等地層。

（4）鑲齒硬質(zhì)合金刀圈

適用于掘進硬度高達150～250Mpa的花崗巖、斑巖、玄武巖及石英等地層。

根據(jù)刀具使用情況，標準鋼刀圈滾刀可以較好的適用于本標段的地層。

3.2 滾刀直徑

滾刀按刀圈外徑規(guī)格一般分為12"、15.5"、17"及19"等系列，見表1。

表1 刀具尺寸

本標段使用17"單刃滾刀，可以較好的用于掘進硬巖地層。刀圈高于刀盤面板175mm，其刀圈可以更換，根據(jù)巖石的強度可以選用破巖能力不同的刀圈。

3.3 滾刀廠家的比選

本標段使用了洛陽九久、滬馬、龐萬力等廠家生產(chǎn)或維修的滾刀，通過對硬巖掘進中刀具的更換數(shù)量、刀具的磨損情況等進行分析，選擇適合本標段的刀具廠家。并在施工中選擇合理的掘進參數(shù)，確保盾構(gòu)在硬巖中順利掘進。

右線在YDK17+581.89（對應274環(huán)、＜7Z＞地層）進行了全盤刀具的更換，刀具為洛陽九久生產(chǎn)的刀具?；謴途蜻M后穿過全斷面＜7Z＞和＜7Z＞、＜8Z＞、＜9Z＞的混合地層進入＜8Z＞、＜9Z＞地層，掘進到363環(huán)開倉換刀。在YDK17+669.405～YDK17+856.902段，對應環(huán)數(shù)為361～487環(huán)，隧道基本處于全斷面中、微風化混合花崗巖地層中，共換刀5次。刀具更換情況見表2。

表2 檢查更換刀具情況

由表2可知，洛陽九久的刀具在混合巖段掘進63環(huán)，刀具更換28把單刃滾刀，磨損嚴重，平均2.25環(huán)/把。滬馬刀具在硬巖段掘進62環(huán)，刀具更換26把單刃滾刀，2把雙刃滾刀，磨損較嚴重，平均2.21環(huán)/把。龐萬力刀具在硬巖段掘進62環(huán)，刀具更換27把單刃滾刀，2把雙刃滾刀，磨損嚴重，平均2.14環(huán)/把。通過對滾刀的磨損情況、經(jīng)濟投入等綜合比選后選用滬馬刀具廠家生產(chǎn)和維修的刀具。

四.刀具磨損原因分析及應對措施

4.1 刀具磨損原因分析

盾構(gòu)在全斷面硬巖中掘進，刀具磨損常見形式有：均勻磨損、偏磨、崩刀圈、刀圈脫落等，通過現(xiàn)場施工觀察及分析，刀具磨損原因如下：

(1)掌子面巖面強度大，且石英含量高達40～45%，對刀具磨損量大。同時刀具與硬巖摩擦產(chǎn)生大量的熱加速刀具的磨損。

(2)刮刀出現(xiàn)磨損、脫落、崩裂等，特別是刀盤外周的刀具磨損嚴重，以至于滾刀破巖后巖石無法正常刮落。輔助刀具對滾刀保護基本失去作用，導致滾刀受損嚴重。

(3)刀具螺帽發(fā)生松動現(xiàn)象，甚至螺桿出現(xiàn)脫落，此時繼續(xù)掘進時，松動的刀具隨著刀盤轉(zhuǎn)動，刀軸也會跟著抖動造成刀具無法正常受力破巖，從而影響刀具壽命。

(4)盾構(gòu)姿態(tài)不均衡，在調(diào)節(jié)姿態(tài)時各分區(qū)油缸壓差過大，使整個刀盤面受力不均，導致在轉(zhuǎn)動刀盤時刀具在不同位置受到的阻力扭矩不同，刀具旋轉(zhuǎn)不均勻，引起刀圈偏磨。

(5)海瑞克盾構(gòu)機邊緣滾刀（31#-39#）布置較為薄弱，每個邊緣輪廓軌跡上只有一把刀具，一旦發(fā)生刀具損壞，易引起周邊刀具連鎖性破壞。

4.2 應對措施

（1）盾構(gòu)在全斷面硬巖中掘進時，采用敞開式掘進模式，加快螺旋機轉(zhuǎn)速，減少土倉內(nèi)的積土。通過向掌子面注入泡沫，降低刀具溫度，潤滑刀具，以此減少對刀具的影響。

（2）將刀具螺母全部更換為自鎖螺母，墊片更換為陰陽子母墊片，防止在掘進中松動。

（3）在保證盾構(gòu)姿態(tài)的情況下盡量控制各分區(qū)的油缸壓力差在50ba r以內(nèi)，在全斷面硬巖地層每一環(huán)盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整量應控制在5mm以內(nèi)。

