盾構施工斜井刀具磨損速率影響因素研究

楊俊哲（神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西榆林719315）

盾構施工斜井刀具磨損速率影響因素研究

楊俊哲（神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西榆林719315）

神華神東補連塔煤礦2#輔運平硐工程首次將盾構工法應用于煤礦斜井工程，本文介紹盾構施工原理及其在隧道施工中的應用情況，以盾構掘進過程刀具磨損速率為研究對象研究了盾構刀具磨損損率的影響因素及影響規(guī)律：圍巖本身的物理特性，如巖石的強度、耐磨性等對盾構刀具磨損速率的影響規(guī)律；盾構運行參數(shù)、運行故障以及刀具材質(zhì)對盾構刀具磨損速率的影響。通過對神華神東補連塔煤礦2#輔運平硐工程盾構施工過程中刀具磨損監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究分析，從工藝和設備的角度來探討如何確保盾構掘進過程中刀具的穩(wěn)定性，為盾構施工工藝的優(yōu)化、盾構系統(tǒng)的穩(wěn)定運行及成本控制提供參考依據(jù)和更加可靠的保障。

盾構；刀具；磨損速率；影響因素

1 引言

盾構施工工藝因其掘進速度快、環(huán)保效益好、綜合性能高等優(yōu)點在我國隧道施工行業(yè)中得到了廣泛的應用。盾構掘進速率作為盾構施工工藝綜合性能評價的唯一參數(shù)而備受關注。但由于刀具磨損速率導致盾構掘進速率偏低的原因以及如何解決運行中出現(xiàn)的這個問題一直沒有得到解決。

2 盾構工藝的基本原理及應用

盾構本身是集氣、電、光、機為一體的復雜施工系統(tǒng)。盾構工藝主要是利用盤形滾刀碎巖推進，是一種集掘進、出渣、支護為一體的流水線施工工藝，該工藝目前已經(jīng)在國內(nèi)隧道施工領域得到了廣泛應用。

2.1 盾構掘進過程的基本原理

盾構掘進過程實際上就是巖石的破碎和推進過程。在推力作用下，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，盤形滾刀緊壓巖石表面[1]。當推力大于巖石的抗壓強度時，盤形滾刀直接貫入巖石，將滾刀下的巖石直接破碎，進而在掌子面形成多道同心圓溝槽，隨著溝槽深度的增加，巖石表面的裂紋不斷加大，當超過巖石的剪切和拉伸強度時，相鄰溝槽間的巖石成片狀脫落，從而達到碎巖掘進的目的[2]。

2.2 盾構工藝的應用

目前國內(nèi)投入運行的盾構工藝系統(tǒng)主要由刀盤、盾體、輸送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、流體系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。其中根據(jù)不同的地質(zhì)情況需要對盾構刀具布置進行針對性設計[3]。

3 評價盾構刀具磨損速率的主要參數(shù)

神華神東補連塔2#輔運平硐工程首次將盾構應用于煤礦斜井施工，該工程穿過主要包括沉積砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等多個不良地質(zhì)層。通過管片支護與盾構掘進相結合的方式形成為6.6m的輔助運輸通道。刀具單周磨損量作為評價盾構刀具磨損速率的一個重要參數(shù)，然而盾構刀具磨損速率的監(jiān)測與預控直接影響盾構掘進的速率與穩(wěn)定性。因此，可以根據(jù)刀具單周磨損量的大小來評價盾構刀具的磨損速率[4]。

4 影響盾構刀具磨損速率的主要因素

盾構刀具磨損速率受多種因素的影響。圍巖本身的物理特性、盾構系統(tǒng)的運行和工藝參數(shù)都會對盾構掘進速率造成較大的影響[5]。

4.1 圍巖本身的物理特性

圍巖本身的物理特性決定了盾構刀具磨損速率的大小。對內(nèi)蒙神華神東補連塔項目盾構運行工況的研究表明，影響盾構刀具磨損速率的主要物理特性包括：圍巖強度、耐磨性等，這些都是都是盾構施工工藝中應該掌握的重要參數(shù)。

