極端軟硬不均段地層盾構(gòu)刀具磨損及解決措施

李小龍

（中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510510）

1 工程概況

此次以珠機城際一期工程作為研究案例，其中金融島-橫琴站設(shè)計為雙洞單線隧道形式，隧道左線的起止樁號為：DK9+752～DK12+403.685，總長度設(shè)計為2.651km；右線起止樁號為：YDK9+796.198～YDK12+421.840，總長度設(shè)計為2.625km，隧道左右沿線全部使用盾構(gòu)法進行施工。

金融島—橫琴站區(qū)間隧道采用的是鋼混結(jié)構(gòu)的單層襯砌方法進行施工，其管片設(shè)計，為常規(guī)性的楔形環(huán)管片，管片的寬度控制在1.6m以內(nèi)；管片的厚度設(shè)計為400mm，管片安裝必須要錯縫形式進行施工，接縫部位需要做防水處理；管片的外徑設(shè)計為8500mm，內(nèi)徑設(shè)計為7700mm；單塊管片的重量設(shè)計為6.8t。

2 工程難點及對策

2.1 工程難點

該項目施工區(qū)域內(nèi)主要存在2處不良地質(zhì)：第一處的左右線起止樁號為：DK10+360-DK10+673、YDK10+382-YDK10+713，該區(qū)域剛好處于河道區(qū)域內(nèi)；第二處左右線起止樁號為：DK11+680-DK11+880、YDK11+645-YDK11+960，該處隧道的埋設(shè)深度控制在16～22m，地面結(jié)構(gòu)層中分布有天然氣管道、自來水管道、高壓線纜、雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)等。

該項目中的不良地質(zhì)數(shù)量較多，具體占比高達25%，不良地質(zhì)區(qū)域內(nèi)的巖石強度比較高，基本上為上層較軟、下層較硬的地層結(jié)構(gòu)。開挖斷面的上方存在大量碎石塊，開挖斷面臨近海域，在實際開挖的過程中應(yīng)盡可能放慢開挖速度，以降低刀具損壞的可能性。在實際施工過程中，盾構(gòu)機出現(xiàn)卡死、偏移、塌方等情況的可能性較大，會對盾構(gòu)施工帶來阻礙。

2.2 應(yīng)對措施

（1）正式施工前，施工單位對施工區(qū)域的地質(zhì)條件進行勘察，勘察的間距控制在3m～5m。

（2）根據(jù)勘察結(jié)果確定出科學合理的施工技術(shù)參數(shù)，掘進過程中觀察洞內(nèi)出土情況，根據(jù)土石比例確定出巖面的高度，結(jié)合分析結(jié)果對掘進技術(shù)參數(shù)進行合理優(yōu)化，最大程度降低刀具損壞的可能性。

（3）上層較軟、下層較硬的地層結(jié)構(gòu)中，巖石的強度比較高，結(jié)構(gòu)中的土質(zhì)主要是淤泥土、粉質(zhì)土，軟硬結(jié)構(gòu)層分界部位軟硬差距懸殊，會對刀具造成較大的損傷，可以換用低轉(zhuǎn)速進行鉆進作業(yè)，以降低滾刀受到的沖擊力。

（4）頻繁測量渣土的溫度，結(jié)合測量結(jié)果對發(fā)泡劑的注入量進行優(yōu)化調(diào)整，也可以達到降低刀具磨損的目的。

（5）上層較軟、下層較硬地層結(jié)構(gòu)的地質(zhì)條件不理想，地層結(jié)構(gòu)中含有大量碎石塊，導(dǎo)致加固作業(yè)的效率降低。為有效提升施工單位的作業(yè)效率，可以適當提高刀具更換標準。

3 不良地質(zhì)條件下盾構(gòu)刀具磨損分析

3.1 刀具磨損的過程

在盾構(gòu)掘進過程中，切削刀刀頭與土體推擠作用使被切土體產(chǎn)生變形，并成為土屑。因切削刀刀頭與切屑、刀具后面與切削下渣土的摩擦，使刀具在盾構(gòu)掘進的過程中產(chǎn)生磨損。刀具從磨損到損壞的過程可分3個階段：

