富水砂卵石地層盾構(gòu)刀具磨損原因及改進(jìn)

韓偉，王余鵬，石端文

1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000

0 引言

在富水砂卵石地層中進(jìn)行地鐵隧道開(kāi)挖作業(yè)，刀具的磨損非常嚴(yán)重，這不僅影響盾構(gòu)設(shè)備的使用壽命，而且更換刀具過(guò)程繁瑣，中途開(kāi)倉(cāng)很可能造成作業(yè)面塌方，使施工中斷，總施工時(shí)間延長(zhǎng)，施工成本增加，甚至危及生命[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)盾構(gòu)刀具磨損的研究不多，國(guó)際上也沒(méi)有較好的定量評(píng)價(jià)富水砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)刀具磨損的方法。因此，研究如何減少砂卵石層上的刀具磨損，確定刀具挖掘富水砂卵石地層的最大距離，可以為建造大型長(zhǎng)距離富水砂卵石隧道提供參考依據(jù)[2-3]。

1 工程概況

該工程為福州地鐵某富水砂卵石標(biāo)段，地質(zhì)條件復(fù)雜，從地面往下依次為素填土，粉質(zhì)黏土，砂質(zhì)粉土，粉細(xì)沙層，粉質(zhì)黏土，淤泥，淤泥質(zhì)土，淤泥夾砂，淤泥質(zhì)中粗砂，粗中砂，卵石圓礫層，全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，中等、微風(fēng)化花崗巖，富水砂卵石地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1(圖中單位為m)，砂卵石地層開(kāi)挖狀態(tài)見(jiàn)圖2。

圖1 富水砂卵石地質(zhì)剖面 圖2 富水砂卵石地層開(kāi)挖狀態(tài)

工程所處位置普遍存在地表水豐富、承壓水位高、滲透性強(qiáng)等特點(diǎn)。面板式土壓盾構(gòu)機(jī)在砂、卵石圓礫層掘進(jìn)過(guò)程中，隨著刀盤(pán)扭矩的增大，泡沫和膨潤(rùn)土量的增加，渣土中的含水量顯著增加，排渣變熱，當(dāng)?shù)侗P(pán)進(jìn)入326環(huán)時(shí)，切削刀盤(pán)扭矩急劇增加，千斤頂?shù)耐屏眲∩仙?5 MN，接近盾構(gòu)機(jī)最大推力16 MN。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至329環(huán)時(shí)，推進(jìn)時(shí)間劇增至210 min。此時(shí)，刀盤(pán)振蕩范圍很小，無(wú)法繼續(xù)掘進(jìn)，為確保安全只能降低刀盤(pán)扭矩及推進(jìn)速度。

盾構(gòu)機(jī)停止前的320～329環(huán)的刀盤(pán)扭矩、推力、推進(jìn)時(shí)間等掘進(jìn)參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)機(jī)停止前各環(huán)位置掘進(jìn)參數(shù)

2 刀具磨損原因分析

檢查盾構(gòu)刀盤(pán)，外周邊刀已完全磨損，第一排齒刀(切削刀)嚴(yán)重磨損。刀具的磨損系數(shù)

k=δ/L，

(1)

式中：δ為刀具實(shí)測(cè)最大磨損，δ=138.38 mm；L為切削刀切削軌跡長(zhǎng)，L=πDl/d，其中，D為刀盤(pán)直徑，D=6 m，l為盾構(gòu)推進(jìn)距離，l=390 m，d為盾構(gòu)每轉(zhuǎn)推進(jìn)距離，d=0.03 m。

計(jì)算得：k=0.565 mm/km。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的磨損系數(shù)最大不超過(guò)0.052 mm/km[4],如表2所示，本標(biāo)段的磨損系數(shù)已經(jīng)達(dá)到其10倍多，必將影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)施工[5]。針對(duì)刀具磨損的原因進(jìn)行分析。

表2 不同土質(zhì)盾構(gòu)刀具的磨損系數(shù)

1)刀盤(pán)所在地層的土體性能不穩(wěn)定。砂卵石地層結(jié)構(gòu)松散、顆粒大小不等，顆粒間無(wú)膠結(jié)，在福州富水地區(qū)尤為明顯，卵石顆粒之間以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式傳力，內(nèi)摩擦角大，刀盤(pán)掘進(jìn)過(guò)程中摩擦力大，加快了刀盤(pán)的磨損[6]。2)添加劑的添加比例不當(dāng)。泥漿和泡沫作為本標(biāo)段的添加劑，泥漿、泡沫及渣土的體積比約為3:4:10，按此比例添加泥漿和泡沫后，土體的坍落度為14 cm，對(duì)富水砂卵石地質(zhì)的改良效果不明顯。3)所選刀盤(pán)形式不當(dāng)。砂卵石地層土的流動(dòng)性差，采用的面板式刀盤(pán)開(kāi)口率(刀盤(pán)開(kāi)口區(qū)域面積與刀盤(pán)總面積的比)小，容易造成刀盤(pán)卡死無(wú)法推進(jìn)的現(xiàn)象[7-9]。

