常壓刀盤超大直徑泥水盾構(gòu)刀具管理及應(yīng)用分析

王振飛，胡新朋，黎 峰，成偉江，李云濤

(1.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001； 2.中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東 深圳 518052)

0 引言

隨著我國(guó)城市化發(fā)展和交通需求量增加，超大直徑盾構(gòu)在跨江過(guò)海隧道工程中得到廣泛應(yīng)用；而且盾構(gòu)應(yīng)用逐步向直徑更大、埋深更深、距離更長(zhǎng)、地質(zhì)更復(fù)雜的方向發(fā)展。合理的盾構(gòu)刀具選型和配置成為工程取得成功至關(guān)重要的因素。本文以汕頭蘇埃通道工程施工為例，對(duì)盾構(gòu)穿越基巖凸起段和軟土段不同地層刀具配置和參數(shù)設(shè)定進(jìn)行分析和研究，為以后類似工程施工提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

蘇埃通道工程路線全長(zhǎng)6 680m，設(shè)特長(zhǎng)隧道1座(5 300m)，互通立交2處，管控中心1處，收費(fèi)站1處，風(fēng)塔2座。采用一級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為60km/h，雙向6車道；主體結(jié)構(gòu)使用年限100年。

盾構(gòu)段設(shè)計(jì)為2條單洞隧道，隧道內(nèi)徑為13.3m，外徑為14.5m，內(nèi)設(shè)安全通道、應(yīng)急通道、電纜管廊、管溝及煙道。盾構(gòu)隧道管片環(huán)寬2m、厚600mm，通用雙面楔形環(huán)，楔形量48mm。分10塊，采用“7+2+1”分塊模式，錯(cuò)縫拼裝。

1.2 地質(zhì)概況

盾構(gòu)隧道始發(fā)和到達(dá)段主要為淤泥質(zhì)地層，埋深較淺(始發(fā)段8m，到達(dá)段12.5m)，且局部存在孤石和花崗巖。海域段長(zhǎng)距離穿越淤泥質(zhì)軟土、砂層，區(qū)間存在花崗巖球狀風(fēng)化分布區(qū)和凸起基巖段，長(zhǎng)約182m，侵入隧道最大高度8.4m。微風(fēng)化巖強(qiáng)度較大，最大抗壓強(qiáng)度210MPa。

2 盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)總體刀具配置

盾構(gòu)刀盤具備可常壓更換刀具功能，配備75把滾刀、154把刮刀、39套滾刀磨損檢測(cè)裝置，其中可常壓更換的刀具包括75把滾刀和48把刮刀，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具配置

1)常壓更換滾刀75把(可更換為撕裂刀) 包括12把中心雙軸雙刃滾刀，直徑17in(1in=2.54cm)，刀間距130mm，刀高225mm，最大工作荷載267kN；60把正面及周邊雙軸雙刃滾刀，直徑19in，刀間距100mm，刀高225mm，最大工作荷載315kN；3把單刃滾刀，直徑19in，刀間距98mm，刀高225mm，最大工作荷載315kN。

2)常壓切刀48把 刀高185mm，共24個(gè)軌跡，每個(gè)軌跡2把，軌跡半徑范圍在3 095～7 434mm全軌跡覆蓋。

3)帶壓切刀154把 刀高185mm，半徑2 370～6 600mm全軌跡覆蓋，邊刮刀54把。

3 刀具配置應(yīng)用

根據(jù)本工程的地質(zhì)情況及在掘進(jìn)過(guò)程中不斷總結(jié)和研判，在保證現(xiàn)場(chǎng)施工安全和盾構(gòu)快速掘進(jìn)的前提下對(duì)盾構(gòu)刀具進(jìn)行優(yōu)化配置，主要對(duì)盾構(gòu)穿越加固區(qū)孤石基巖段、回填區(qū)基巖孤石段和軟土段進(jìn)行刀具的優(yōu)化配置和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐。通過(guò)調(diào)整盾構(gòu)穿越不同地層時(shí)的刀具配置，達(dá)到少停機(jī)、少損刀具的目的。

3.1 孤石基巖段刀具配置

3.1.1地質(zhì)情況

隧道盾構(gòu)段頂部地層以淤泥、淤泥質(zhì)土、中粗砂、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、圓礫石、礫質(zhì)黏性土為主，隧道底部地層以全風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖為主。

