砂卵石地層對盾構滾刀耐磨性影響試驗研究

孫振中

（中國中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001）

成都地區(qū)地層復雜卵石、漂石廣泛分布，漂石粒徑達到1.5m 左右，在盾構掘進過程中，卵石由于強度高硬度大給盾構滾刀造成較大磨損，嚴重影響滾刀破巖效率。為了探究卵石對滾刀的磨損影響，預測滾刀的磨損程度為現(xiàn)場提供關鍵換刀數(shù)據(jù)，眾多學者及專家開展了卵石對滾刀的磨損影響研究[1-15]。研究學者提出了影響滾刀磨損的多種因素，但是也呈現(xiàn)出了研究的局限性，未能深入分析滾刀材質與巖石性能關系，本文利用縮尺滾刀與足尺滾刀實驗，從滾刀材質方面對滾刀強度與刃型開展研究，并通過縮尺滾刀和足尺滾刀的破巖實驗，深入開展了滾刀磨損及耐磨研究。

1 工程概況

四川都四隧道的都江堰站-永豐站區(qū)間盾構隧道全長3 468.164m，最小轉彎半徑R＝400m；永豐站-蒲陽站區(qū)間盾構隧道全長3 266m 最小轉彎半徑R＝350m，如圖1 所示。區(qū)間隧道采用兩臺直徑為9.73m 土壓平衡盾構機，從永豐站始發(fā)，分別向都江堰站、蒲陽站方向掘進施工。

圖1 都江堰站-永豐站-蒲陽站區(qū)間

區(qū)間隧道穿越含礫粉質黏土（軟可塑）、含礫粉質黏土（硬塑）、卵石土（稍密～中密）、卵石土（中密），分布如表1 所示。

表1 區(qū)間隧道穿越地層

卵石土層在隧道區(qū)域內呈層狀分布，范圍較廣，厚度較大，層厚可達8～45m，卵石粒徑大小不一，分選性差，漂石約占10%～20%，粒徑200～300mm。卵石間為中細砂充填，局部卵石間夾透鏡體狀砂層，該層均勻性較差，穩(wěn)定性較差，為場區(qū)主要含水地層。

根據(jù)車站開挖揭示的卵石土情況，9～10m 處漂石、卵石含量逐漸增加，粒徑變大。開挖出粒徑大于900mm 漂石到達58 個，最大1 510mm，如圖3 所示。其中，0～9m 范圍內10 個，占比17%；9～18m 范圍內48 個，占比83%。車站長度120m，平均約每2m 就有1 個大于900mm 的漂石。根據(jù)對卵石、漂石的強度測試，平均抗壓強度98.2MPa，最大抗壓強度達147MPa，最小抗壓強度16.1MPa。

盾構掘進砂卵石地層過程中，滾刀發(fā)生異常磨損、磨損過量、滾刀破壞等問題，極大影響了盾構掘進工效的發(fā)揮。為了提高盾構掘進效率，降低換刀頻率，需要對多種不同材料和工藝滾刀進行耐磨性評價。

為了定量和定性的評價不同類型滾刀對卵石的耐磨性，采用盾構及掘進技術國家重點實驗室研發(fā)的滾刀磨蝕實驗儀、滾刀巖機作用綜合試驗臺對兩類滾刀（編號1#、2#）進行耐磨性試驗。通過選擇滾刀磨損評價指標和磨損狀態(tài)評判兩類滾刀的耐磨性，保證卵石與滾刀的最優(yōu)匹配性。

2 縮尺滾刀耐磨性試驗

2.1 試驗過程

為了定量判斷卵石對1#、2#滾刀的磨蝕量，采用滾刀復合磨損試驗儀，如圖2 所示，測量縮尺滾刀一定貫入速度和滾動距離工況下縮尺滾刀磨損質量，獲取縮尺滾刀的磨損速率，以此來反應不同滾刀在卵石的磨蝕性能。

圖2 滾刀磨蝕實驗儀

從現(xiàn)場采集卵石原樣，經(jīng)過量、切、磨3 道工藝加工成長寬高為300mm×78mm×78mm 的長方體試樣。

按照足尺滾刀相同的加工材質和加工工藝，尤其是淬火及冷卻工藝，同比例縮尺制造1#、2#縮尺滾刀。分離式縮尺滾刀直徑為1.9 英寸，幾何比尺為1∶10，刀片中心厚度統(tǒng)一為6mm，如圖3所示。

圖3 分離式縮尺滾刀

1#、2#滾刀在試驗過程中，以相同的貫入速度滾壓相同的行程，具體試驗參數(shù)如下。

1）滾壓行程：250mm/次，壓痕間距：10mm，每道滾壓次數(shù)：100 次。

2）滾壓速度：17.8mm/s（根據(jù)秒表計算，當速度為17.8mm/s 時，滾刀1min 可以進行4個行程的運動，故選擇17.8mm/s）。

3）貫入速度：0.01mm/行程、0.02mm/行程、0.03mm/行程。

2.2 縮尺滾刀耐磨性比較

2.2.1 相同貫入度的滾刀磨損

選擇1#、2#滾刀滾壓相同巖石、貫入度、滾壓行程下的滾刀累計磨損質量、累計磨損直徑作為定量判斷滾刀耐磨性的指標。試驗過程中，每滾壓100m 稱重一次，測量直徑一次。稱量不同滾壓距離的累計磨損量如圖4 所示，不同滾壓距離的滾刀直徑如圖5 所示。

