上軟下硬花崗巖地層盾構(gòu)刀具減磨措施研究*

黃和平

(深圳鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

目前，地下工程施工方法主要包括明挖法、礦山法及盾構(gòu)法，其中，明挖法施工較簡單，但對城市環(huán)境及道路的影響較大，不宜在城市繁華地區(qū)施工；礦山法對施工技術(shù)的要求高，且工期較長、成本較高，同樣不宜在城市繁華地區(qū)施工；盾構(gòu)法因?qū)Φ貙舆m應(yīng)性較好，且對周圍環(huán)境干擾小、安全、高效，已成為城市地下工程施工首選方法。盾構(gòu)作為盾構(gòu)法施工主要機(jī)械，集切削巖土、輸送渣土、襯砌拼裝等功能于一體，具有良好施工便利性。

刀具作為盾構(gòu)掘進(jìn)破碎、切削巖土的關(guān)鍵，近年來，多位學(xué)者對刀具磨損問題進(jìn)行了研究，如楊書江對盾構(gòu)在硬巖地層中的施工適應(yīng)性進(jìn)行了專項研究，掌握了硬巖條件下刀具設(shè)計技術(shù)與布置方法；劉士銘等對現(xiàn)有各類刀具磨損監(jiān)測方法工作原理進(jìn)行了總結(jié)，并分析了磨損信息傳遞特點；劉招偉等提出了上部軟土、下部極硬巖復(fù)合地層盾構(gòu)快速掘進(jìn)方法，解決了復(fù)合地層盾構(gòu)推力大、易結(jié)泥餅、刀具易損壞和破巖效率低等難題；包建新通過分析刀盤、刀具選型和磨損問題,總結(jié)了上軟下硬復(fù)合地層刀盤、刀具優(yōu)化方案。但目前對于刀具磨損的研究主要集中在均質(zhì)巖層，較少涉及上軟下硬復(fù)合地層。實際上，城市地下工程施工過程中常遇上軟下硬復(fù)合地層。因此，本文以深圳地鐵6號線銀湖站—八卦嶺站區(qū)間盾構(gòu)施工為例，對上軟下硬花崗巖地層盾構(gòu)刀具磨損情況進(jìn)行分析評價，提出合適的刀具配置及參數(shù)，并給出刀具檢查和更換頻次。

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

深圳地鐵6號線銀湖站—八卦嶺站區(qū)間隧道左線起訖里程為ZDK6+691.361—ZDK6+783.258，長91.897m；右線起訖里程為YDK6+685.104—YDK6+738.258，長53.154m。區(qū)間線路曲線半徑為500m，線間距13～16.2m。隧道縱向坡度為28‰，軌面標(biāo)高為-0.110～-2.674m，覆土厚17～19m。隧道采用馬蹄形斷面，凈寬5 200mm，凈高5 770mm。

1.2 工程地質(zhì)條件

銀湖站—八卦嶺站區(qū)間存在80%上軟下硬段，主要穿越①5素填土、④10粗砂、④13卵石、⑦1-2硬塑狀礫質(zhì)黏性土、⑧1全風(fēng)化粗粒花崗巖、⑧2-1強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r(砂土狀)、2-1強(qiáng)風(fēng)化碎裂巖(砂土狀)、⑧2-2強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r(碎塊狀)、⑧3中等風(fēng)化粗?；◢弾r。掘進(jìn)范圍上部80%屬于全、強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r，巖層強(qiáng)度30～50MPa，受地下水影響易遇水崩解；下臥巖層為強(qiáng)度60～120MPa的中、微風(fēng)化花崗巖地層。中風(fēng)化花崗巖巖石質(zhì)量指標(biāo)為50%～75%，局部為15%～50%，微風(fēng)化花崗巖巖石質(zhì)量指標(biāo)為75%～95%，屬于典型的上軟下硬地層。

2 施工難點

銀湖站—八卦嶺站區(qū)間地質(zhì)條件復(fù)雜，上軟下硬段下穿運營線，穿越長度達(dá)46m，最小凈距僅1.83m，且上部巖層和下臥巖層強(qiáng)度差異較大，盾構(gòu)掘進(jìn)困難，施工難度大。

