風(fēng)化砂巖中盾構(gòu)刀具磨損狀況分析及處理方法探討

王亦玄

（上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司，上海 200072）

1 概述

盾構(gòu)法已成為我國城市地鐵施工的主要施工方法。作為盾構(gòu)施工中直接與巖土體接觸的刀盤，其刀具的選擇與布置直接影響盾構(gòu)施工效率，同時也是影響盾構(gòu)掘進(jìn)成本的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

由于我國地質(zhì)構(gòu)造多樣化，盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中會遇到黏土層、粉砂層、礫石層、風(fēng)化巖層、復(fù)合土層等復(fù)雜情況，巖土層參數(shù)差異很大，這些都對刀具的地質(zhì)適應(yīng)性提出了很高要求。了解各類盾構(gòu)刀具磨損規(guī)律并采用適當(dāng)?shù)臏p耐磨措施是解決刀盤刀具與地層適應(yīng)性問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。

風(fēng)化砂巖石英含量多、強(qiáng)度高，其間會夾雜其他礦物，軟硬質(zhì)地分布不均，是一種介于硬巖和軟巖之間的巖層，在我國很多城市中都有分布。我國盾構(gòu)技術(shù)起步時間不長，目前適用的盾構(gòu)機(jī)大部分是從德國和日本進(jìn)口，地質(zhì)條件差異使進(jìn)口盾構(gòu)機(jī)在全斷面風(fēng)化砂巖施工時常常出現(xiàn)刀具不適應(yīng)地層條件的問題，嚴(yán)重影響了掘進(jìn)效率。

雖然地鐵掘進(jìn)過程中刀具的磨損問題已經(jīng)引起關(guān)注，但由于現(xiàn)場條件限制，要對具體磨損進(jìn)行測量并對刀具的適應(yīng)性進(jìn)行評價尤為困難。針對全斷面砂巖中刀具適應(yīng)性的問題，以南京地鐵3號線工程為背景，對盾構(gòu)施工中的刀具更換頻繁問題進(jìn)行分析，提出關(guān)于刀具選擇和布置方面的建議。

2 工程概況

2.1 區(qū)間概況

南京地鐵3號線勝太西路站—天元西路站盾構(gòu)區(qū)間總長約2 575 m，自2012年開始施工，目前雙線已成功貫通。區(qū)間場地屬于侵蝕堆積崗地貌，該區(qū)段近地表主要分布可塑-硬塑的粉質(zhì)黏土，底部主要為風(fēng)化的泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。盾構(gòu)埋深最深處約30 m，盾構(gòu)隧道主要穿越K1g-3中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，部分夾雜K1g-2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（見圖1）。

2.2 盾構(gòu)機(jī)及刀盤

該區(qū)間采用的是S-425及S-426復(fù)合型土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)配備的刀盤為輪輻式復(fù)合刀盤（見圖2），共配備19把雙刃滾刀、68把齒刀等。刀盤的外徑設(shè)計為6 400 mm，比盾體外徑6 390 mm略大。盾體呈前大后小錐形，便于盾構(gòu)在推進(jìn)時減少盾殼與圍巖的摩擦；刀盤轉(zhuǎn)速為0～2.5 r/min，由液壓系統(tǒng)無級調(diào)速。

此區(qū)間隧道主要穿越中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層地質(zhì)，盾構(gòu)首先通過滾刀進(jìn)行破巖，滾刀選用傳統(tǒng)雙刃盤形滾刀。滾刀的超前量大于切刀的超前量[3]（滾刀比刮刀高35 mm，滾刀刃間距為100 mm），在滾刀磨損后仍能避免切刀進(jìn)行破巖，確保切刀的使用壽命。

2.3 換刀情況

在該區(qū)間開始掘進(jìn)的700 m內(nèi)，右線共計換刀6次，換刀較為頻繁，具體參數(shù)見表1。

圖1 盾構(gòu)穿越土層示意圖

圖2 盾構(gòu)機(jī)刀盤

表1 右線換刀情況

從表1可以看出，由于刀盤在堅硬的全斷面砂巖中掘進(jìn)，導(dǎo)致刀具磨損過快，右線刀盤平均每113 m換刀1次，嚴(yán)重影響了盾構(gòu)施工進(jìn)度。換刀時發(fā)現(xiàn), 在中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層，刀具的磨損主要體現(xiàn)在滾刀的磨損上，而滾刀的磨損及損壞狀況主要有正常磨損、偏磨、刀具損壞、軸承損壞等。

