復(fù)合地層泥水平衡盾構(gòu)刀具磨損情況分析

朱牧原,魏力峰,陳 爽,方 勇

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 2.中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司,南京 211800)

引言

盾構(gòu)法以其自動(dòng)化程度高、安全快速、對(duì)周圍環(huán)境影響小等特點(diǎn)已逐漸成為城市交通隧道建設(shè)的主流工法[1]。盾構(gòu)刀具作為關(guān)鍵掘進(jìn)裝置，其磨損情況對(duì)盾構(gòu)施工效率、施工質(zhì)量及施工安全至關(guān)重要。盾構(gòu)刀具磨損乃至失效會(huì)引起刀盤扭矩增大，降低掘進(jìn)速度，甚至中途停機(jī)，極大地增加了工程風(fēng)險(xiǎn)和成本[2-3]。

對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)中刀具與地層間的相互作用機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已展開了大量研究，管會(huì)生等[4-5]通過分析刀具磨損原因，提出了刀具更換次數(shù)與刀具壽命預(yù)測(cè)的分析方法；趙峻等[6]通過對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤刀具的受力分析，提出了刀盤磨損系數(shù)，同時(shí)建立了一套適用于砂性地層深埋泥水盾構(gòu)的刀具磨損計(jì)算方法；吳俊等[7-8]從金屬摩擦學(xué)角度，提出了磨損的不同機(jī)制，認(rèn)為盾構(gòu)刀具磨損主要來源于金屬與巖土體壓碎區(qū)相互作用時(shí)產(chǎn)生的磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損等機(jī)制的組合作用，并在前人基礎(chǔ)上完善了刀具磨損預(yù)測(cè)模型。在磨損預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)方法上，LI等[9]提出通過區(qū)間變量的方法對(duì)刀具磨損進(jìn)行評(píng)估，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了演示。運(yùn)用數(shù)值模擬手段，張魁等[10]利用離散元法設(shè)計(jì)數(shù)值實(shí)驗(yàn)，對(duì)滾刀破巖模式、滾刀間距、巖石破碎程度等因素的影響進(jìn)行了分析。在實(shí)驗(yàn)方法上，張明富等[11]通過相似模型試驗(yàn)，對(duì)土壓盾構(gòu)切削刀磨損進(jìn)行研究，得出了盾構(gòu)參數(shù)與磨損系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，以及掘進(jìn)參數(shù)的合理選擇范圍；陳子義[12]首先通過ABAQUS建立了滾刀破巖模型，引入正交實(shí)驗(yàn)方法研究了掘進(jìn)參數(shù)與刀具磨損的相關(guān)性，并最終基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了刀具磨損量預(yù)測(cè)模型。

結(jié)合我國(guó)近年來的大量工程實(shí)踐，對(duì)盾構(gòu)刀具的磨損規(guī)律也進(jìn)行了不少分析與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。李強(qiáng)等[13]依托杭州地鐵2號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間工程，對(duì)盾構(gòu)穿越上軟下硬復(fù)合地層時(shí)的刀具磨損情況及刀具磨損所致的施工異?，F(xiàn)象進(jìn)行了分析，提出可行的處理措施與控制刀具磨損優(yōu)化方法；李雪等[14]基于南京某越江隧道工程，對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)在砂卵石地層中的刀具磨損特點(diǎn)進(jìn)行了分析，探討了盾構(gòu)先行刀在不同地層類型和不同地層比例下的磨損規(guī)律，提出了減小刀具磨損的可行措施；袁立斌，張明富等[15-17]針對(duì)成都、北京地區(qū)砂卵石地層，基于成都地鐵17號(hào)線和北京新機(jī)場(chǎng)線等工程對(duì)盾構(gòu)刀具在該類地層中的刀具布置、磨損類型、磨損規(guī)律及預(yù)測(cè)等進(jìn)行了研究與探討；江華等[18]結(jié)合北京新機(jī)場(chǎng)線某工程對(duì)在砂卵石地層中先行撕裂刀及刮刀布置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位實(shí)驗(yàn)研究，提出了優(yōu)選布置模式；韓冰宇等[19]基于深圳地鐵9號(hào)線某工程對(duì)滾刀、切刀、刮刀等不同刀具在復(fù)合地層中的磨損規(guī)律進(jìn)行分許，并引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，通過掘進(jìn)參數(shù)對(duì)刀具磨損做出預(yù)測(cè)，得到了較好的結(jié)果；閔凡路等[20]結(jié)合近年來的工程經(jīng)驗(yàn)，主要對(duì)滾刀和刮刀切削與磨損機(jī)理的研究從理論、實(shí)驗(yàn)等角度進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)刀具的磨損監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬研究、選型布置優(yōu)化等方面作出了展望。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有對(duì)盾構(gòu)的刀具磨損研究較多集中于滾刀、刮刀等在硬巖地層、上軟下硬復(fù)合地層，亦或全斷面砂卵石地層的磨損機(jī)理與磨損規(guī)律，對(duì)于先行撕裂刀等在砂卵石與黏土、粉土等軟土夾雜的復(fù)雜地層中磨損分析與研究則涉及較少?；诰堣F路清華園盾構(gòu)隧道3號(hào)～2號(hào)區(qū)間工程，對(duì)盾構(gòu)撕裂刀及刮刀的配置組合在含砂卵石復(fù)合地層中的磨損情況進(jìn)行研究，分析刀具布置合理性以及在該類地層中撕裂刀磨損規(guī)律，旨在為類似工程提供參考。

