重慶地區(qū)泥巖條件下TBM滾刀偏磨研究

(重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 重慶 400074）

0 前言

重慶地區(qū)地鐵建設(shè)近年來(lái)多處采取全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)( TBM )進(jìn)行施工，相對(duì)于傳統(tǒng)鉆爆法，TBM具有更加快速、安全、對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小等優(yōu)勢(shì)。TBM通過(guò)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)油缸頂推作用，帶動(dòng)刀具對(duì)巖土進(jìn)行切削和擠壓，破碎巖土，完成掘進(jìn)過(guò)程。

本文依托于重慶地鐵環(huán)線(xiàn)鳳鳴山—上橋區(qū)間隧道TBM項(xiàng)目，擬建區(qū)內(nèi)地層主要有第四系全新統(tǒng)人工填土層和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖、砂巖組成。在TBM掘進(jìn)過(guò)程中滾刀非正常磨損嚴(yán)重，且較大部分表現(xiàn)為偏磨，施工中頻繁換刀，嚴(yán)重影響了施工成本和進(jìn)度。刀具的是否完好關(guān)系到整個(gè)隧道掘進(jìn)效率，刀具非正常磨損一直是TBM掘進(jìn)施工過(guò)程中的難點(diǎn)之一。

由于本項(xiàng)目地質(zhì)主要為泥巖、砂巖組成，在掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)內(nèi)極易出現(xiàn)結(jié)泥餅，導(dǎo)致滾刀被泥餅糊住，出現(xiàn)偏磨。本文對(duì)該TBM區(qū)間滾刀的偏磨情況進(jìn)行調(diào)查分析，深入研究了滾刀偏磨的主要原因，并總結(jié)提出減少刀具偏磨損壞的措施，為刀具磨損提供解決依據(jù)與對(duì)策。

1 TBM破巖機(jī)理

TBM在掘進(jìn)過(guò)程中，由于推進(jìn)油缸的頂推作用，使?jié)L刀緊貼掌子面，當(dāng)?shù)侗P(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)滾刀，掌子面巖石被碾出許多同心圓，當(dāng)巖石受力超過(guò)極限時(shí)，同心圓間巖石裂縫貫通，巖片被剝落，最后由皮帶機(jī)運(yùn)出，從而達(dá)到破巖掘進(jìn)的過(guò)程。其破巖過(guò)程主要分為：擠壓階段、起裂階段、破碎階段。

2 刀具損壞形式

對(duì)于全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)( TBM )刀具的磨損形式有正常磨損和非正常磨損。正常磨損是指TBM在掘進(jìn)過(guò)程中，刀具由于磨損到所規(guī)定的尺寸而被更換。非正常磨損是指TBM在掘進(jìn)過(guò)程中，刀具由于非正常的損壞，如：刀圈偏磨、刀圈斷裂、刀圈卷刃、軸承密封損壞等其他原因被更換掉。

2.1 正常磨損

正常磨損是指滾刀刀圈磨損均勻，滾刀刀圈的圓周部位的磨損程度大概是均勻一致的，這種磨損形式為在TBM掘進(jìn)過(guò)程中比較常見(jiàn)。對(duì)于正常磨損的滾刀，經(jīng)過(guò)更換刀圈修理后，可以從新安裝使用。

2.2 非正常磨損

（1）刀圈偏磨。在 TBM掘進(jìn)過(guò)程中常出現(xiàn)，往往滾刀刀圈被磨損成一條或幾條弦。

（2）刀圈斷裂。由于掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置不對(duì)，使?jié)L刀刀圈因?yàn)榫植渴芰^(guò)載，從而使刀圈應(yīng)力集中，發(fā)生斷裂。

（3）刀圈卷刃。對(duì)于堅(jiān)硬的圍巖段，由于巖石的抗壓強(qiáng)度較大，從而引起刀圈出現(xiàn)卷刃現(xiàn)象。

（4）刀圈崩刃。在巖石較硬的情況下容易出現(xiàn)刀圈崩刃，因?yàn)榈度驼谱用鎳鷰r之間產(chǎn)生較大的接觸力，從而使得刀圈出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。

（5）軸承密封損壞。在掘進(jìn)過(guò)程中，滾刀軸承由于局部受到較大的力，從而損壞；或者軸承運(yùn)行時(shí)間超過(guò)設(shè)計(jì)的使用壽命，從而引起疲勞損壞；滾刀刀具的密封產(chǎn)生損壞，使得鐵屑或渣石進(jìn)入滾刀刀具的內(nèi)部，從而引起軸承過(guò)度的磨損產(chǎn)生損壞。

3 滾刀偏磨的主要原因

刀圈偏磨主要表現(xiàn)為滾刀刀圈周邊各部位的磨耗程度不一致，故又稱(chēng)為不均勻磨損。在掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)操作手沒(méi)有控制好掘進(jìn)的各種參數(shù)，且由于重慶地區(qū)富含泥巖，當(dāng)泥巖經(jīng)擠壓破碎變?yōu)樗樾己头勰?，同時(shí)遇到適量的水后極易結(jié)成泥餅，造成滾刀被泥土包裹不能轉(zhuǎn)動(dòng)，使刀圈呈現(xiàn)單邊受力磨損的狀態(tài)，從而使?jié)L刀產(chǎn)生偏磨。

3.1 施工操作原因

（1）循環(huán)水壓力不足，刀盤(pán)冷卻水的噴射出口被刀盤(pán)內(nèi)渣土堵塞，導(dǎo)致渣土得不到改良，流塑性變差，從而易結(jié)泥餅，糊住滾刀，導(dǎo)致滾刀出現(xiàn)偏磨。

