中風(fēng)化石英巖地層刀具磨損分析及對策措施

通過總結(jié)和分析江陰項目汽江區(qū)間左右線土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在中風(fēng)化石英砂巖地層中掘進(jìn)近530m的滾刀刀具磨損情況，對滾刀刀具磨損做出多種分類，并根據(jù)滾刀刀刃磨損的主要因素，提出滾刀刀刃磨損的對策，來指導(dǎo)今后中風(fēng)化石英砂巖地層中盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具選擇、配置及盾構(gòu)掘進(jìn)。

石英砂巖; 刀刃磨損; 分析; 措施

U455.43A

建筑設(shè)備與建筑材料建筑設(shè)備與建筑材料

［定稿日期］2023-02-20

［作者簡介］汪馮（1992—），男，本科，助理工程師，主要從事土木工程相關(guān)工作。

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Symbol`@@"" 工程概況

1.1" 汽車客運(yùn)站及江陰高鐵站工程概況和特點(diǎn)

汽車客運(yùn)站—江陰高鐵站區(qū)間出汽車客運(yùn)站后下穿花北路后沿規(guī)劃道路向南敷設(shè)，先后側(cè)穿碧桂園暨陽府、澄楊路工農(nóng)河橋，下穿工農(nóng)河，向東拐入江陰高鐵站。區(qū)間沿線地勢平坦，主要為空地。本區(qū)間左右線在里程右JXDK7+200.000—右JXDK7+900.000處下穿新建虹橋南路，道路紅線寬為40 m。

本區(qū)間右線采用一段曲線，曲線半徑為830 m；左線采用一段曲線，曲線半徑為815 m。線路中心線間距為14～17 m。區(qū)間縱斷面為“V”型節(jié)能坡，線路出汽車客運(yùn)站以24‰坡度下降，然后以緩坡5.14‰上升，最后再以17.065‰坡度上坡至江陰高鐵站。隧道埋深約為10.01～19.15 m（圖1）。

1.2" 區(qū)間地質(zhì)情況

本區(qū)地貌成因和形態(tài)類型是在印支—燕山運(yùn)動所奠定的基底構(gòu)造格局基礎(chǔ)上，經(jīng)受各種內(nèi)、外營力的長期作用而塑造成的?？傮w地貌屬長江三角洲沖積平原區(qū)-太湖沖湖積平原地貌，本區(qū)地層屬江南地層區(qū)江蘇部分。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，本分部地貌單元屬長江三角洲平原區(qū)的新三角洲平原。

汽車客運(yùn)站—江陰高鐵站區(qū)間主要穿越②2砂質(zhì)粉土、②3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②4粉質(zhì)黏土、③-1黏土、③-2粉質(zhì)粘土、⑥1黏土、⑥2黏土、⑥3粉質(zhì)黏土、⑥4粉質(zhì)黏土、B182強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖、B183中風(fēng)化石英砂巖。盾構(gòu)機(jī)換完滾刀后，主要穿越B182強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖、B183中風(fēng)化石英砂巖。

地質(zhì)勘探報告表明：B182強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖風(fēng)化強(qiáng)烈，巖石結(jié)構(gòu)大部分破壞，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯多呈碎屑狀、碎裂狀，巖體破碎，遇水易軟化。巖芯采取率為70%左右，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD約10%，承載力特征值fak為500 kPa，天然抗壓強(qiáng)度24.1～29.48 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度7.64～21.72 MPa。滲透系數(shù)4.0×10-4 cm/s，3.4×10-1m/d，弱透水。B183中風(fēng)化石英砂巖主要成分為石英，巖體裂隙略發(fā)育，巖芯多呈柱狀，少量碎塊狀，巖體較破碎，較軟巖。巖芯采取率為85%～90%，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD40%～50%，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。承載力特征值fak為800 kPa，天然抗壓強(qiáng)度38.02～40.9 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度25.08～28.67 MPa。滲透系數(shù)6.0×10-5 cm/s，5.2×10-2 m/d，弱透水，無需降水。

