泥水平衡盾構(gòu)刀盤掘進(jìn)對比及優(yōu)化建議

于慶增，楊興亞，龍偉漾，趙云沖

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構(gòu)在施工過程中會(huì)遇到各種不同地層，從淤泥、黏土、砂層到軟巖及硬巖等，其中刀盤刀具必須根據(jù)工程地質(zhì)情況進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。

刀盤是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，直接影響盾構(gòu)施工的效率和設(shè)備選型的成敗。刀盤設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮刀盤的結(jié)構(gòu)形式、刀盤開口率、刀具的布置、使用壽命及刀具費(fèi)用等因素對地質(zhì)的適應(yīng)性，在確保開挖面穩(wěn)定的情況下，提高掘進(jìn)速度。

1 工程概況

南寧市軌道交通3 號(hào)線02 標(biāo)11 工區(qū)青秀山站-市博物館站區(qū)間（簡稱青市區(qū)間）位于南寧市良慶區(qū)，區(qū)間起點(diǎn)里程Z（Y）DK20+229.6，終點(diǎn)里程Z（Y）DK22+220.6，采用兩臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)施工。掘進(jìn)穿越地質(zhì)情況主要為：泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、礫石。

針對不同的地質(zhì)情況，左右線掘進(jìn)參數(shù)如表1 所示。

2 掘進(jìn)情況

掘進(jìn)過程中刀盤轉(zhuǎn)速控制1.2～1.5r/min，刀盤轉(zhuǎn)速過慢和過快都不利于渣土在泥水倉內(nèi)外排。轉(zhuǎn)速過慢，不利于渣土切削脫落和外排；轉(zhuǎn)速過快，易造成刀盤異常磨損，增加渣土溫度。

表1 不同地層主要掘進(jìn)參數(shù)

正常掘進(jìn)時(shí)扭矩不允許高于3 000kNm（當(dāng)掘進(jìn)扭矩高于3 000kNm，降低推進(jìn)速度循環(huán)出渣，讓渣土盡量不滯排，降扭矩），扭矩增加主要原因是渣土滯排，造成泥水倉內(nèi)渣土堆積，如不及時(shí)處理，會(huì)造成刀盤異常磨損（反復(fù)磨損）。根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)變化，扭矩增加并不能提高掘進(jìn)速度。掘進(jìn)中需觀察泥巖掘進(jìn)扭矩參數(shù)規(guī)律，及時(shí)循環(huán)，降低倉內(nèi)渣土堆積。

2.1 左線施工情況

其中左線區(qū)間共1 325 環(huán)，約1 987m，區(qū)間地質(zhì)斷面圖如圖1 所示。

圖1 區(qū)間左線地質(zhì)斷面圖

左線區(qū)間盾構(gòu)刀盤采用六主梁+六副梁復(fù)合形式，刀盤面板設(shè)置5 個(gè)噴射孔和注水孔，中心撕裂刀采用一字型布置形式。從2017 年2 月始發(fā)掘進(jìn)，到2018 年1 月左線貫通，掘進(jìn)歷時(shí)11 個(gè)月，平均月掘進(jìn)180m，掘進(jìn)過程中共進(jìn)倉更換刀具6 次。左線盾構(gòu)始發(fā)及出洞如圖2、圖3 所示。

圖2 左線盾構(gòu)始發(fā)

2.2 右線施工情況

右線區(qū)間共1 335 環(huán)，約2 002m，區(qū)間地質(zhì)斷面圖如圖4 所示。

圖4 區(qū)間右線地質(zhì)斷面圖

右線盾構(gòu)刀盤采用四主梁+四面板復(fù)合形式，從2017 年4 月中旬始發(fā)掘進(jìn)，到2018 年1月右線貫通，掘進(jìn)歷時(shí)8.5 個(gè)月，平均月掘進(jìn)235m，掘進(jìn)過程中共進(jìn)倉更換刀具5 次，比左線刀盤少一次進(jìn)倉換刀。右線盾構(gòu)始發(fā)和出洞如圖5、圖6 所示。

圖5 右線盾構(gòu)始發(fā)