（4）關(guān)注掘進參數(shù)的變化，參數(shù)異常時，選擇合適地點，盡快開倉檢查刀具和掌子面情況。掘進參數(shù)的選擇以保護刀具為原則，按高轉(zhuǎn)速、低扭矩選取參數(shù)，掘進參數(shù)控制范圍：推力800～1200T，刀盤轉(zhuǎn)速1.7～2.2r/m in，刀盤扭矩1600～2800KN·m，掘進速度≤25mm/m in。

（5）勤檢查刀具，及時對松動的螺栓進行復緊，偏磨和磨損超限的刀具及時更換，避免造成周圍刀具的磨損損壞。

（6）堅持在土倉隔板處巡視觸聽土倉中的異常聲響，及時發(fā)現(xiàn)并盡早清除土倉中的異物，也是保護刀具非正常損壞的重要措施。

五.刀具管理

建立嚴格的刀具檢查管理制度，制定定期和不定期刀具檢查制度，是盾構(gòu)機在硬巖掘進的必要保障，刀具管理要有專業(yè)的人員來管理和維護。

5.1 建立定期和不定期刀具檢查制度

（1）定期刀具檢查制度

一是刀具更換完成后，推進1-2環(huán)，檢查刀具的情況并對刀具螺栓進行復緊；二是每掘進10環(huán)進行刀具的常規(guī)磨損檢查，根據(jù)刀具檢查結(jié)果，制定刀具維護、更換方案。

（2）不定期刀具檢查制度

在盾構(gòu)掘進過程中，盾構(gòu)值班土建工程師和盾構(gòu)司機根據(jù)掘進參數(shù)的異常和刀盤發(fā)出的異常聲響等情況，對刀具進行檢查，根據(jù)刀具檢查結(jié)果，制定刀具維護、更換方案。

（3）刀具檢查內(nèi)容

刀具的檢查包括螺絲是否松動、斷絲，刀圈是否破裂、脫落，刀具是否偏磨并用卡尺檢查磨損量等。

5.2 刀具更換標準

（1）正面滾刀刀圈磨損量在15～20mm時須換刀，邊緣滾刀刀圈磨損量為5～10mm時須換刀。

（2）邊緣刮刀及齒刀出現(xiàn)崩齒或刀具上的合金堆焊層磨損較嚴重時須更換。

（3）換刀時如發(fā)現(xiàn)刀具偏磨、刀圈崩裂等，必須進行更換。

5.3 刀具更換

刀具更換流程：出土停機→打開艙門→通風、沖洗刀具→觀察掌子面及滲漏水情況→注雙液漿封環(huán)→工具準備→刀具磨損測量→拆、裝刀→檢查安裝質(zhì)量→整理工具→關(guān)閉倉門→恢復掘進。

根據(jù)掘進過程中渣土的含水量，確定是否在盾尾后5-6環(huán)注雙液漿封環(huán)，開倉后先通風、沖洗刀盤刀具。同時觀察掌子面情況和土倉后方來水情況，水量大時在盾尾后方補注雙液漿封環(huán)截水。通知地面人員準備換刀工具和刀具，檢查、測量刀具磨損情況并詳細記錄。將磨損情況反饋到項目部，根據(jù)磨損情況制定換刀方案，同時通知換刀人員準備拆裝刀。對于斷絲或卡死刀箱的情況，準備絲桿、水下焊機、氧氣乙炔等。刀具更換完成后，全面檢查一遍并對刀具螺栓再次復緊，然后將工具全部整理出來，關(guān)閉倉門恢復掘進。

盾構(gòu)機換刀目前大多數(shù)采用“背裝式”，該方式更換刀具較快，且易于操作。

（1）對于磨損超限的邊緣刀，可以放在正面刀使用的，調(diào)換到正面刀位置，以合理利用刀具。

（2）選擇專業(yè)的隊伍加快換刀速度，換刀結(jié)束后，由項目機電部安排有經(jīng)驗的機電工程師對刀具進行檢查，確保刀具的安裝質(zhì)量合格。

（3）換刀工具安排專人進行維修保養(yǎng)，對于換刀時采用的照明燈具提前檢查更換。

（4）刀具安裝前，用風鎬進行鑿刀槽，保證有足夠的長度和深度；對變形的刀箱進行修復處理，確保刀具安裝到位。

（5）對于刀具斷絲或卡死刀箱的情況，采用焊接螺帽取絲、絲桿拖拉等進行處理，必要時對刀具采取報廢處理，利用水下焊、氧氣乙炔進行割除，見圖5.2。

（6）將磨損超限的刀具送到專業(yè)的刀具維修廠家進行維修，保證刀具的裝配扭矩合理配置和各部件的質(zhì)量；

（7）為每一把刀建立刀具維修、使用及更換臺賬。

結(jié)語：

在硬巖地層中掘進，刀具磨損嚴重，更換頻率高，施工難度大。施工中根據(jù)實際地質(zhì)情況選擇標準鋼刀圈的刀具，分析刀具磨損的原因，并采取減少刀具磨損的應對措施。同時加強對刀具的管理，建立定期和不定期的刀具檢查制度，完善刀具更換流程，有計劃地更換刀具等，確保盾構(gòu)在硬巖中安全順利推進。

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