上軟下硬地層屬于不良地質(zhì)，盾構(gòu)掘進(jìn)時，由于開挖面巖體強(qiáng)度存在差異，導(dǎo)致刀具作用力分布不平衡，造成刀具磨損、刀頭阻塞、刀盤振動、地表沉降等問題，對盾構(gòu)掘進(jìn)不利。

3 刀具磨損特性

針對地層特點，采用φ6 280mm復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)，刀盤為六輻條+面板形式，可增加刀盤強(qiáng)度。通過受力分析對刀具進(jìn)行合理布置，中心滾刀配置1把4聯(lián)單刃滾刀(1～4號)，刀盤中心區(qū)域配置4把雙聯(lián)雙刃滾刀(5～12號)，刀間距90mm；面板正面配置20把單刃正面滾刀(13～32號)，刀間距75mm；面板周邊配置11把周邊單刃滾刀(33～43號)和2把保徑刀(44，45號)，刀間距16～70mm，可有效破巖。刀盤面及刀具編號如圖1所示。刀盤驅(qū)動功率960kW，刀盤正面及周邊焊接耐磨鋼板，防止刀盤磨損。

圖1 刀具布置示意

上軟下硬地層中刀具普遍存在偏磨現(xiàn)象，且周邊刀磨損尤為嚴(yán)重，部分刀刃甚至出現(xiàn)崩裂、脫落現(xiàn)象。由于最外圈滾刀切削軌跡線較長，故磨損量較刀盤中心位置刀具大。同時，刀具切削產(chǎn)生的高溫?zé)崃渴刮挥诘都苌系酿ね凉探Y(jié)，導(dǎo)致滾刀無法自轉(zhuǎn)，這是造成刀具偏磨的主要原因，刀具磨損情況如圖2所示。

圖2 刀具磨損情況

4 刀具配置優(yōu)化

根據(jù)刀具磨損特性，分2個階段進(jìn)行刀具配置優(yōu)化。

1)第1階段 將1～28，41～43號刀具更換為刀圈洛氏硬度HRC為55～57、沖擊功為30J的高韌性型刀具，將29～40，44～45號刀具更換為刀圈洛氏硬度HRC為60～64、沖擊功為20J的重型刀具，采用土壓平衡模式掘進(jìn)54m(36環(huán))后，到達(dá)主動開倉檢查位置，帶壓開倉檢查刀具，檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 第1階段刀具磨損情況

2)第2階段 將第1階段磨損量較大的15～23，25～28，41～43號刀具更換為刀圈洛氏硬度HRC為60～64、沖擊功為20J的重型刀具，將29～40，44～45號刀具更換為刀圈洛氏硬度HRC為55～57、沖擊功為30J的高韌性型刀具，采用土壓平衡模式掘進(jìn)60m(40環(huán))后，到達(dá)主動開倉檢查位置，帶壓開倉檢查刀具，檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 第2階段刀具磨損情況

由表1，2可知，各刀具均為正常磨損，正面刀磨損量隨著切削軌跡的增加呈遞增趨勢，在變軌跡處達(dá)最大；周邊刀受刀間距影響，磨損量隨著切削軌跡的增加呈遞減趨勢，但總體磨損量差距較小。

由表1可知，對于第1階段，中心區(qū)域滾刀(1～12號)和面板正面滾刀(13～32號)最大磨損量為20mm，其中磨損量>10mm的刀具共16把，占比達(dá)50%；滿足更換條件(磨損量達(dá)15mm)的共7把，占比達(dá)22%。面板周邊刀具(33～45號)最大磨損量為15mm，其中磨損量>10mm的刀具共3把，占比達(dá)23%；滿足更換條件的刀具1把，占比達(dá)8%。受刀圈硬度影響，高韌性型刀具磨損量較重型刀具大2～3mm。

由表2可知，第2階段更換的15～23，25～32號刀具最大磨損量為20mm，其中磨損量>10mm的刀具共4把，占比達(dá)24%；滿足更換條件的刀具共4把，占比達(dá)24%。刀圈硬度提高后，刀具磨損量明顯降低，但在變軌跡處，刀圈硬度變化對刀具磨損量的影響較小。第2階段更換的33～45號刀具最大磨損量為17mm，其中磨損量>10mm的刀具共8把，占比達(dá)62%。隨著刀圈硬度的降低，周邊刀磨損量增大2～3mm。

