全斷面卵礫石地層盾構(gòu)先行刀異常磨損特征研究*

路開道

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211899)

0 引言

盾構(gòu)法以其對地層適應(yīng)性強(qiáng)、施工速度快且安全、對周圍環(huán)境干擾小等特點(diǎn)得到了快速發(fā)展和應(yīng)用[1]。然而，當(dāng)盾構(gòu)在卵礫石地層中掘進(jìn)時，由于卵礫石強(qiáng)度高，顆粒間摩阻力大，刀具磨損嚴(yán)重，異常磨損現(xiàn)象突出[2]。頻繁停機(jī)換刀將影響地層穩(wěn)定，這勢必增加工程造價(jià)和施工風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度[3-4]。

國內(nèi)外學(xué)者已針對盾構(gòu)刀具磨損問題開展了大量研究，并取得一系列研究成果，如竺維彬等[4]通過對復(fù)合地層中40臺盾構(gòu)滾刀磨損情況進(jìn)行分析，研究了影響滾刀磨損的因素，并提出了相應(yīng)對策；王振飛等[5]依托實(shí)際工程，分析了富水砂卵石大直徑盾構(gòu)刀具磨損規(guī)律；彭鈞[6]針對復(fù)雜地層土壓平衡盾構(gòu)刀具磨耗嚴(yán)重的問題，結(jié)合工程案例分析了刀具嚴(yán)重磨損原因和影響因素，并提出相應(yīng)的降磨措施；張明富等[7]建立了刀具磨損系數(shù)與刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、推力、掘進(jìn)速度等掘進(jìn)參數(shù)的關(guān)系式，通過計(jì)算提出了合理的掘進(jìn)參數(shù)范圍；江華等[8]利用數(shù)值模擬方法研究了貫入度、刀間距及速度對先行刀切削效果的影響，并結(jié)合刀具實(shí)際工程數(shù)據(jù)對計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證；張怡潾[9]結(jié)合福州地鐵1號線硬巖地層盾構(gòu)刀具損壞機(jī)理，提出了提前換刀時間、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良等降磨措施；董洪星[10]提出適當(dāng)增加相同軌跡半徑上的先行刀數(shù)量，可有效減少單個先行刀磨損量；李達(dá)[11]以廣州地鐵4號線大涌站—塘坑站盾構(gòu)區(qū)間工程為依托，研究了上軟下硬地層掘進(jìn)參數(shù)對刀具的影響；孫振川[12]利用數(shù)值模擬方法研究了盾構(gòu)刮刀遭遇孤石地層時的受力情況和異常磨損情況，得出刮刀保護(hù)塊設(shè)計(jì)不合理易導(dǎo)致刀具異常磨損的結(jié)論，并提出了相應(yīng)優(yōu)化措施；Gharahbagh等[13]對刀具檢測、更換及由刀具磨損過度導(dǎo)致的停機(jī)所需時間與成本進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；Amoun等[14]對德黑蘭地鐵7號線工程施工過程中盾構(gòu)刀具磨損情況進(jìn)行了研究，提出了合理的渣土改良措施，以有效降低刀具磨損。

由上述研究可知，目前國內(nèi)外學(xué)者主要對滾刀、切刀磨損特征和規(guī)律進(jìn)行了研究，對先行刀的研究較少，對卵礫石地層中先行刀異常磨損的研究更少。因此，本文以常德沅江隧道工程為依托，分析先行刀切削方式與工作原理，總結(jié)先行刀整體磨損情況，對先行刀異常磨損情況進(jìn)行分類，研究異常磨損原因，并提出改進(jìn)措施。

1 工程概況

常德沅江隧道采用1臺外徑為11.71m、帶有常壓換刀功能的泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工。隧道過江段地質(zhì)條件相對單一，卵礫石含量高，部分地段含少量粉土和粉細(xì)砂，圓礫地層占69%，卵石地層占14%。長達(dá)752m的掘進(jìn)斷面為全斷面圓礫地層，斷面超過50%的圓礫地層長達(dá)1 379m，全斷面卵石地層長達(dá)191m。圓礫地層以石英質(zhì)為主，粒徑0.5～20mm。卵石地層中卵石含量約55%，最大粒徑達(dá)7～10cm，對刀具磨損造成極大影響。

2 刀盤配置

刀盤由5個星型布置輻條組成，開挖直徑11.75m，開口率35%。刀盤共配置各類刀具227把，常壓可更換刮刀共40把(編號為MF1L～MF10L，MF1R～MF10R，MG11L～MG20L，MG11R～MG20R)，常壓可更換先行刀共21把(編號為BF1～BF21)，可更換中心刀共10把(編號為C1～C10)，如圖1所示。常壓可更換先行刀高出刀盤面板210mm，高出焊接式先行刀和刮刀20mm。