4.1.1 圍巖強度

盾構是利用巖石的抗拉強度和抗剪強度明顯小于抗壓強度這一特征而設計的，抗壓強度的高低是影響盾構刀具磨損速率的關鍵地質(zhì)因素之一[6]，表1是對神華神東補連塔煤礦盾構運行工況考察得到的數(shù)據(jù)。

表1 不同圍巖強度下盾構刀具磨損速率

圖1 不同圍巖強度盾構刀具磨損速率趨勢圖

從表1的數(shù)據(jù)及圖1的趨勢可以看出，一定范圍內(nèi)圍巖強度越低，盾構刀具磨損進速率越低，則掘進越快[7]；圍巖強度越高，盾構刀具磨損速率越高，則掘進越慢[8]。但是，圍巖強度太小，圍巖穩(wěn)定性差，嚴重影響掘進速度；圍巖強度太大，盾構掘進困難，效率低下。

4.1.2 圍巖耐磨性

國內(nèi)外大量盾構施工隧道的工程實踐表明，刀具的磨損情況對盾構掘進效率以及掘進的經(jīng)濟性影響很大；而對刀具的磨損判斷和預測，僅根據(jù)巖石抗壓強度是不夠的。主要應結合巖石的硬度以及巖石所含石英顆粒的大小、數(shù)量來決定（見表2和圖2）。

一般情況下，巖石的耐磨性越高，對盾構刀具、刀圈和軸承的磨損程度也越嚴重，刀具消耗和施工成本就越高，并造成停機換刀次數(shù)增加，影響盾構正常掘進，相應的盾構掘進效率也就越低。

4.2 盾構系統(tǒng)的運行

不同的運行參數(shù)也影響著盾構刀具磨損速率。通過對比神華神東補連塔項目不同運行參數(shù)情況下的盾構刀具磨損速率，總結出不同運行參數(shù)下盾構刀具磨損速率的運行規(guī)律。

4.2.1 刀盤轉(zhuǎn)矩

刀盤轉(zhuǎn)矩主要受主要受隧道線性與施工地質(zhì)條件影響。神華神東補連塔煤礦斜井采用-5.5°斜井施工，在一定程度上影響著刀盤轉(zhuǎn)矩，表3列出了不同刀盤轉(zhuǎn)矩下盾構系統(tǒng)的運行特性。

表2 不同圍巖耐磨性下盾構刀具磨損速率

圖2 不同圍巖耐磨性盾構刀具磨損速率趨勢圖

表3 不同刀盤轉(zhuǎn)矩下盾構刀具磨損速率

圖3 不同刀盤轉(zhuǎn)矩盾構刀具磨損速率趨勢圖

從表3數(shù)據(jù)及圖3趨勢可以看出，其他因素一定時。刀盤轉(zhuǎn)矩在452.62kN·m時，盾構刀具磨損速率最大，隨著刀盤轉(zhuǎn)矩的加大或減小盾構刀具磨損速率呈下降趨勢。

4.2.2 刀盤轉(zhuǎn)速

圍巖強度、耐磨性遺跡刀盤轉(zhuǎn)矩一定的情況下，刀盤轉(zhuǎn)速對盾構刀具磨損速率有顯著的影響[9]。對給定的刀盤轉(zhuǎn)速，在一定的范圍之內(nèi)，刀盤的轉(zhuǎn)速越快，盾構刀具磨損速率越大，但刀盤轉(zhuǎn)速超過一定范圍時，盾構刀具磨損速率減小，表4列出了神華神東補連塔煤礦在不同刀盤轉(zhuǎn)速下盾構的運行特性。轉(zhuǎn)速在4.45rpm時盾構的掘進速率最大，隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增大或減小，盾構的掘進速率呈下降趨勢。