3.1.2掘進(jìn)情況

盾構(gòu)隧道管片-4～3環(huán)為始發(fā)加固區(qū)，存在孤石和基巖，盾構(gòu)刀具總體配置為帶壓切刀154把、滾刀39把、常壓切刀48把、邊刮刀54把。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)平均掘進(jìn)參數(shù)控制貫入度7.8mm/r、掘進(jìn)速度5.5mm/min、刀盤轉(zhuǎn)速0.7r/min、總推力26 244kN、總擠壓力4 989kN、刀盤扭矩2 268kN·m，但在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)扭矩波動(dòng)頻繁且波動(dòng)值突變較大情況?，F(xiàn)場(chǎng)定在3環(huán)位置常壓進(jìn)倉(cāng)對(duì)刀具進(jìn)行檢查：39把常壓滾刀均工作正常，未發(fā)現(xiàn)異常情況；54把邊刮刀中25把存在合金齒脫落情況，脫落1～5個(gè)合金齒，未發(fā)現(xiàn)邊刮刀變形及掉落；48把常壓更換切刀中有22把存在不同程度損壞，脫落1～5個(gè)合金齒，未發(fā)現(xiàn)刀具變形及掉落；154把帶壓切刀中有82把存在不同程度損壞，其中7把螺栓斷裂直接脫落，75把合金齒脫落1～5個(gè)。倉(cāng)內(nèi)底部掌子面存在孤石且在倉(cāng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)鋼筋和掉落的帶壓切刀。

根據(jù)-4～3環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)情況分析，盾構(gòu)穿越有孤石的加固區(qū)時(shí)滾刀未出現(xiàn)異常，常壓、帶壓切刀均存在不同程度的損毀，且存在帶壓切刀刀具掉落情況，而帶壓切刀掉落后將直接造成刀盤或刀具的二次磨損，危害極大。由此分析，盾構(gòu)在此段掘進(jìn)時(shí)滾刀能達(dá)到破巖效果；扭矩異常波動(dòng)可能是由于滾刀破巖后掌子面存在凹凸不平、軟硬不均，凸起部分撞擊切刀導(dǎo)致。

從刀具的設(shè)計(jì)角度來(lái)看，在硬巖地層掘進(jìn)帶壓切刀有2個(gè)重要作用：①在滾刀對(duì)巖石進(jìn)行擠壓破碎后，對(duì)巖脊進(jìn)行切削剝除；②將掌子面的渣土、石塊等導(dǎo)入出渣口，降低刀盤二次磨損的可能性。但在孤石和上軟下硬地層中，切刀和邊刮刀的掘進(jìn)效率不太理想，相反制約了掘進(jìn)，所以需對(duì)切刀采取適當(dāng)“減法”和保護(hù)改造措施。

通過(guò)對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中帶壓切刀受力的分析研究，采取切刀與刀座間焊接刀具保護(hù)座措施，使切刀在掘進(jìn)過(guò)程中將部分荷載通過(guò)刀座傳遞，降低刀具直接脫落的可能性(見(jiàn)圖2)；將常壓切刀刀頭拆除，安裝耐磨保護(hù)帽保護(hù)刀頭安裝座，耐磨保護(hù)座距刀盤面板的高度適當(dāng)降低，從而降低保護(hù)座參與切削的可能性，有效控制和降低保護(hù)座脫落的可能(見(jiàn)圖3)。同時(shí)，保護(hù)座外形尺寸相對(duì)較小，脫落后對(duì)刀盤造成二次磨損的幾率小，且使用靈活，在需安裝刮刀時(shí)更換相對(duì)容易。優(yōu)化后的刀具配置情況為帶壓切刀154把(焊接刀具保護(hù)座)、滾刀39把、常壓切刀0把(安裝保護(hù)座)、邊刮刀54把。