圖1 刀具布置示意

3 先行刀切削方式

先行刀是先行切削土體的刀具，切刀切削土體前，先行刀利用刀刃對掌子面土體進(jìn)行切削，使土體發(fā)生極限破環(huán)，為切刀創(chuàng)造良好的切削條件。根據(jù)掘進(jìn)地層及切削方式的不同，可將先行刀切削方式分為流動型、剪切型、斷裂型和剝落型(見圖2)。在卵礫石地層中，顆粒之間黏聚力較小，單個顆粒強(qiáng)度較大，刀具難以進(jìn)行真正意義上的切削，僅將顆粒從原始地層中剝離，表現(xiàn)為以剝落型切削為主。

圖2 先行刀切削方式

卵礫石地層具有較高的磨蝕性，盾構(gòu)掘進(jìn)時先行刀磨損嚴(yán)重，且卵礫石渣土?xí)斐傻毒叨文p。切削土體過程中遇到大粒徑卵石或漂石時，刀具將受到較大的沖擊作用，從而導(dǎo)致刀具異常磨損。

4 先行刀與卵礫石地層作用關(guān)系

掌子面在先行刀刀刃作用下主要發(fā)生剪切破壞，在F1作用下(見圖3)，黏聚力較小的卵礫石因無法提供足以發(fā)生破碎的反力而向兩側(cè)移動。在F3作用下，區(qū)域1因受剪力作用產(chǎn)生剪切破壞，形成剪切體，進(jìn)而達(dá)到切削土體的目的。

圖3 先行刀與卵礫石地層作用關(guān)系示意

5 先行刀磨損特征

盾構(gòu)在東線隧道掘進(jìn)過程中，刀具磨損嚴(yán)重，停機(jī)檢查、換刀多達(dá)30次。由于中心刀、切刀磨損量較小，因此，主要對先行刀磨損情況進(jìn)行分析。

5.1 整體磨損情況

先行刀整體磨損情況如表1所示。由表1可知，先行刀BF1～BF17累計(jì)磨損量基本隨編號的增加逐漸增大，即隨著距刀盤中心距離的增加，90%以上的先行刀累計(jì)磨損量逐漸增大；先行刀BF19，BF20累計(jì)磨損量異常大，表明最外緣先行刀磨損最嚴(yán)重；最外緣先行刀BF21累計(jì)磨損量異常小，表明該刀具未起到應(yīng)有作用。

表1 先行刀整體磨損情況

5.2 異常磨損情況

盾構(gòu)自始發(fā)掘進(jìn)至81環(huán)時，進(jìn)行第1次停機(jī)檢查。先行刀BF19刀刃完全磨平，進(jìn)而傷及刀具母材，磨損量達(dá)60mm，已完全失效。先行刀BF18磨損量正常，但刀刃合金出現(xiàn)3處崩齒，母材偏磨。先行刀BF20正常磨損，但磨損量較大，達(dá)37mm。先行刀BF21磨損量異常小，僅6mm。與先行刀BF19同軌跡的刮刀MG19僅磨損9～10mm，因此可判定在第1次換刀區(qū)間內(nèi)，先行刀BF18，BF19，BF21發(fā)生了嚴(yán)重非正常磨損。

由于先行刀BF19累計(jì)磨損量最大，且存在異常磨損，因此對其進(jìn)行重點(diǎn)研究。第2，3次(分別掘進(jìn)至82～125，126～146環(huán))停機(jī)檢查過程中，先行刀BF19均磨損30mm，均出現(xiàn)刀刃合金崩齒、刀具母體偏磨現(xiàn)象，嚴(yán)重時刀具母體甚至偏磨出洞。前3次停機(jī)檢查過程中，邊緣位置4把先行刀(BF17～BF20)刀刃存在普遍偏磨現(xiàn)象。

先行刀異常磨損類型可分為崩齒、偏磨、超磨、少磨(見圖4)，對異常磨損特征與原因進(jìn)行總結(jié)，如表2所示。

圖4 先行刀異常磨損示意

表2 先行刀異常磨損情況

邊緣位置先行刀BF17～BF20普遍存在偏磨現(xiàn)象，需頻繁檢查、更換刀具，刀具偏磨直接造成內(nèi)刀筒固定刀頭位置及螺栓磨損，增加了刀頭拆卸難度。刀具更換及配套作業(yè)時間約占掘進(jìn)施工總時間的9.2%，邊緣先行刀異常磨損嚴(yán)重制約了工期。由于盾構(gòu)隧道穿越地層透水性強(qiáng)，滲透系數(shù)達(dá)120m/d，在長時間停機(jī)換刀過程中，掌子面維護(hù)困難，面臨掌子面坍塌風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而增加了停機(jī)換刀作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

6 改進(jìn)措施

6.1 刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)