表4 不同刀盤轉(zhuǎn)速下盾構刀具磨損速率

圖4 不同刀盤轉(zhuǎn)速盾構刀具磨損速率趨勢圖

4.2.3 主驅(qū)動電機電流

主驅(qū)動電機電流是運行中的一個重要參數(shù)，其大小反映了主驅(qū)動電機的運行工況。電流大時，盾構刀盤的負載大，刀具受到的阻力就越大；電流小時，盾構刀盤的負載小，刀具受到的阻力就越小。因此，施工過程中主驅(qū)動電機的電流應該與盾構刀具磨損速率相對應，需控制在一定的范圍之內(nèi)[10]。

4.2.4 推力

盾構推力主要由破巖力、摩擦力與牽引力三部分構成。其他因素一定時，調(diào)整盾構推力的大小，一定范圍之內(nèi)，隨著盾構推力的不斷加大，盾構刀具磨損速率呈上漲趨勢，當推力超過一定值時，盾構刀具磨損速率減小。

4.3 其他因素

盾構刀具磨損速率受諸多因素影響，除圍巖本身的物理特性與盾構運行參數(shù)的影響之外還受到工序銜接、設備定期維護保養(yǎng)等因素的影響。

刀具的更換順序：

刀具的更換主要由刀具的磨損情況以及地層的穩(wěn)定性決定。合理的換刀順序能夠?qū)⒍軜嫷毒吣p速率控制在一定范圍之內(nèi)，加快盾構的掘進速率，運行中因根據(jù)不同的地質(zhì)條件和刀具磨損情況分析報告實時調(diào)整刀具的更換順序。

5 結論

盾構在隧道施工中主要適用于硬巖隧道的施工。對盾構運行工況的研究表明：①盾構刀具磨損速率主要受圍巖物理特性和盾構系統(tǒng)運行操作的影響；②綜合上訴因素的影響，在實際的盾構系統(tǒng)運行中，可以從如下幾個方面來調(diào)整最佳的運行參數(shù)以獲得盾構刀具最佳磨損速率，進而獲得較高的盾構掘進速率：a.盾構系統(tǒng)應在最佳掘進速率下運行，不應輕易調(diào)整掘進速率；b.運行過程中應該密切關注圍巖物理特性分析報告；c.應保證電機電流、刀盤轉(zhuǎn)矩、刀盤速度與推力在設計的允許范圍之內(nèi)；d.運行中應該時刻關注地下含水及可燃氣體檢測報告；e.刀盤應定期更換刀具，以保持刀具的最佳狀態(tài)。

[1]向中華.盾構盤形滾刀應用于隧道工程中的工作原理[J].城市建設理論研究（電子版），2013，6：2095～2104.

[2]羅輝平.關于砂卵石地層盾構刀具磨損測試分析[J].城市建設理論研究（電子版），2015，22：8500～8501.

[3]李建斌，王 鍇.無刀盤土壓平衡盾構概念性設計[J].隧道建設，2014，10：1001～1004.

[4]陳 振.ZrTiN涂層刀具的制備及切削性能研究[D].濟南：山東大學，2011.

[5]袁興澤，李文富，等.盾構掘進速度及影響因素淺析[J].水利建設與管理，2009，4：75～77，82.

[6]侯志友，陳 浩.不同掘進參數(shù)對盾構掘進機掘進效率的影響[J].城市建設理論研究（電子版），2011，31：0.

[7]陳 浩.盾構掘進效率與圍巖相關性研究[D].成都：西南交通大學，2010.

[8]姜 曦.盾構隧道圍巖穩(wěn)定分析與施工優(yōu)化理論研究[D].綿陽：西南科技大學，2006.

[9]郭志強.秦嶺特長隧道施工關鍵技術研究[D].天津：天津大學，2002. [10]蒙先君.復合式土壓平衡盾構機刀盤常見故障（損壞）原因分析及解決措施[J].隧道建設，2004，2：61～66，73.

從表4數(shù)據(jù)及圖4趨勢可以看出，其他因素一定時。刀盤

TD263

A

2095-2066（2016）35-0217-02

2016-11-8

楊俊哲（1964-），男，博士，教授級高工。