利用更換刀具的機(jī)會對所有滾刀的磨損量進(jìn)行測量，進(jìn)一步研究刀盤上不同滾刀的磨損狀況。

為方便盾構(gòu)刀盤的磨損統(tǒng)計分析，對刀具按工程實際情況編號（見圖3）。雙刃刀具各刀刃各有編號，共19把滾刀，編號依次為1—38，其中1—26為正滾刀，27—38為邊刀。

所有滾刀歷次換刀時的磨損量統(tǒng)計見圖4。

從6次換刀的磨損量統(tǒng)計可以看出，不同刀具的磨損量不同，有的相差較大。雖然歷次換刀時磨損量大的滾刀編號也不相同，但總體上編號較大的滾刀磨損量更大。為了明確各刀具的磨損程度，計算各滾刀6次換刀的平均磨損量（見圖5）。

圖3 滾刀編號

圖4 右線滾刀歷次換刀磨損量統(tǒng)計

刀盤上各滾刀的平均磨損量顯示出明顯的規(guī)律性變化。編號越小的滾刀平均磨損量越小，隨著編號的增加，滾刀磨損程度呈逐漸增加的趨勢。1—12號滾刀的平均磨損量小于10 mm，其中1—6號的磨損量小于5 mm；13—22號滾刀的平均磨損量在10～15 mm；23—30號滾刀的平均磨損量在15～20 mm；編號大于30的滾刀平均磨損量在10～15 mm?？梢钥闯?，不同位置的滾刀磨損量相差可達(dá)6倍以上。

根據(jù)目前刀具磨損程度的常用劃分方法[4]， 0～5 mm 為Ⅰ級輕微磨損；5 ～1 0 m m 為Ⅱ級輕度磨損； 10～15 mm為Ⅲ級中度磨損； 15～20 mm 為Ⅳ級重度磨損；20 mm以上為Ⅴ級嚴(yán)重磨損。在全斷面砂巖中掘進(jìn)的盾構(gòu)刀盤上顯示出從Ⅰ—Ⅳ級的4種不同磨損等級。盾構(gòu)滾刀磨損程度示意見圖6，圖中深色區(qū)域表示磨損比較嚴(yán)重，淺色表示輕微磨損。

由圖6可知，越靠近刀盤中心區(qū)域的滾刀磨損程度越輕，刀盤外圍區(qū)域的滾刀磨損程度明顯嚴(yán)重。滾刀正常磨損更換的原則為：正滾刀磨損15～20 mm、邊刀磨損10～15 mm，換刀時主要更換外圍正滾刀和邊刀。刀具的磨損會隨著刀具掘削里程的增加而增大。刀盤外圍的刀具由于切削路線長、線速度大，因而磨損快、易折斷、壽命短。每次磨損最嚴(yán)重的都是盾構(gòu)刀盤外圍的滾刀，因此外圍滾刀的耐磨性能決定了盾構(gòu)刀盤更換的周期。

3 滾刀刀具更換

圖5 右線滾刀平均磨損量

圖6 右線滾刀磨損程度示意圖

綜合以上分析可知，雙刃盤形滾刀對于全斷面砂巖的適應(yīng)性較差，尤其是處于刀盤外圍的滾刀磨損量大，導(dǎo)致?lián)Q刀過快，嚴(yán)重增加了施工成本、延遲了施工進(jìn)度。為解決這一問題，盾構(gòu)左線引進(jìn)新型雙刃球齒滾刀替代了常規(guī)雙刃盤形滾刀（見圖7）。

雙刃球齒滾刀刀圈是由帶有球齒的刀圈改進(jìn)而來，提高了滾刀的耐磨性能，有效減少了因磨損帶來的頻繁換刀。雙刃球齒滾刀相對于普通盤形滾刀，在推力和扭矩作用下，堅硬巖層先行磨損球齒，而后磨損機(jī)理與盤形滾刀一樣。球齒相當(dāng)于給刀圈增加了一個保護(hù)層，只有在球齒磨損非常嚴(yán)重后刀圈才會進(jìn)一步發(fā)生磨損?？梢?，雙刃球齒滾刀比雙刃盤形滾刀具有更強(qiáng)的耐磨性能。

從實際效果來看，左線使用新的雙刃球齒滾刀后掘進(jìn)效率明顯提高，左線換刀情況見表2。

圖7 雙刃盤形滾刀與雙刃球齒滾刀

更換球齒滾刀后，盾構(gòu)平均167 m換刀1次，比之前的113 m長度明顯增加，換刀次數(shù)也從6次減少到4次?？偩蜻M(jìn)時間從之前的187 d縮短至151 d，而刀具更換的總成本幾乎不變，體現(xiàn)出選擇雙刃球齒滾刀在全斷面砂巖中掘進(jìn)的優(yōu)越性。