未出現(xiàn)刀圈偏磨情況，說明在掘進(jìn)參數(shù)基本相同的情況下，刀圈韌性、密封性、啟動扭矩均較合適。

5 刀具更換與檢查

5.1 更換標(biāo)準(zhǔn)

盾構(gòu)掘進(jìn)時，主要依靠滾刀破巖，刮刀以滑動式碾壓開挖參與掌子面切削，周邊刀起控制開挖輪廓線的作用，保徑刀主要起擴(kuò)挖、保徑作用。

1)刮刀

如果盾構(gòu)掘進(jìn)速度超過滾刀與刮刀高差，易造成正面刮刀直接接觸掌子面，在阻力、摩擦力等作用下，增加了倉內(nèi)溫度，出現(xiàn)結(jié)泥餅、刮刀異常磨損或失效等現(xiàn)象，阻力過大時可能導(dǎo)致刮刀掉落，影響滾刀正常使用。因此，需嚴(yán)格控制滾刀與刮刀高差，并考慮刀圈磨損后性能參數(shù)變化、掌子面凸凹不平等因素的影響。本工程滾刀與刮刀高差為45mm，可將中心單刃滾刀、中心區(qū)域雙刃滾刀理論磨損量設(shè)為35mm。

2)周邊刀

周邊刀磨損主要表現(xiàn)為滾刀破巖沉渣造成較嚴(yán)重的刀身二次磨損。因周邊刀與正面刀功能不同，且未直接接觸開挖掌子面，其最大磨損量與正面刀不同，根據(jù)切削軌跡，可將周邊刀理論磨損量設(shè)為15mm。

3)保徑刀

為保證刀盤順利通過，防止卡盾或刀盤磨損，可將保徑刀理論磨損量設(shè)為10mm。

在刀具理論磨損量的基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮掘進(jìn)參數(shù)對刀具磨損量的影響，經(jīng)研究，得到刀具控制磨損量，如表3所示。

表3 刀具控制磨損量 mm

5.2 檢查與更換頻次

遵循“勤開倉、勤檢查”原則進(jìn)行刀具檢查，本工程最短檢查距離為15m，最長檢查距離為70.5m，檢查距離多為37.5～45m。

本工程盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)40～50m時，正面刀磨損量達(dá)控制值的80%，周邊刀、保徑刀磨損量達(dá)控制值的80%～100%，部分刀具已達(dá)更換標(biāo)準(zhǔn)。如果繼續(xù)掘進(jìn)，將影響掘進(jìn)效率，甚至造成卡盾等嚴(yán)重后果。經(jīng)研究，建議盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)40～45m時進(jìn)行刀具檢查與更換，同時，應(yīng)結(jié)合沿線地質(zhì)條件和地面建筑物情況，設(shè)置合理的主動檢查、換刀點，減少被動檢查、換刀作業(yè)，以降低施工風(fēng)險，提高施工效率。

6 結(jié)語

本文通過對上軟下硬花崗巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)施工中刀具配置、刀具磨損特性的研究，得出以下結(jié)論。

1)確定刀具控制磨損量時，需綜合考慮刀具工作特性、磨損后性能參數(shù)變化、接觸地層形狀、巖層質(zhì)量等。刀具磨損量達(dá)到控制值后，應(yīng)及時更換，避免增大盾構(gòu)機(jī)電系統(tǒng)和相鄰刀具的負(fù)擔(dān)。

2)通過對刀具磨損情況進(jìn)行動態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)正面刀磨損量隨著切削軌跡的增加呈遞增趨勢，在變軌跡處達(dá)最大；周邊刀受刀間距影響，磨損量隨著切削軌跡的增加呈遞減趨勢，但總體磨損量差距較小。

3)通過對實際施工情況進(jìn)行總結(jié)分析，為適應(yīng)上軟下硬花崗巖地層，建議盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)40～45m時進(jìn)行刀具檢查與更換，同時，應(yīng)結(jié)合沿線地質(zhì)條件和地面建筑物情況，設(shè)置合理的主動檢查、換刀點，減少被動檢查、換刀作業(yè)，以降低施工風(fēng)險，提高施工效率。