3 盾構(gòu)刀具減磨技術(shù)措施

3.1 添加劑

通常，當(dāng)開(kāi)挖地層渣土的細(xì)顆粒(顆粒尺寸小于0.075 mm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%時(shí)，應(yīng)注入泥漿予以補(bǔ)充。在施工作業(yè)環(huán)境下選擇原狀土進(jìn)行顆粒分析和試驗(yàn)，福州地鐵砂、卵石地層細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為5%，有必要添加黏土來(lái)補(bǔ)充細(xì)顆粒，以改善土壤性能，從而改善土壓平衡盾構(gòu)施工作業(yè)環(huán)境。施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，添加泥漿可以提高切削渣土的流動(dòng)性，改善掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)扭矩過(guò)大的情況。但若泥漿的添加量過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致土倉(cāng)中的大卵石沉入土倉(cāng)的底部，引起離析，當(dāng)重新啟動(dòng)時(shí)，刀盤(pán)將被鎖定不能旋轉(zhuǎn)。由文獻(xiàn)[10-12]可知，泡沫在改善渣土可塑性和和易性方面效果明顯，為滿(mǎn)足施工要求，仍選擇泥漿與泡沫作為添加劑，重點(diǎn)是選擇合適的泥漿與泡沫的添加比例。

1)先添加適量泥漿。泥漿主要由膨潤(rùn)土、水、粉煤灰和高效減水劑組成，質(zhì)量比為：m(膨潤(rùn)土)∶m(水)∶m(粉煤灰)∶m(高效減水劑)= 1∶6∶1∶0.02。通過(guò)試驗(yàn)，當(dāng)每m3的渣土中添加150 L泥漿時(shí)，土壤中細(xì)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25%左右，土壤性能良好[13-16]。

2)泡沫。使用含有陰離子表面活性劑的泡沫(包含磺酸基發(fā)泡劑和酸性甲基纖維素基黏合劑的添加劑)。每m3的渣土中添加350 L泡沫添加劑，為便于觀察泡沫的穩(wěn)定，將改性土壤置于大容量量筒中，觀察體積變化以確定泡沫的消散程度。測(cè)試結(jié)果表明：土壤5 min內(nèi)的平均收縮率為2.25%，4 h內(nèi)為8.5%，可以滿(mǎn)足防護(hù)罩對(duì)氣泡的穩(wěn)定性要求[17]。

改進(jìn)添加劑配比后，通過(guò)坍落度試驗(yàn)檢驗(yàn)添加劑對(duì)土壤的改良效果，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)泥漿、泡沫及渣土的體積比約為3∶7∶20時(shí)，土體的坍落度達(dá)20 cm，土體的和易性、流動(dòng)性均滿(mǎn)足土壓盾構(gòu)施工要求。

3.2 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式及刀具配置

盾構(gòu)刀具切削圍巖的過(guò)程實(shí)際上是機(jī)械系統(tǒng)與土壤的相互作用[18]，刀具的磨損不僅與所在地層的土體性質(zhì)有關(guān)，還與刀盤(pán)的形式和刀具的布置有關(guān)。

3.2.1 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

1)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式

常見(jiàn)刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式有面板式和輻條式2種，如圖3所示。泥水盾構(gòu)通常采用刀盤(pán)開(kāi)口率小的面板式，土壓平衡盾構(gòu)可選用面板式和輻條式。

a)輻條式 b) 面板式圖3 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式

2)刀盤(pán)特點(diǎn)

面板式刀盤(pán)通常受3個(gè)開(kāi)挖面水土壓力，即挖掘表面和面板之間的壓力P1，面板的開(kāi)口與進(jìn)出口之間的壓力P2，以及面板和封閉的機(jī)艙內(nèi)壁之間(土壓力表)的壓力P3，P3=P1-P2。因面板式刀盤(pán)開(kāi)口率低，P2難以確定，難以控制開(kāi)挖面的平衡壓力。面板式刀盤(pán)開(kāi)挖面的土壤受面板開(kāi)口率的影響，不容易進(jìn)入密閉的土倉(cāng)內(nèi)，容易黏結(jié)和阻塞。

輻條式刀盤(pán)只有1個(gè)開(kāi)挖面壓力，封閉艙室中土壓力計(jì)的壓力等于開(kāi)挖面的壓力，因此很容易控制開(kāi)挖面的平衡壓力[19]。輻條式面板只有幾個(gè)輻條，且在輻條后面有一個(gè)攪拌葉片，沉淀物流動(dòng)順暢，不易堵塞[20-21]。