6.1.1刀具合金優(yōu)化

1)初裝先行刀兩側(cè)主合金設(shè)計(jì)為圓弧過渡，位置略低于正面合金塊，在一定程度上增加了刀具抗沖擊性能，但兩側(cè)合金和中間合金厚度偏小，分別為30，15mm，不滿足全斷面卵礫石地層掘進(jìn)需求。因此，將兩側(cè)主合金厚度由30mm增至50mm，將中間合金厚度由15mm增至25mm，可直接提高先行刀抗沖擊性能。

2)由于刀具母材較硬質(zhì)合金耐磨性能低，在高磨蝕性地層中掘進(jìn)時，硬質(zhì)合金間的母材快速磨損，導(dǎo)致合金露出，突遇大粒徑卵石或漂石沖擊時，刀刃易遭受撞擊崩齒。因此，增加母材兩側(cè)保護(hù)刀體合金數(shù)量，以加強(qiáng)對母材的保護(hù)。

6.1.2刀具母材優(yōu)化

1)刀具母材選用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo，保證刀具機(jī)械性能。

2)刀具母材具有較好的延展性及韌性，在兩端合金塊外側(cè)適當(dāng)增加母材，可為主合金塊提供一定緩沖作用。

3)在易磨損部位加焊高強(qiáng)度耐磨堆焊層，以提高刀具耐磨性能。

6.2 刀盤優(yōu)化設(shè)計(jì)

1)增設(shè)焊接式先行刀

盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)初期，為保證先行刀通用性，未根據(jù)地層特點(diǎn)對邊緣先行刀進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，導(dǎo)致刀具母體與掌子面重疊，造成刀具磨損嚴(yán)重，刀刃及母體出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象。因此，在邊緣先行刀切削軌跡上增設(shè)焊接式先行刀，在先行刀BF19切削軌跡上增設(shè)3把，在先行刀BF17，BF18，BF20切削軌跡上各增設(shè)1把。

2)邊緣先行刀刀座位置調(diào)整

調(diào)整先行刀BF19刀座位置，使刀具基體下沉，具體步驟如下：①拆除先行刀BF19及周邊常壓可更換刀具相關(guān)密封件，做好防塵、防變形處理；②將先行刀BF19上刀座刨除，注意保護(hù)內(nèi)部密封面，防止變形；③將整個上刀座沿刀具軸線下移30mm，重新固定焊接；④焊接完成后對上刀座進(jìn)行探傷，焊縫等級需滿足Ⅱ級要求；⑤重新制作刀具，刀刃部位較原刀具高30mm；⑥重新安裝刀具，完成優(yōu)化。

6.3 掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化

由于盾構(gòu)穿越高磨蝕性卵礫石地層，且地層較松軟，需保證掘進(jìn)參數(shù)穩(wěn)定。通過調(diào)整注漿參數(shù)、控制出渣流量，有助于渣土順利排出，避免渣土過度堆積，進(jìn)而避免刀具二次磨損。

7 改進(jìn)效果分析

以先行刀BF19，BF9為例，對邊緣、正面先行刀改進(jìn)效果進(jìn)行分析。先行刀BF19，BF9改進(jìn)前、后磨損量及使用環(huán)數(shù)分別如表3，4所示。由表3，4可知，改進(jìn)后的邊緣、正面先行刀在磨損量較小的情況下，使用環(huán)數(shù)大幅增加，使用壽命得到提高，刀具更換及盾構(gòu)停機(jī)檢查次數(shù)減少，可有效降低施工成本，縮短工期，同時提高施工安全性。

表3 先行刀BF19改進(jìn)效果

表4 先行刀BF9改進(jìn)效果

8 結(jié)語

本文以常德沅江隧道工程為依托，闡述全斷面卵礫石地層盾構(gòu)先行刀切削方式與工作原理，總結(jié)先行刀整體磨損情況，分析先行刀異常磨損原因，并提出相應(yīng)改進(jìn)措施，得出以下結(jié)論。

1)先行刀在卵礫石地層中的切削方式主要為剝落型切削，地層主要受剪切破壞作用。

2)先行刀刀刃崩齒主要原因?yàn)榈毒吆辖饓K設(shè)計(jì)不滿足卵礫石地層掘進(jìn)需求。邊緣先行刀偏磨主要原因?yàn)榈毒咔邢鬈壽E設(shè)計(jì)不足，刀具安裝布置不合理。刀具耐磨損性能差是導(dǎo)致刀具超磨的重要原因。先行刀少磨根本原因?yàn)榈毒甙惭b位置、角度或設(shè)計(jì)不合理。

3)采取先行刀優(yōu)化改進(jìn)、刀具安裝布置調(diào)整、盾構(gòu)施工參數(shù)控制等措施可有效降低刀具磨損程度。