（1）第一階段：初期磨損階段。刀具裝配完成后，可以發(fā)現(xiàn)前刀面和后刀面凹凸不平，通過儀器可觀察到在其表面有很多尖而小的“凸峰”。當受到土體作用和渣土摩擦時，這些“凸峰”會很快被磨平，這一階段很短，為初期磨損階段；

（2）第二階段：正常磨損階段。刀具經(jīng)過初期磨損后，后刀面會形成一部分磨損區(qū)域，使刀具與土體的接觸面增大，隨著切削時間的增加，刀具表面的磨損會加劇；

（3）第三階段：急劇磨損階段。在刀具磨損達到一定程度之后，刀具開始急劇磨損，這種磨損是不均勻、不規(guī)律的，甚至會產(chǎn)生崩刃。

3.2 刀具磨損的原因分析

盾構(gòu)刀具的磨損與地質(zhì)情況、刀具材質(zhì)、所在刀盤軌跡位置及掘進參數(shù)有關(guān)，并且隨著刀具切削里程的增加而增大。布置在刀盤外側(cè)的刀具由于掘進時線速度大，使得周邊的刀具磨損快、壽命短。刀具損壞的主要形式有刀具的磨耗和脫落，刀具的磨耗受刀具本身材質(zhì)、所受推力、地質(zhì)條件和刀具切入深度的影響，刀具崩落與安裝方法(焊接或螺栓連接)有關(guān)，施工時也受刀柄的磨耗和渣土的沖擊影響。盾構(gòu)在掘進中會遇到各種不同地層，從淤泥、黏土、砂層、砂卵石層到軟巖及硬巖等，開挖過程中刀具受力復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣。刀具的磨損與施工地層密切相關(guān)，淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土等地層對切削刀的磨損很小，而砂土、砂卵石礫石地層對刀具的磨損十分嚴重，非正常磨損急劇增大。

長距離、高強度的硬巖地層，使得原有設(shè)計目標值為較軟巖和較堅硬巖的輕型刀盤，在整體強度、刀具布局及配置方式、刀箱結(jié)構(gòu)、破巖理念上均出現(xiàn)明顯的不適應(yīng)性。具體表現(xiàn)為：（1）滾刀數(shù)量少，刀間距大，硬巖切削效果差；（2）周邊滾刀數(shù)量少，全斷面輝綠巖段保徑效果差，周邊鏟刀破壞明顯；（3）滾刀與齒刀在同一輻臂，硬巖地層表現(xiàn)配合不佳；（4）刀箱為輕型，長距離硬巖掘進后，發(fā)生變形；（5）滾刀螺栓及楔塊易受力變形，進而影響滾刀拆卸更換；（6）整體抗壓、耐磨性不足，長距離硬巖掘進后，發(fā)生磨損。

盾構(gòu)機在掘進上層較軟、下層較硬的地層結(jié)構(gòu)時，刀具受到的磨損程度最大，這也就意味著刀具出現(xiàn)損壞的可能性也最大。結(jié)合設(shè)計圖來看，隧道上層較軟、下層較硬的地層結(jié)構(gòu)總長度為1055m。在對左線進行施工時，更換了631把刀具，其中444把刀具屬于正常磨損更換；在對右線進行施工時，更換了868把刀具，其中515把刀具屬于正常磨損更換。

4 刀具磨損的解決措施

4.1 渣土改良

（1）泡沫劑的用量。泡沫劑中的原液占比控制在2%～5%，原液的配比量可以根據(jù)底層的含水量進行合理調(diào)整，發(fā)泡率保持在8～15倍之間。

（2）膨潤土的用量。膨潤土的比重確定為1.0s，發(fā)酵時間控制為24h，摻加量為20%～50%。

在實踐時，施工人員應(yīng)根據(jù)出渣部位的渣土情況、掘進技術(shù)參數(shù)對摻加劑的具體用量展開分析，不斷優(yōu)化摻加量，以保證發(fā)泡劑擁有良好的流動性，避免出現(xiàn)泥餅，降低刀具磨損程度[1-3]。