圖2 帶壓切刀保護(hù)座

圖3 常壓切刀保護(hù)帽

6～32環(huán)為回填區(qū)孤石基巖段，現(xiàn)場(chǎng)采取“低轉(zhuǎn)速、低貫入度”主動(dòng)控制原則，即盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)按貫入度5～6mm/r、刀盤轉(zhuǎn)速0.55r/min、刀盤扭矩4 000kN·m控制。當(dāng)扭矩有持續(xù)上升趨勢(shì)時(shí)適當(dāng)降低推進(jìn)速度，確保扭矩降至合理范圍內(nèi)；當(dāng)掘進(jìn)扭矩>4 000kN·m時(shí)，立即停止掘進(jìn)進(jìn)行空轉(zhuǎn)循環(huán)出渣以降低刀盤扭矩。但在該段地質(zhì)條件下，刀盤扭矩出現(xiàn)波動(dòng)次數(shù)共計(jì)404次，其中刀盤扭矩波動(dòng)至5 000～8 000kN·m共計(jì)350次，扭矩波動(dòng)至8 000～10 000kN·m共計(jì)27次，扭矩波動(dòng)至10 000kN·m以上共計(jì)27次。27環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中停機(jī)帶壓進(jìn)倉(cāng)檢查3次，據(jù)完全統(tǒng)計(jì)帶壓切刀掉落5把、切刀不同程度崩齒72把、刀盤泄渣口結(jié)泥封堵8次、常壓切刀保護(hù)帽變形脫落25處，較之前10環(huán)的刀具掘進(jìn)狀態(tài)有極大改善。最后一次刀盤檢查情況如圖4所示。

圖4 進(jìn)倉(cāng)檢查刀具情況

針對(duì)帶壓進(jìn)倉(cāng)檢查發(fā)現(xiàn)的切刀掉落、崩齒、刀盤泄渣口結(jié)泥封堵、常壓切刀保護(hù)帽變形脫落等問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)采取更換損壞帶壓切刀，打撈掉落刀具和保護(hù)帽，沖洗泄渣口泥餅，常壓切刀保護(hù)帽拆除等措施。

3.2 軟土段進(jìn)行刀具配置

選取750～850環(huán)軟土段進(jìn)行分析，盾構(gòu)穿越地層為淤泥混砂、中粗砂、淤泥質(zhì)土。為防止刀盤中心區(qū)域結(jié)泥餅，將刀盤面板中心塊無(wú)開(kāi)口區(qū)域即旋轉(zhuǎn)半徑2.4m范圍內(nèi)滾刀更換為撕裂刀。盾構(gòu)掘進(jìn)每環(huán)(2m)平均用時(shí)60min，掘進(jìn)效率很高，滾刀磨損正常。盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)按貫入度32mm/r、推進(jìn)速度32mm/min、刀盤轉(zhuǎn)速1.0r/mim、刀盤扭矩2 643kN·m、推進(jìn)力83 455kN、刀盤伸縮總擠壓力15 613kN控制。刀具配置情況為帶壓切刀154把、滾刀28把、撕裂刀11把(17in 6把、19in 5把)、常壓切刀0把(去除刀頭)、邊刮刀54把。

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 結(jié)論

通過(guò)對(duì)超大直徑盾構(gòu)施工中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和刀具方案的實(shí)踐情況分析，總結(jié)出以上盾構(gòu)穿越孤石基巖段、軟土段的刀具配置優(yōu)化方案和高效掘進(jìn)控制參數(shù)(±(15%～20%))。盾構(gòu)穿越孤石基巖段、軟土段的掘進(jìn)效率與參數(shù)控制、刀具配置密切相關(guān)，施工過(guò)程中合理控制轉(zhuǎn)速、推力和扭矩等參數(shù)，重視地層變化，及時(shí)優(yōu)化刀具配置方案，能減少被動(dòng)停機(jī)進(jìn)倉(cāng)檢查刀盤的風(fēng)險(xiǎn)、減少刀具非正常磨損幾率，進(jìn)而降低刀具管理成本和項(xiàng)目成本。

4.2 建議

1)施工過(guò)程中，大直徑盾構(gòu)常壓滾刀的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)、溫度檢測(cè)和磨損檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，要對(duì)其數(shù)據(jù)變化和超限預(yù)警情況保持高度的敏感性。

2)建議試用含碳量較低的梯度硬度刀圈，增加刀圈韌性。對(duì)刀圈進(jìn)行“梯度硬度”熱處理，使刀圈芯部硬度下降，而刃口硬度保持不變。梯度硬度的刀圈可進(jìn)一步提升AKU值，在確保硬度及耐磨性能的前提下，能有效降低刀圈斷裂風(fēng)險(xiǎn)。