1 工程概況

京張鐵路清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間工程采用2臺(tái)φ12.64 m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，共設(shè)2處接收井與1處始發(fā)井，分為3號(hào)～2號(hào)區(qū)間(區(qū)間長(zhǎng)約1 741 m)與2號(hào)～1號(hào)區(qū)間(區(qū)間長(zhǎng)約2 700 m)。清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間穿越地層屬典型砂卵石復(fù)合地層?？傮w來看，隧道上覆地層為人工填土層和第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)。沖積層上部為硬塑粉質(zhì)黏土、粉土組合，局部夾雜砂卵石土；下部多為卵石土地層，局部夾雜粉質(zhì)黏土、砂土。隧道沿線地層中，卵石土地層占主，粉質(zhì)黏土次之，地層整體比例情況如圖1所示。

圖1 地層整體比例

在3號(hào)～2號(hào)盾構(gòu)區(qū)間的實(shí)際掘進(jìn)過程中，始發(fā)斷面為全斷面粉質(zhì)黏土地層，隨著盾構(gòu)不斷掘進(jìn)，開挖地層中砂卵石占比逐漸增多，進(jìn)入復(fù)雜互層段，直至最終進(jìn)入砂卵石土段，此時(shí)全斷面砂卵石占絕大多數(shù)。其中，復(fù)雜互層段在開挖斷面處存在卵石土、粉質(zhì)黏土、粉土和砂土等夾雜的情況，是3號(hào)～2號(hào)盾構(gòu)區(qū)間穿越的較為復(fù)雜地層段。3號(hào)～2號(hào)區(qū)間地層斷面如圖2所示。

圖2 3號(hào)～2號(hào)盾構(gòu)區(qū)間地層斷面示意

2 刀盤刀具配置

綜合考慮盾構(gòu)在砂卵石地層中的排渣要求、大直徑盾構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度、泥水盾構(gòu)掌子面穩(wěn)定性要求等因素，盾構(gòu)機(jī)采用輻條-面板式刀盤，刀盤直徑12.64 m，設(shè)計(jì)開口率為36%。同時(shí)，在刀盤中心預(yù)留中空區(qū)域，方便技術(shù)人員檢查前方刀具磨損情況，進(jìn)行換刀作業(yè)。

結(jié)合上述地層特點(diǎn)，刀盤主要采用切削型刀具配置，共設(shè)置5個(gè)刀臂，齒刀、刮刀與先行撕裂刀等各種刀具在刀盤上交錯(cuò)排列，使切割軌跡重疊，刀盤實(shí)物如圖3所示。其中，刮刀共計(jì)100把，寬220 mm，并配有先行刀撕裂刀38把、超挖刀2把、周邊鏟刀10把。在長(zhǎng)距離掘進(jìn)下，采用常壓換刀技術(shù)，在3號(hào)～2號(hào)盾構(gòu)區(qū)間段采用刮刀與先行撕裂刀組合配置，刮刀46把、先行刀34把。