圖4 1#、2#滾刀不同滾壓距離的累計磨損質量

圖5 1#、2#滾刀不同滾壓距離的磨損直徑變化量

從圖4 可以看出，相同的貫入速度下，1#、2#滾刀累計磨損質量隨行程距離而增加；當行程在200m 內時，兩類滾刀磨損質量相差不大；當行程大于200m 后，兩類滾刀磨損質量呈現(xiàn)較大差異，2#滾刀磨損質量明顯大于1#滾刀。

從圖5 可以看出，兩類滾刀的累計磨損直徑呈現(xiàn)與磨損質量相同的規(guī)律。當行程大于200m后，2#滾刀累計磨損直徑遠大于1#滾刀。

2.2.2 不同貫入度下的滾刀磨損

同時，選擇1#、2#滾刀在不同貫入度下的滾刀累計磨損質量、累計磨損直徑進行兩類滾刀耐磨性的判斷。以0.01mm/次、0.02mm/次、0.03mm/次的貫入度滾壓相同行程距離，稱量不同滾壓距離的累計磨損量如圖6 所示，不同滾壓距離的滾刀直徑如圖7 所示。

圖6 1#、2#滾刀不同滾壓距離的累計磨損質量

圖7 1#、2#滾刀不同滾壓距離的磨損直徑變化量

從圖6、圖7 可以看出，以較低的貫入度0.015mm/次時，2#滾刀磨損質量及平均累計磨損直徑略低于1#滾刀；隨著貫入速度的增加，2#滾刀磨損質量和平均累計磨損直徑減小量顯著高于1#。

由此可見，滾刀滾壓行程、貫入度對滾刀磨損質量和磨損直徑影響較大；不同廠家滾刀會在一定的使用時間后，呈現(xiàn)出明顯差異。

2.2.3 不同類型滾刀的卷刃特性

在開展不同貫入度下兩類滾刀的耐磨性比較試驗時，觀察相同滾壓行程后滾刀的卷刃特性。以0.01mm/次、0.02mm/次、0.03mm/次的貫入度試驗可以看出，在相同的磨損距離及貫入速度工況下，2#縮尺滾刀卷刃現(xiàn)象明顯，韌性較低。

3 足尺滾刀耐磨性試驗

為了進一步判斷卵石對1#、2#足尺滾刀的磨蝕性，采用滾刀巖機作用綜合試驗臺，觀測一定貫入速度下足尺滾刀的磨損情況。

利用現(xiàn)場原狀卵石，加工成試驗臺巖箱尺寸要求，制作成卵石試樣，如圖8 所示，巖石與巖箱之間的縫隙采用水泥砂漿填充，養(yǎng)護15 天。

圖8 卵石加工試樣

試驗過程中，在刀盤上同時安裝1#、2#足尺滾刀，控制刀盤滾刀的掘進速度和掘進行程。通過不斷調整滾刀的滾壓軌跡，確保滾刀盡可能多的滾壓巖樣。滾刀滾壓破碎巖樣如圖9 所示。

圖9 滾刀滾壓破碎巖樣

1#、2#足尺滾刀滾壓試驗前后刀刃表面對比可以看出，由于室內試驗滾刀滾壓破巖量有限，足尺滾刀磨損量極小。刀刃表面來看，1#滾刀刀刃尺寸未發(fā)生明顯磨損，表面稍有劃痕；2#滾刀圓弧過渡曲線變大，刃尖出現(xiàn)明顯凹凸不平劃痕和塊狀凹坑。因此，1#足尺滾刀耐磨性優(yōu)于2#滾刀。

4 結論

為了提高盾構掘進效率，降低換刀頻率，依托都四項目都江堰站-永豐站-蒲陽站區(qū)間隧道工程，開展了不同類型滾刀的耐磨性試驗。試驗包括縮尺滾刀耐磨性試驗、足尺滾刀耐磨性試驗，從定量和定性的角度對兩種類型滾刀滾壓卵石的耐磨性進行了評價。

1）滾刀破巖過程中，滾刀貫入度、滾壓行程會對滾刀磨損量的產生影響，且對滾刀磨損量的壽命影響規(guī)律相同。

2）不同廠家滾刀的耐磨性在使用前期差異不大，但在一定使用時間后表現(xiàn)出明顯差異。

3）不同廠家滾刀滾壓相同的卵石，滾刀刀刃表面會出現(xiàn)明顯差異，表現(xiàn)為劃痕和塊狀凹坑。