4.2 帶壓換刀

啟動作業(yè)倉與主倉之間的平衡控制閥門，確保作業(yè)倉與主倉之間的氣壓差保持平衡，然后使用專業(yè)檢測設(shè)備檢測倉內(nèi)的氣體，保證倉內(nèi)不存在有害氣體，控制人員在倉外填寫壓力控制表。滾動更換流程如下。

（1）現(xiàn)安裝臺面安裝并進行加固處理；使用吊帶對滾刀進行捆綁，確保滾刀的牢固性；利用吊鏈將滾刀掛住；松開螺帽的保護裝置；將墊圈移開并對壓塊進行調(diào)整；利用撬棍將滾刀撬開，結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，假若有需要則可以對螺桿進行加固；將滾刀從刀箱中移除，并將新裝置的滾刀移動至新部位；當新滾刀安裝完成以后，具體的安裝要求為：在安裝之前對底座進行清理，檢查底座是否發(fā)生變形；還需要兼顧滾刀移動的方向，確保滾刀安裝不會出現(xiàn)偏差；安裝入楔形塊；安裝可調(diào)節(jié)性的壓塊，使用螺母進行加固。

（2）當滾刀更換完成以后，作業(yè)人員會檢查刀盤及倉內(nèi)的實際情況，確保倉內(nèi)不會遺落不必要的其他物品。技術(shù)人員應(yīng)檢查排氣口、送風口、倉門的質(zhì)量，在檢查合格以后將倉內(nèi)的壓力消除[6-8]。

4.3 盾構(gòu)機的合理選型

4.3.1 盾構(gòu)機的參數(shù)選型

在選擇盾構(gòu)機時，必須保證盾構(gòu)機具備解決突發(fā)狀況的能力，同時盾構(gòu)機的性能不會與現(xiàn)場的地質(zhì)條件發(fā)生沖突，提高施工效率。施工單位在經(jīng)過全面考慮以后，確定出如下盾構(gòu)機選型技術(shù)參數(shù)：

（1）盾構(gòu)殼體：盾構(gòu)設(shè)備的外徑為Φ8780mm；盾構(gòu)機尾部的縫隙為30mm；盾構(gòu)機的長度為14950mm；盾構(gòu)機的寬度為12210mm；主機的長度為11250mm；盾構(gòu)機尾端的封閉處理：鋼絲刷+鋼板刷+槳板。

（2）注入管：①前端注漿管道：4個規(guī)格為3B（80A）的注漿管；6個規(guī)格為2B（50A）的注漿管；②構(gòu)件安裝位置：主倉的隔斷板數(shù)量為4個，盾體部位的隔斷板數(shù)量為6個；③注漿管類型：10個規(guī)格為3B（80A）的注漿管；④盾構(gòu)機外側(cè)注漿管：6根規(guī)格為2B（50A）的注漿管，注漿管設(shè)置為2排。

（3）左線刀盤：①刀盤類型：面板式刀盤；②外徑：Φ8820mm；③開口率：不得低于30.0%；④主切削口：配備130個削口；⑤外周保護口：配備12個；⑥導(dǎo)流切削口：配備10個；⑥底座保護：配備30個保護裝置；⑦磨損檢測：配備2個檢測裝置；⑧注漿管保護裝置：配備10個保護裝置；⑨單刃滾刀：配備40個滾刀；⑩雙刃滾刀：配備6套；?中間部位的滾刀：配備8套。