表2 左線換刀情況

對比右線（雙刃盤形滾刀）和左線（雙刃球齒滾刀）刀具的平均磨損量可以看出，換刀時球齒滾刀的磨損量高于盤形滾刀，說明當(dāng)發(fā)生較大磨損時球齒滾刀仍可繼續(xù)掘進(jìn)，耐磨性更強(qiáng)。

4 滾刀布置優(yōu)化

使用雙刃球齒滾刀后，盾構(gòu)在堅硬砂巖中的掘進(jìn)效率明顯提高，換刀次數(shù)明顯減少。但從更換刀具后各滾刀的平均磨損量來看（見圖8），刀盤上不同位置滾刀的磨損情況仍有差別，中心區(qū)域滾刀的磨損量仍明顯小于外圍區(qū)域的滾刀。這顯然不利于發(fā)揮所有滾刀的作用，對刀盤破巖能力也有影響。

造成滾刀磨損量相差較大的原因與刀具的布置有關(guān)。該區(qū)間使用的盾構(gòu)刀盤上將正滾刀集中布置于刀盤的1條軸線上，其余6塊輪輻板上只在邊緣處各布置了1把雙刃滾刀。這種布置方法便于機(jī)械制造，但由于滾刀布置過于集中就會導(dǎo)致磨損不均，因此提出對滾刀布置的優(yōu)化建議。

關(guān)于土壓平衡盾構(gòu)等復(fù)合盾構(gòu)上刀具的布置方法已有不少相關(guān)研究[5-10]。理論上應(yīng)根據(jù)等磨損量的原則進(jìn)行刀具布置；布置方法主要有阿基米德螺旋線布置法、同心圓布置法、對稱布置法。不論采用何種方法，刀具布置的總思路大致接近：在切削路徑長的刀盤外圍增加刀具數(shù)量，在中心區(qū)域減少刀具數(shù)量。

圖8 左線滾刀平均磨損量

具體布置滾刀時，可先確定臨界半徑r。在刀盤徑向半徑＜r的中心區(qū)域應(yīng)減少刀具數(shù)量；刀盤徑向半徑＞r時，每一切削軌跡布置多把刀具。這樣可以從理論上實現(xiàn)各滾刀的磨損量趨于一致。針對本工程的刀盤，提出滾刀的布置優(yōu)化方案見圖9。在90°、180°相位角的軸線上減少滾刀的數(shù)量，而在45°、135°、225°、315°4個相位角上增加正滾刀數(shù)量。在刀盤徑向半徑＜r的中心區(qū)域內(nèi)，僅布置2把滾刀；而在刀盤徑向半徑＞r的區(qū)域，可按照同心圓布置法在每一切削軌跡布置多把滾刀。優(yōu)化后的雙刃滾刀數(shù)量從19把增加到22把，但刀具分布更均勻，刀盤外圍布置了更多的刀具。

圖9 優(yōu)化后的滾刀布置

在刀具的布置上，不論外圍區(qū)域采用何種方法增加刀具數(shù)量，關(guān)鍵問題是確定出臨界半徑r。r可以根據(jù)刀具磨損系數(shù)計算公式分析確定，但實際情況尤其是地質(zhì)條件千差萬別，理論上的計算結(jié)果在實際中不一定適用，這就需要對工程中盾構(gòu)施工的具體情況進(jìn)行統(tǒng)計分析。根據(jù)本工程的刀具磨損統(tǒng)計結(jié)果，在r＜1.2 m區(qū)域內(nèi)滾刀磨損量很小，所以在此區(qū)域可減少刀具數(shù)量。可見，當(dāng)?shù)侗P在全斷面砂巖這類較堅硬的巖層中掘進(jìn)時，臨界半徑r的取值建議為1.2 m（約等于1/3刀盤半徑）。

5 結(jié)論

（1）在中風(fēng)化砂巖這類較堅硬巖層中進(jìn)行盾構(gòu)施工時，刀盤刀具的選擇非常重要，需要研究作為主要破巖工具的滾刀對地層的適應(yīng)性。

（2）全斷面砂巖中盾構(gòu)施工的實例研究表明，常規(guī)的雙刃盤形滾刀對地層的適應(yīng)性較差，刀具的磨損量大、換刀次數(shù)多。將刀具更換為雙刃球齒滾刀后，對地層的適應(yīng)性明顯提高，換刀次數(shù)減少。

（3）刀盤上不同位置的滾刀磨損量不同，應(yīng)增加刀盤在臨界半徑以外區(qū)域上的刀具數(shù)量。根據(jù)工程的磨損量統(tǒng)計結(jié)果，臨界半徑可定為1/3的刀盤半徑。