圖3 清華園盾構(gòu)刀盤實(shí)物

3 現(xiàn)場(chǎng)開倉檢查情況

從摩擦學(xué)的角度來看，在砂卵石地層中，土體較為松散，刀具多與巖土顆粒發(fā)生磨粒磨損，同時(shí)存在大粒徑卵石沖擊磨損的可能性。從刀具的磨損特點(diǎn)來看，砂卵石土地層一般更易形成非正常磨損[17]。在3號(hào)～2號(hào)盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)過程中，為保證施工安全，分析刀具磨損情況，共進(jìn)行5次常壓開倉檢查，開艙位置分別對(duì)應(yīng)盾構(gòu)掘進(jìn)第230環(huán)、272環(huán)、321環(huán)、338環(huán)和394環(huán)處。經(jīng)檢查，撕裂刀(SLD)和左右刮刀(LGD 、RGD)均出現(xiàn)嚴(yán)重磨損情況，且存在偏磨、崩齒等非正常磨損，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)部分刀具磨損實(shí)物

刀具開倉檢查時(shí)根據(jù)磨損量對(duì)現(xiàn)場(chǎng)刀具磨損程度作出測(cè)定，磨損量即為所測(cè)刀具實(shí)際高度尺寸與刀具初始標(biāo)準(zhǔn)高度尺寸之差。

盾構(gòu)機(jī)于3號(hào)～2號(hào)區(qū)間掘進(jìn)至230環(huán)處，穿越地層以粉質(zhì)黏土為主，全長(zhǎng)約300 m，開挖斷面下部夾雜少量砂卵石土。于230環(huán)處，待檢查磨損刀具共3把，分別為33號(hào)撕裂刀、32號(hào)撕裂刀和33號(hào)右刮刀。經(jīng)量測(cè)，刀具磨損量均在15 mm以下，但32號(hào)撕裂刀存在非正常偏磨和螺栓孔磨損，后對(duì)其進(jìn)行更換。于230環(huán)至272環(huán)，盾構(gòu)共掘進(jìn)約84 m后再次停機(jī)檢查，該區(qū)段以粉質(zhì)黏土為主，砂卵石次之，粉質(zhì)黏土與砂卵石地層占比約為2∶1。272環(huán)處開倉后，發(fā)現(xiàn)刀具磨損較為嚴(yán)重，出現(xiàn)明顯磨損的刀具共18把，更換刀具14把，僅中心刀、12號(hào)撕裂刀、30號(hào)右刮刀和32號(hào)左刮刀仍可繼續(xù)使用。刀具磨損量多在15 mm以上，部分刀具磨損量達(dá)到40 mm，另有31號(hào)撕裂刀存在非正常偏磨。始發(fā)至272環(huán)處現(xiàn)場(chǎng)情況整理如表1所示，其中ZXD表示為中心刀。

表1 始發(fā)～272環(huán)刀具磨損情況統(tǒng)計(jì) mm

從272環(huán)至338環(huán)，盾構(gòu)共行進(jìn)約130 m，該區(qū)段開挖地層情況中砂卵石地層相較于前，占比變化較大，其總體比例逐漸超過50%，先后于321環(huán)、338環(huán)處進(jìn)行停機(jī)檢查。于321環(huán)處更換內(nèi)側(cè)12號(hào)撕裂刀，于338環(huán)處，再次檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)33號(hào)和32號(hào)撕裂刀均存在非正常偏磨現(xiàn)象。從338環(huán)至394環(huán)，盾構(gòu)共掘進(jìn)約112 m，該段在開挖斷面上砂卵石地層比例完全超過粉質(zhì)黏土，砂卵石與粉質(zhì)黏土含量比值約為1.5∶1。開倉后，發(fā)現(xiàn)刀具磨損十分嚴(yán)重，待檢查刀具共25把，包括撕裂刀18把和刮刀7把。其中，撕裂刀磨損量多大于20 mm，刮刀磨損量則多在10～20 mm。共發(fā)現(xiàn)6處非正常磨損，包括1處崩齒和5處偏磨，共更換刀具23把。272至394環(huán)處刀具磨損統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 272～394環(huán)刀具磨損情況統(tǒng)計(jì) mm

4 刀具磨損特點(diǎn)分析

4.1 刀具磨損分布情況

根據(jù)上述開倉的現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將刀具磨損分布情況整理如圖5所示，圖5中綠色表示從未更換過的刀具，藍(lán)色表示僅更換過1次的刀具，棕色表示累計(jì)更換過2次的刀具，紅色代表更換過3次及以上的刀具，其更易受到嚴(yán)重磨損。

圖5 刀具磨損分布情況

從圖5可明顯看出，對(duì)于先行撕裂刀來說，外側(cè)撕裂刀的整體磨損情況明顯嚴(yán)重于內(nèi)側(cè)，呈現(xiàn)出磨損程度隨刀具安裝半徑增大而增大趨勢(shì)，符合刀具軌跡半徑越大，磨損量累積越多的基本規(guī)律。其中，外側(cè)28SLD、30SLD、31SLD、32SLD、33SLD等為典型嚴(yán)重磨損撕裂刀，在掘進(jìn)期間進(jìn)行更換后仍然產(chǎn)生較大磨損量或非正常磨損，出現(xiàn)“磨損-更換-嚴(yán)重磨損”現(xiàn)象。