圖6 右線盾構(gòu)出洞

3 刀盤刀具設(shè)計(jì)對比

針對左右線兩種不同刀盤，從刀盤的結(jié)構(gòu)形式、刀盤開口率、刀具的布置和刀具的磨損、刀盤噴口的布置形式4 個(gè)方面對左右線刀盤進(jìn)行對比分析，同時(shí)結(jié)合掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 刀盤結(jié)構(gòu)形式

如圖7 所示，左線區(qū)間盾構(gòu)刀盤采用六主梁+六副梁復(fù)合形式，主軸承傳動(dòng)扭腿分別安裝在刀盤“米字”結(jié)構(gòu)主梁上，力矩由主電機(jī)傳動(dòng)給主軸承，主軸承通過扭腿傳遞給刀盤主梁，主梁帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，這種傳力結(jié)構(gòu)對中心圈梁要求較低。采用可拆卸扭腿結(jié)構(gòu)，減少扭腿焊接變形量。刀盤主體材料為Q345B，刀盤外圈大圓環(huán)板厚度120mm，刀盤內(nèi)圓環(huán)筋板厚度100mm，輪輻板厚度70mm。通過有限元軟件進(jìn)行刀盤靜力學(xué)分析，刀盤最大應(yīng)力點(diǎn)約200MPa，出現(xiàn)在副梁板與內(nèi)圓環(huán)筋焊接處。刀盤背部均布焊接3 根主動(dòng)攪拌棒。

如圖8 所示，右線盾構(gòu)刀盤采用四主梁+四面板復(fù)合形式，刀盤主體材料為Q345B，刀盤外圈大圓環(huán)板厚度120mm，刀盤內(nèi)圓環(huán)筋板采用組合焊接形式，輪輻板厚度80mm。扭腿結(jié)構(gòu)采用焊接形式，刀盤法蘭與扭腿焊接后去應(yīng)力處理，再機(jī)加工刀盤法蘭。通過有限元軟件進(jìn)行刀盤靜力學(xué)分析，刀盤最大應(yīng)力點(diǎn)約165MPa，出現(xiàn)在扭腿與內(nèi)圓環(huán)筋焊接處。刀盤背部焊接2 根加強(qiáng)型主動(dòng)攪拌棒。

圖7 左線盾構(gòu)刀盤背部

圖8 右線盾構(gòu)刀盤背部

通過有限元對比分析，右線盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比左線盾構(gòu)刀盤要小，具有更大更合理結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。

3.2 刀盤開口率

刀盤開口率對泥水倉壓力、刀盤扭矩和盾構(gòu)出土率等都有明顯影響。刀盤開口率越小，開挖面前方的土體越不容易進(jìn)入泥水倉，在刀盤面板沖刷不充分的情況下，容易在刀盤中心面板位置產(chǎn)生泥餅。

不同的土層條件也會(huì)決定刀盤開口率的大小。在泥巖和砂礫地層中過小的開口率會(huì)造成刀盤面板處產(chǎn)生泥餅；造成刀盤扭矩急劇上升，甚至出土困難，使盾構(gòu)不能正常掘進(jìn)。

如圖9 所示，左線區(qū)間盾構(gòu)刀盤整體開口率約為38%；如圖10 所示，右線盾構(gòu)刀盤整體開口率約為43%。在整個(gè)掘進(jìn)過程中，左線盾構(gòu)開口率較小，有輕微結(jié)泥餅現(xiàn)象，但刀盤扭矩未增大；右線盾構(gòu)未出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象。右線盾構(gòu)整個(gè)掘進(jìn)區(qū)間比左線盾構(gòu)少進(jìn)倉更換一次刀具，與右線刀盤的開口率大存在必然的聯(lián)系。因?yàn)橛揖€刀盤較大的開口率可以使渣土更好的進(jìn)入刀盤內(nèi)部，減少渣土對刀盤、刀具的二次磨損。

圖9 左線刀盤開口率

圖10 右線刀盤開口率

左線盾構(gòu)刀盤由于中心刀具周邊無開口，在掘進(jìn)時(shí)出現(xiàn)刀具脫落的問題。左線刀盤中心撕裂刀采用一字型布置形式，中心撕裂刀具周邊幾乎無出渣口，左線可更換撕裂刀在掘進(jìn)時(shí)，由于泥漿進(jìn)入不了刀盤面板前部易結(jié)成泥餅，在含沙量較大泥巖地層，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)泥餅與刀盤面板擠壓磋磨，造成焊縫磨損，在圓礫地層，由于撞擊導(dǎo)致刀具脫落，脫落后卡在刀盤某部位，刀盤在切削過程中，造成刀體磨損和刀頭異常磨損（圖11）。