（2）外循環(huán)水溫度過(guò)高，易引起渣土的快速干結(jié)，且由于刀盤(pán)在與巖體摩擦使刀盤(pán)內(nèi)溫度升高， 加速了渣土干結(jié)，導(dǎo)致刀盤(pán)結(jié)泥餅，使?jié)L刀偏磨。

（3）在施工中未進(jìn)行渣土改良或改良不好，導(dǎo)致渣土流塑性較差，導(dǎo)致結(jié)泥餅。

（4）未定時(shí)開(kāi)倉(cāng)清理刀盤(pán)堆積泥餅。

3.2 地質(zhì)原因

由于該區(qū)間隧道所屬地層主要為砂質(zhì)泥巖和部分砂巖，為沉積巖層，巖層富含黏土礦物顆粒，經(jīng)過(guò)TBM掘進(jìn)機(jī)刀具和刀盤(pán)的擠壓破碎，導(dǎo)致泥巖變?yōu)樗樾己头勰睿?dāng)遇到適量的水后極易結(jié)成泥餅，導(dǎo)致滾刀偏磨。

3.3 滾刀軸承和密封原因

當(dāng)滾刀出現(xiàn)軸承損壞、軸承進(jìn)泥沙、軸承不轉(zhuǎn)、滾柱破碎、軸承圈損壞、密封橡膠圈變形或失去彈性、密封環(huán)變形、潤(rùn)滑油失效等，極易導(dǎo)致滾刀停止轉(zhuǎn)動(dòng)，出現(xiàn)偏磨。

4 防止?jié)L刀偏磨的措施

4.1 泥巖渣土改良

對(duì)于重慶地區(qū)砂質(zhì)泥巖地層，由于掘進(jìn)開(kāi)挖出來(lái)的渣土中黏性礦物含量較高，刀盤(pán)內(nèi)極易結(jié)泥餅，對(duì)于該地層進(jìn)行特別的渣土改良，以降低土體間的黏聚力、減少刀盤(pán)中開(kāi)挖土體壓實(shí)結(jié)密的可能性、減少掘削土體與刀盤(pán)的黏著力，提高渣土的軟流塑狀。

4.2 選擇合理的掘進(jìn)參數(shù)

掘進(jìn)時(shí)合理的掘進(jìn)參數(shù)能較大限度的提高刀具的使用壽命，TBM 滾刀都有其特定的荷載承受力和啟動(dòng)扭矩，超過(guò)其荷載承受力會(huì)對(duì)刀具造成沖擊損傷，造成其失效。在硬巖進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，需采用高轉(zhuǎn)速、低貫入度，避免因推力過(guò)大將刀具損傷。對(duì)掘進(jìn)參數(shù)和刀具磨損情況進(jìn)行監(jiān)控、對(duì)比分析、總結(jié)，得出合適的掘進(jìn)參數(shù)。

4.3 控制循環(huán)水溫度

控制循環(huán)水溫度不要太高，如在循環(huán)水箱加冰，增加循環(huán)水冷卻塔等，保證刀盤(pán)冷卻水在合適溫度。

4.4 保持刀盤(pán)冷卻水噴口通暢

控制循環(huán)水壓力，避免出現(xiàn)刀盤(pán)冷卻水噴出口沒(méi)有堵塞，在掘進(jìn)時(shí)開(kāi)啟刀盤(pán)冷卻水，增加渣土流塑性，使開(kāi)挖渣土能及時(shí)運(yùn)出。

4.5 定時(shí)清理刀盤(pán)

對(duì)于在掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)結(jié)泥餅較嚴(yán)重區(qū)間段，建議在拼裝管片的時(shí)間段退出皮帶機(jī)，工人對(duì)刀盤(pán)內(nèi)泥餅進(jìn)行清理，如用高壓水槍沖洗或用鍬清除，并檢查滾刀是否被泥餅糊死。

4.6 定期檢查刀具磨損情況

除了在掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)刀盤(pán)的清理，應(yīng)組織人員定期對(duì)刀具進(jìn)行檢查及更換，加強(qiáng)對(duì)刀具的監(jiān)控跟蹤。

在掘進(jìn)過(guò)程中可以隨時(shí)觀察渣樣及渣溫，并進(jìn)行記錄總結(jié)，判斷刀具的磨損狀況，如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)停機(jī)檢查。

4.7 建立刀具管理臺(tái)賬

對(duì)刀具的使用狀態(tài)進(jìn)行記錄，及時(shí)掌握、了解刀具使用狀態(tài)，總結(jié)刀具磨損規(guī)律，最大限度的減少刀具使用成本，也為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了巖石隧道掘進(jìn)機(jī)破巖原理，并對(duì)TBM刀具的損壞形式進(jìn)行了研究。由于重慶地區(qū)在全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，開(kāi)挖后泥巖容易在刀盤(pán)內(nèi)形成泥餅，最終極易導(dǎo)致滾刀出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象。故本文結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)情況系統(tǒng)性的分析了滾刀偏磨原因，并提出防止刀具出現(xiàn)偏磨的具體措施，建議在掘進(jìn)過(guò)程中定期對(duì)刀盤(pán)和刀具進(jìn)行檢查和清理，在施工中應(yīng)重視刀具管理，這樣可以有效降低刀具的非正常磨損，增加刀具的壽命，節(jié)約成本。

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