從不同刀臂的刀具磨損情況來看，外側(cè)撕裂刀的磨損存在一定程度不對(duì)稱分布，如3號(hào)臂最外側(cè)撕裂刀最大磨損達(dá)到65 mm，明顯高于1號(hào)臂與2號(hào)臂的撕裂刀最大磨損量，磨損整體也更深入刀盤內(nèi)側(cè)。以3號(hào)臂32SLD為例，在掘進(jìn)過程中經(jīng)歷3次以上更換，其“磨損-更換-嚴(yán)重磨損”現(xiàn)象也更為突出。

同時(shí)，比較撕裂刀與刮刀，先行撕裂刀磨損也要更嚴(yán)重，結(jié)合表1、表2，刮刀更換次數(shù)較少且大部分磨損量明顯小于撕裂刀。根據(jù)清華園隧道工程先行撕裂刀與刮刀組合配置的特點(diǎn)，刮刀布置于刀臂兩側(cè)，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中嵌入地層掘削、剝落土體，而刀臂中間處的先行撕裂刀則高出刮刀一定高度，先于刮刀沖擊破碎地層，保護(hù)刮刀?？梢娫谏奥咽c粉質(zhì)黏土夾雜的地層特點(diǎn)下，先行撕裂刀犁松效果明顯，刮刀得到了較為有效的保護(hù)，但外側(cè)撕裂刀在該地層下磨損嚴(yán)重。

相對(duì)于刮刀來說，刀盤內(nèi)側(cè)刮刀幾乎未受嚴(yán)重磨損，對(duì)刮刀的更換僅局限于各刀臂最外側(cè)零星區(qū)域。其中，31LGD與31RGD磨損相對(duì)嚴(yán)重，因此，除為刀具安裝半徑等因素造成磨損累積過大所導(dǎo)致外，從磨損分布來看，可能為所在刀臂撕裂刀(如19SLD、24SLD、20SLD等)磨損向刀盤內(nèi)側(cè)深入，致其犁松能力明顯減弱。

4.2 刀具磨損變化趨勢(shì)分析

從現(xiàn)場(chǎng)情況來看，3號(hào)～2號(hào)盾構(gòu)區(qū)間所開挖地層隨不斷掘進(jìn)變化較大。同時(shí)，刀具磨損變化特別是先行撕裂刀隨地層條件的差異也有較大變化。該工程條件下，盾構(gòu)刀具磨損特點(diǎn)及其同地層條件之間的變化關(guān)系仍需進(jìn)一步探討。

為更好地探究盾構(gòu)刀具在該地層條件下的磨損特點(diǎn)，通過式(1)與式(2)計(jì)算得刀具切削軌跡長(zhǎng)度l和刀具磨損系數(shù)k，并做進(jìn)一步分析。

l=L×N×π×d/v

(1)

k=δ/l

(2)

式中，L為兩次刀具檢查之間的掘進(jìn)距離；N為刀盤轉(zhuǎn)速；d為刀具安裝半徑；δ為刀具磨損量。

以先行撕裂刀為主要研究對(duì)象，部分已檢查先行撕裂刀的刀具安裝半徑整理見表3。

表3 部分撕裂刀的刀具安裝半徑 m

同時(shí)，針于變化較大的地層情況，進(jìn)行合理地層劃分。由于在盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和盾構(gòu)機(jī)工作情況同實(shí)際地層條件相關(guān)。其中，刀盤扭矩與掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)密切相關(guān)，可較好地反映刀具磨損和地層條件的變化[15]。為更好地了解實(shí)際掘進(jìn)情況，整理3號(hào)～2號(hào)盾構(gòu)區(qū)間220環(huán)至400環(huán)間的刀盤扭矩?cái)?shù)值，如圖6所示。