結(jié)合兩種刀盤(pán)的形式特點(diǎn)和福州地鐵砂卵石地層的地質(zhì)條件，本工程改選用輻條式刀盤(pán)。

3.2.2 刀具的種類(lèi)及切削原理

1)刀具種類(lèi)及特點(diǎn)

盾構(gòu)機(jī)刀具主要分為切削刀和滾刀，滾刀適用于堅(jiān)硬巖層，由于該標(biāo)段鐵盾構(gòu)施工地層為砂卵石地層，故重點(diǎn)分析切削刀。

切削刀種類(lèi)主要有主、副切削刀，主超前刀(先行刀)，魚(yú)尾刀，盤(pán)圈貝型刀，刮刀等。

主、副切削刀采用高、低配置(高、低刀)，如圖4a)所示，圖中H為主副切削刀配置高差。隨著刀盤(pán)在開(kāi)挖面不斷旋轉(zhuǎn)，主切削刀插人地層內(nèi)部并不斷深入，主切削刀刃和刀頭沿盾構(gòu)前進(jìn)方向以一定角度像犁耙耕地一樣深入地層并切削土體，如圖4b)所示。副切削刀在主切削刀切削土體后，切削主切削刀漏切削部分的土體，提高切削工作效率。圖4中γ、δ分別為主切削刀的前角與后角，t為切入深度。

a)主、副切削刀 b)主切削刀切削土體圖4 主、副切削刀切削土體示意圖

a)主超前刀 b)主切削刀與主超前刀布置圖5 主超前刀及與主切削刀的布置示意圖

在主切削刀切削土體前，主超前刀首先將土體切割成塊狀，以降低主切削刀的切削難度。主超前刀的切削寬度比主切削刀窄，切削效率高[22-23]，能大大提高切割土體的流動(dòng)性，降低主切削刀的扭矩，減少刀具的磨損，主超前刀及與主切削刀的布置如圖5所示。

魚(yú)尾刀位于刀頭的中心，如圖6所示，魚(yú)尾刀與其他刀具不同，突出于整個(gè)刀盤(pán)平面，因此，魚(yú)尾刀首先切削土體，刀具圓心進(jìn)入土體后，整個(gè)刀盤(pán)再全面進(jìn)入土體，擴(kuò)大了切削面積。魚(yú)尾刀的根部設(shè)計(jì)成錐形，當(dāng)?shù)额^旋轉(zhuǎn)時(shí)，由魚(yú)尾刀切割的土體類(lèi)似圓規(guī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)[24]，不僅能防止中心區(qū)域漏切，而且增強(qiáng)了切削渣土的流動(dòng)性，降低了盾構(gòu)機(jī)的卡死率。

圖6 魚(yú)尾刀切削土體示意圖 圖7 盤(pán)圈貝型刀示意圖 圖8 刮刀示意圖

盤(pán)圈貝型刀實(shí)質(zhì)上也是超前刀，如圖7所示，在刀盤(pán)周邊外端使用盤(pán)圈貝型刀可以提高在砂卵石地層的切削效果。

刮刀布置在刀盤(pán)面板或輻條兩側(cè)，布置在刀盤(pán)邊緣時(shí)稱(chēng)周邊刮刀，可以提高在砂卵石地層的切削效率，修整開(kāi)挖面輪廓[25]。刮刀的示意圖如圖8所示。

2)切削原理

切削基本過(guò)程：通過(guò)刀面的擠壓作用，被開(kāi)挖面產(chǎn)生土體壓應(yīng)力和土體變形，切削刀頭的前端刀刃先行切入土體，并沿刀刃運(yùn)動(dòng)方向使開(kāi)挖面土體分離，大塊的土體被分割脫離母體，并隨著刀面的擠壓作用再次產(chǎn)生變形形成土屑。切削過(guò)程中切削刀頭主要沿開(kāi)挖面和切削面做2個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，前者起到分割脫離母體的作用，后者起到減小土體厚度的作用，如圖9所示，圖中H′為刀盤(pán)與切削面的距離，vx、vz分別為切削刀的切向與法向速度。