3.3 刀具布置和磨損形式

左右線盾構(gòu)刀盤刀具布置見表2。

圖11 左線刀盤中心開口及脫落刀具

表2 左右線盾構(gòu)刀盤刀具布置

左線盾構(gòu)正面貝殼刀與切刀的刀高差為50mm，右線盾構(gòu)正面貝殼刀與切刀的刀高差為35mm。在此區(qū)間掘進(jìn)，左、右線盾構(gòu)刀具設(shè)計(jì)不同的刀具高度差都適應(yīng)了地質(zhì)的變化。

區(qū)間比較典型的粉砂巖和鈣質(zhì)泥巖，固結(jié)成巖狀，弱～中透水。在此地質(zhì)條件下掘進(jìn)，左右線刀盤正面和邊緣均采用滾刀掘進(jìn)，正面滾刀壽命約為150 環(huán)（磨損量20mm）。更換多個(gè)知名刀具品牌廠家的滾刀，滾刀壽命沒有明顯改善。

經(jīng)與南寧地區(qū)其他項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)對比，南寧地區(qū)類似地層滾刀的壽命在400 環(huán)左右，此區(qū)間刀具壽命明顯偏低，在軟硬不均地層出現(xiàn)偏磨等異常損壞現(xiàn)象，如圖12、圖13 所示。后期項(xiàng)目部開倉時(shí)在刀盤面板增加3～5 把與滾刀同軌跡的焊接撕裂刀，刀高低于滾刀刀高20mm，中心和正面滾刀偏磨現(xiàn)象有較好的改善，同時(shí)正面刀具壽命提高至250 環(huán)（磨損量20mm）。

增加與正面滾刀同軌跡的焊接撕裂刀，刀高低于滾刀刀高10～20mm，焊接撕裂刀可以及時(shí)將滾刀擠壓破碎的巖塊清除，對滾刀起到保護(hù)作用，減少滾刀的磨損和異常損壞的概率。

圖12 滾刀正常磨損

圖13 滾刀異常損壞

3.4 刀盤噴口布置

右線區(qū)間盾構(gòu)刀盤沖刷設(shè)計(jì)（圖14）為2 個(gè)泥漿噴口，集中在中心部位，掘進(jìn)中經(jīng)常出現(xiàn)泥漿噴口完全堵塞的情況，采用高壓水沖洗堵塞情況改善不明顯。

左線區(qū)間盾構(gòu)刀盤沖刷設(shè)計(jì)（圖15）為5 個(gè)泥漿噴口，均勻分布在刀盤中心與周邊，噴口數(shù)量較右線區(qū)間噴口數(shù)量多。掘進(jìn)過程中雖有部分噴口同樣出現(xiàn)堵塞的情況，但噴口數(shù)量較多沒有出現(xiàn)完全堵塞的情況。表3 為左、右線盾構(gòu)刀盤參數(shù)對比。

圖14 右線盾構(gòu)刀盤沖刷設(shè)計(jì)

圖15 左線盾構(gòu)刀盤沖刷設(shè)計(jì)

表3 左、右線盾構(gòu)刀盤參數(shù)對比

4 結(jié)論

通過對比分析南寧地鐵左右線兩種刀盤的設(shè)計(jì)理念和左右線兩種刀盤掘進(jìn)效果，提出在類似地質(zhì)條件下刀盤刀具設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

1)在類似地層中，刀盤開口率適當(dāng)加大可避免泥餅的產(chǎn)生，刀盤開口率在40%～45%比較理想，同時(shí)中心刀具位置設(shè)置有出渣口可以減少中心刀具的異常損壞。

2)增加與滾刀同軌跡的焊接撕裂刀可以及時(shí)清除積渣，減少滾刀異常損壞和延長滾刀的使用壽命。

3)刀盤噴口的布置盡量均勻，刀盤泥漿噴口數(shù)量在3～5 個(gè)為宜。