（4）右線刀盤：①刀盤類型：面板式刀盤；②外徑：Φ8820mm；③開口率：不得低于27%；④主切削口：配備130個削口；⑤外表面保護裝置：配備12個保護裝置；⑥導(dǎo)流切削口：配備10個削口；⑥底座保護裝置：配備30個保護裝置；⑦磨損檢測裝置：配備2個檢測裝置；⑧注漿管保護裝置：配備10個保護裝置；⑨單刃滾刀：配備40個滾刀；⑩雙刃滾刀：配備6套滾刀；?中間部位的滾刀：配備8套滾刀。

（5）刀盤主驅(qū)動：①刀盤驅(qū)動：配備12臺變頻設(shè)備，其中2臺作為備用設(shè)備；②刀盤的扭矩：常規(guī)作業(yè)扭矩設(shè)計為12082kN·m、脫困狀態(tài)下的扭矩設(shè)計為14498kN·m。

（6）推進系統(tǒng)：選擇使用雙閘型系統(tǒng)；設(shè)備的內(nèi)徑為1000mm；設(shè)備的扭矩為182.5kN·m。

（7）同步注漿系統(tǒng)：注漿注率確定為180%；采用柱塞泵；單液注漿泵數(shù)為2個。

（8）盾尾密封系統(tǒng)：選擇密閉式系統(tǒng)，使用鋼板刷進行封閉處理；耐壓數(shù)值為1.0MPa；配備2排鋼絲刷，1排鋼絲刷，1排鋼板刷。

（9）后續(xù)臺車：①類型：上下兩層結(jié)構(gòu)形式；②設(shè)備：注漿設(shè)備、油泵、變壓器、壓縮機等等；③臺座高度：12m；④數(shù)量：6節(jié)；⑤臺座牽引長度：1000mm；⑥軌道距離：2600mm；⑦臺座的空檔長度：3329mm。

4.3.2 盾構(gòu)機選型的注意事項

經(jīng)過綜合考慮以后，施工單位配備2臺盾構(gòu)機，規(guī)格為Φ 8.82m，這種盾構(gòu)機可以適應(yīng)現(xiàn)場的地質(zhì)條件，盾構(gòu)機的開口率可以滿足實際施工的各項技術(shù)參數(shù)需求。針對不良地質(zhì)路段，對盾構(gòu)機進行如下改進處理：

（1）假如巖土強度比較高的情況下，刀箱出現(xiàn)變形的可能性非常大，當?shù)断涑霈F(xiàn)變形以后，必然會對刀具的使用壽命造成負面影響。所以在刀箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要兼顧刀盤震動帶來的影響。

（2）刀盤在掘進過程中，會在外部作用力的影響下逐漸向盾體一側(cè)產(chǎn)生變形，這種情況下，刀具的受力情況會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致刀具損耗越來越嚴重。因此，在選擇刀具時，應(yīng)該優(yōu)先選擇剛度比較大的刀盤。

（3）螺旋機的容量機出土水平滿足實際作業(yè)的需求，但是在實際運行過程中，螺旋機出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象，在實際設(shè)計過程中應(yīng)該提高螺旋機的抗沖擊性能、抗剪性能。

（4）掘進至巖石層時刀盤磨損的程度明顯增大，建議可以適當提高圈梁材料的耐磨性。

（5）巖土層的渣土改良會對刀具的磨損狀況造成巨大的影響，本施工項目配備有2臺盾構(gòu)機，刀盤前側(cè)的管路出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象比較頻繁，但是由于刀盤更換比較頻繁，建議對管路出口部位進行優(yōu)化設(shè)計，增設(shè)防堵塞功能。

5 結(jié)束語

綜上所述，盾構(gòu)機的刀具磨損并非是某單一因素造成的，而是受多方面因素影響的結(jié)果，比如地質(zhì)條件、掘進深度、刀具自身的強度等。所以，在實際施工過程中，施工人員應(yīng)頻繁檢查刀具是否出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，結(jié)合施工技術(shù)參數(shù)對盾構(gòu)機的運行狀態(tài)進行分析，一旦檢查發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機出現(xiàn)異常，則應(yīng)該立即停止施工，并對相關(guān)構(gòu)件進行更換，避免強行作業(yè)出現(xiàn)更大的損失。