圖6 刀盤扭矩變化

從圖6可以看出，在275環(huán)之前，刀盤扭矩增長(zhǎng)緩慢，基本在6～8 MN·m之間變化；在275環(huán)之后，刀盤扭矩變化較為劇烈，變化范圍在6～11.5 MN·m，盾構(gòu)掘進(jìn)的地層條件與刀具磨損情況發(fā)生了顯著變化。刀盤扭矩變化與開倉檢查的刀具磨損情況較為一致。為方便對(duì)比不同地層條件下的刀具磨損趨勢(shì)，結(jié)合盾構(gòu)參數(shù)變化和實(shí)際開倉情況，將掘進(jìn)區(qū)段分為掘進(jìn)前段(0～272環(huán)，全長(zhǎng)約430 m)和掘進(jìn)后段(272～394環(huán)，全長(zhǎng)約245 m)。

4.2.1 刀具磨損隨安裝半徑變化

結(jié)合地勘情況可見，在掘進(jìn)前段，粉質(zhì)黏土地層占比保持在60%以上；在掘進(jìn)后段，砂卵石地層占比逐漸增多，粉質(zhì)黏土層占比逐漸小于40%。對(duì)上述現(xiàn)場(chǎng)情況按地層條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將兩段不同地層條件下刀具磨損隨安裝情況的變化整理如圖7所示。

圖7 刀具磨損統(tǒng)計(jì)

從圖7可見，掘進(jìn)前段撕裂刀的磨損系數(shù)基本在0.01～0.02 mm/km之間，最大為0.06 mm/km；掘進(jìn)后段撕裂刀的磨損系數(shù)分布則較為離散，多在0.02～0.05 mm/km之間。掘進(jìn)前后兩段磨損系數(shù)差值多在2～3倍。

同時(shí)，掘進(jìn)后段刀具的磨損系數(shù)隨刀具安裝半徑變化十分明顯，變化率約為0.014 mm/(km·m)，而在掘進(jìn)前段，刀具磨損系數(shù)隨刀具安裝半徑變化較小，變化率僅為0.003 9 mm/(km·m)?？梢?，砂卵石占比增多情況下，與刀具安裝半徑相關(guān)的刀具切削軌跡長(zhǎng)度對(duì)刀具磨損的影響較大，隨著切削軌跡增加，撕裂刀磨損呈劇烈且不穩(wěn)定變化。

4.2.2 刀具磨損隨切削軌跡變化

為進(jìn)一步分析不同地層特點(diǎn)下刀具磨損的變化規(guī)律，將撕裂刀磨損量與切削軌跡長(zhǎng)度的關(guān)系整理如圖8、圖9所示。由于在實(shí)際工程中，對(duì)單個(gè)刀具磨損無法隨切削累積隨時(shí)開倉檢查，因此，統(tǒng)計(jì)每次開倉時(shí)不同安裝半徑處撕裂刀磨損量與切削軌跡長(zhǎng)度，以不同位置撕裂刀的磨損狀況代替單個(gè)撕裂刀在掘進(jìn)中的不同磨損階段。

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，掘進(jìn)前段刀具的磨損變化基本可分為3個(gè)階段：第一階段，切削軌跡長(zhǎng)度小于1 200 km時(shí)，刀具磨損隨切削穩(wěn)定增長(zhǎng)，且符合線性變化規(guī)律，該階段磨損量在20 mm以下，刀具平均磨損系數(shù)約為0.012 5 mm/km；第二階段，切削軌跡長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)為1 200～1 500 km，磨損量隨切削軌跡增大，變化較前一階段趨緩，磨損量保持在20 mm左右；第三階段，當(dāng)切削軌跡長(zhǎng)度超過1 500 km后，刀具磨損進(jìn)入急劇磨損階段，磨損量增長(zhǎng)劇烈且不規(guī)律，進(jìn)入此階段的刀具(如30SLD)存在非正常磨損現(xiàn)象。此時(shí)撕裂刀磨損較為符合切削刀具“初期磨損-正常磨損-急劇磨損”的典型變化規(guī)律[17]。

圖8 掘進(jìn)前段撕裂刀磨損情況

圖9 掘進(jìn)后段撕裂刀磨損情況

在掘進(jìn)后段，由于磨損的離散性增強(qiáng)，為方便分析，直接采用分段擬合的形式，由圖9可以看出，刀具磨損由三階段變?yōu)?個(gè)階段：在第一階段，切削軌跡長(zhǎng)度小于800 km，此階段刀具磨損在20～25 mm之間，磨損變化并不明顯；當(dāng)切削軌跡長(zhǎng)度超過800 km時(shí)，刀具即進(jìn)入急劇磨損階段，在初期磨損后缺乏過渡階段，其最大磨損量超過60 mm，平均磨損系數(shù)達(dá)0.12 mm/km，該階段磨損量變化較掘進(jìn)前段更為明顯，分布也更為離散，且進(jìn)入此階段刀具(如30SLD、28SLD)在偏磨、崩齒等非正常磨損現(xiàn)象突出。不難發(fā)現(xiàn)，在粉質(zhì)黏土地層占主的掘進(jìn)前段，先行撕裂刀的最大容許切削軌跡線長(zhǎng)度應(yīng)在1 500 km以下，在砂卵石地層占主的掘進(jìn)后段，先行撕裂刀的最大容許切削軌跡長(zhǎng)度應(yīng)在800 km以下。