圖9 切削原理

3.2.3 盾構(gòu)刀具的布置

輻條式刀盤(pán)刀具的布置形式主要由牙型交錯(cuò)連續(xù)排列方式與整體連續(xù)排列方式，如圖10所示。牙型交錯(cuò)連續(xù)排列方式切削阻力較小，切削效率較好，密閉艙內(nèi)的土體流動(dòng)性好，易于攪拌，在設(shè)計(jì)和配置刀具時(shí)，應(yīng)注意使刀具高低交錯(cuò)配置。而整體連續(xù)排列方式在密閉艙中抗切割性較好，土體流動(dòng)性較差[26]。

a)牙型交錯(cuò)連續(xù)排列 b)整體連續(xù)排列 圖10 輻條式刀盤(pán)刀具的兩種排列形式

分析對(duì)比后，福州地鐵砂卵石地層土壓盾構(gòu)施工選用輻條式刀盤(pán)，刀盤(pán)宜設(shè)置主、副切削刀，主超前刀，魚(yú)尾刀，盤(pán)圈貝型刀，周邊刮刀等刀具，刀具采用牙型交錯(cuò)連續(xù)排列方式。

4 砂卵石地層刀具磨損量測(cè)與分析

福州地鐵某標(biāo)段采用土壓盾構(gòu)機(jī)施工，采用泥漿、泡沫、渣土的體積比為3:7:20，IHI輻條式刀盤(pán)直徑為6 m，4根輻條呈十字布置，開(kāi)口率大。每根輻條上配置主、副切削刀高、低布置，其高低差為20～30 mm，主超前刀(先行刀)位于主、副切削刀之間，見(jiàn)圖11。刀盤(pán)中心安有一把魚(yú)尾刀，盤(pán)圈貝型刀布置在刀盤(pán)盤(pán)圈前端，周邊刮刀位于刀盤(pán)外側(cè)與盤(pán)圈貝型刀相鄰。

圖11 IHI輻條式刀盤(pán)刀具配置

對(duì)砂卵石地層磨損較大的主超前刀、主切削刀、周邊刮刀等刀具的磨損情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，同時(shí)測(cè)量刀盤(pán)左、右側(cè)主切削刀(高刀)、副切削刀(低刀)的磨損。對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，作一元線(xiàn)性回歸，并繪制各刀具磨損量與切削軌跡的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖12所示，圖中散點(diǎn)為實(shí)測(cè)相應(yīng)刀具的磨損量。

圖12中某些測(cè)量數(shù)據(jù)明顯偏離擬合線(xiàn)，主要原因是刀盤(pán)輻條上的切削刀具意外損壞導(dǎo)致測(cè)量磨損量出現(xiàn)偏差(見(jiàn)圖12c))；刀盤(pán)布置刀具數(shù)量太少，使測(cè)量的磨損量偏差過(guò)大(見(jiàn)圖12f)、g))。

圖12中直線(xiàn)的斜率代表刀具的平均磨損系數(shù)，斜率越大，平均磨損系數(shù)越大。由圖12a)、b)、c)可知：主超前刀的磨損系數(shù)為0.025 3 mm/km，比周邊刮刀和主切削刀的磨損系數(shù)大，主要是因?yàn)橹鞒暗断刃羞M(jìn)入土體，切入土體較深，受扭矩和摩擦的影響較大；同理，主切削刀的磨損系數(shù)較周邊刮刀略大。

磨損系數(shù)大并不一定表示磨損量大，雖然主超前刀的磨損系數(shù)比周邊刀大，但由于周邊刮刀布置在半徑較大的外側(cè)，切削軌跡長(zhǎng)，其磨損量大于主超前刀；主超前刀布置在主、副切削刀之間，切削軌跡與主、副切削刀近似相同，切削對(duì)象為主卵石層，切削深度大，刀具更易磨損，所以具有更大的磨損量和磨損系數(shù)，如圖12a)、d)～g)所示。一般主切削刀的磨損量大于副切削刀，對(duì)應(yīng)的磨損系數(shù)也大[27-30]。所以磨損量與切削路徑有關(guān)，路徑不同，磨損量則不同。

圖12 各刀具磨損量與切削軌跡長(zhǎng)度的關(guān)系

改進(jìn)后刀具的平均磨損系數(shù)約為0.013 mm/km，明顯小于0.565 mm/km。

5 結(jié)語(yǔ)

1)福州地鐵某標(biāo)段施工中，采用泥漿、泡沫、渣土的體積比為3:7:20，改善了土壤性能，同時(shí)，采用輻條式刀盤(pán)代替原面板式刀盤(pán)，并優(yōu)化刀盤(pán)上刀具的布置后，刀具的平均磨損系數(shù)由0.565 mm/km降低到0.013 mm/km，完全可以在不更換刀具的情況下對(duì)約2 km的富水砂卵石地層進(jìn)行連續(xù)開(kāi)挖。

2)在富水砂卵石地層中，如果選擇硬度較高的高刀合金刀頭，磨損率會(huì)大幅降低；切削刀頭的作用是剝離土體而不是切削土體，若刀頭能適當(dāng)變鈍，則可以提高其抗扭性，減少崩刃的風(fēng)險(xiǎn)。