5 分析與討論

在砂卵石地層中，撕裂刀破巖主要依靠隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力形成錘擊，對(duì)地層中的卵石、礫石、飄石等進(jìn)行破碎。沖擊荷載為撕裂刀在接觸堅(jiān)硬巖土體時(shí)所遇主要荷載。在3號(hào)～2號(hào)區(qū)間盾構(gòu)行進(jìn)過程中，盾構(gòu)刀盤在物理力學(xué)性質(zhì)迥異的地層中運(yùn)動(dòng)，同時(shí)推進(jìn)速度始終保持在15～20 mm/mim，刀盤轉(zhuǎn)速為1.2～1.3 r/min、推力保持在50 000 kN的情況下，刀具受力難以保持穩(wěn)定，最終體現(xiàn)在刀盤扭矩的變化上(圖6)，特別對(duì)于外側(cè)刀具來說，在大粒徑砂卵石顆粒與刀具之間極易產(chǎn)生不穩(wěn)定的沖擊荷載，導(dǎo)致過度乃至非正常磨損。在掘進(jìn)后段中，隨著大粒徑卵石增多，刀具線速度增大所致的沖擊荷載增長(zhǎng)也更為明顯，導(dǎo)致了圖9中極為離散的磨損分布以及急劇的磨損增長(zhǎng)。

同時(shí)，撕裂刀先行沖擊的模式在實(shí)際施工中易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于撕裂刀掘削過程中先行伸入地層，刀具越高，所受沖擊越大，新更換撕裂刀與舊撕裂刀之間存在高度差，新更換刀具高度更高，首先接觸地層，如圖10所示，最易受到應(yīng)力集中，造成非正常磨損。

圖10 新更換撕裂刀應(yīng)力集中現(xiàn)象

從應(yīng)力集中的角度來看，對(duì)于28SLD、31SLD、32SLD等外側(cè)先行撕裂刀，由于受到較大沖擊荷載，較先發(fā)生磨損，因而先行更換，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象。同時(shí)，由于刀具磨損存在一定離散性，該現(xiàn)象在個(gè)別刀具上會(huì)更加惡化。如32SLD最先磨損更換，存在一定偶然性，但進(jìn)入砂卵石地層后，由于最先受到應(yīng)力集中影響，造成其磨損更為嚴(yán)重，所在刀臂應(yīng)力分布更加不均勻，導(dǎo)致一定的不對(duì)稱磨損。

6 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)刀具磨損統(tǒng)計(jì)，刀具磨損量隨切削軌跡長(zhǎng)度增長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)，且撕裂刀磨損程度高于刮刀。證明清華園隧道工程的刀具配置在砂卵石與軟土復(fù)合地層中，可有效減少刮刀損傷。

(2)當(dāng)?shù)貙又蟹圪|(zhì)黏土比例高于砂卵石時(shí)，撕裂刀磨損變化可分為3個(gè)階段，刀具最大容許切削軌跡長(zhǎng)度小于1 500 km；當(dāng)?shù)貙又幸陨奥咽癁橹鲿r(shí)，刀具磨損可分為2個(gè)階段，刀具最大容許切削軌跡長(zhǎng)度小于800 km。

(3)先行撕裂刀在差異較大地層中工作時(shí)，受堅(jiān)硬巖體的沖擊荷載影響較大，同時(shí)對(duì)于外側(cè)撕裂刀的更換易導(dǎo)致新刀具的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最終加劇外側(cè)刀具磨損。

(4)在砂卵石與軟土復(fù)合地層中，應(yīng)隨時(shí)關(guān)注刀盤扭矩變化，在砂卵石含量較高地段應(yīng)及時(shí)取較低刀盤轉(zhuǎn)速掘進(jìn)；對(duì)于外側(cè)刀具，可通過增設(shè)先行刀或加強(qiáng)刀具強(qiáng)度的方式減少磨損；對(duì)部分新更換撕裂刀需進(jìn)行加固處理，以減少應(yīng)力集中影響。