2" 刀盤配置

刀盤共配置刀具136把，其中刀盤中心可更換撕裂刀16把（中心滾刀1套，每套含8把滾刀；雙刃滾刀4套，每套含2把滾刀），刀盤中心刀設(shè)計如圖2所示。

正面及邊緣可更換撕裂刀28把，焊接型切削刀16把，正面刮刀40把，邊緣刮刀36把。磨損檢測刀（液壓型）2把，面板磨損檢測條2根，添加劑注入口保護(hù)刀5把，仿形刀1把，注入口保護(hù)刀6把（表1）。

3" 滾刀磨損分類

按其外觀特點(diǎn)和磨損程度的大小，將滾刀的磨損狀況分類：

3.1" 滾刀刀具均勻磨損

滾刀刀圈周邊各方位的磨耗程度相同的，屬于均勻磨損（圖3）。

3.2" 滾刀刀具非均勻磨損

滾刀刀刃周圍各部分的磨耗程度不一致，也就是偏磨發(fā)生了，叫磨耗不均。以偏磨形狀為基礎(chǔ)，又分為弦磨與刃磨兩種。

6邊緣刮刀邊緣36（1）弦偏磨。刀刃偏磨有單邊偏磨、多邊偏磨、軸承損壞三種情形：①單邊偏磨：安裝滾刀后不會隨著刀盤轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，或者安裝早期瞬時的旋轉(zhuǎn)，之后會停止旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致滾刀圈單邊弦磨損（圖4）；②多邊偏磨：單邊弦偏磨的發(fā)生偏磨角部受力集中而產(chǎn)生瞬間的轉(zhuǎn)角出現(xiàn)次邊弦偏磨，這樣循環(huán)的往復(fù)就會產(chǎn)生多邊角磨損（圖5）。該區(qū)域間滾刀的邊偏磨多達(dá)6處；③軸承損壞：沒有及時發(fā)現(xiàn)滾刀出現(xiàn)弦偏磨時，沒有及時更換刀具，導(dǎo)致偏磨日趨嚴(yán)重，讓整把滾刀報廢，直到軸承磨到滾刀的位置。這種磨削損失不但對刀具造成傷害，而且對刀盤的磨削也十分嚴(yán)重（圖6）。

建筑設(shè)備與建筑材料汪馮， 劉濤， 符忠祥： 中風(fēng)化石英巖地層刀具磨損分析及對策措施

（2）刃偏磨。從磨損形式上看，刀角兩側(cè)的磨損不均勻，與刀圈法線方向呈差異，刀尖邊緣不規(guī)則曲折狀，刀刃和刀圈法線方向為止。

（3）弦、刃都有偏磨的情況。施工過程中，發(fā)現(xiàn)滾刀上同時出現(xiàn)弦刃偏磨。

3.3" 滾刀刀圈崩裂

滾刀的刀圈直徑方向形成裂縫或崩裂，使?jié)L刀在受到很大的影響時喪失碎巖功能，同時也會產(chǎn)生刀圈掉艙的情況（圖7）。

4" 滾刀刀具磨損的影響因素

4.1" 地層因素

在實際施工過程中，滾刀磨損對石料的強(qiáng)度、硬度、磨削度、造巖礦物種類、開挖斷面的地質(zhì)均勻度等都有一定的影響。其中，滾刀磨耗速度的比率是：越不均勻的巖石，其強(qiáng)度、硬度、磨削度的變化速率愈快，一些區(qū)域的滾刀磨削度越不均勻，甚至?xí)?dǎo)致刀盤的損傷。

滾刀磨損對造巖礦物種類的影響是非常大的，這一點(diǎn)需要特別說明。當(dāng)巖石破碎時，首先產(chǎn)生的是礦物顆粒交界面的破碎，而大部分情況下顆粒本身并沒有破碎。所以滾刀的磨損雖然不會直接受到影響，但在刀刃前容易產(chǎn)生粘粉含量過高的結(jié)泥餅子，這也就間接造成了偏磨滾刀。

4.2" 滾刀的結(jié)構(gòu)功能和破巖功能

滾刀的磨損也要看其自身的結(jié)構(gòu)作用，并其適應(yīng)能力，或者是對巖土的破巖作用。

（1）滾刀刀具的直徑。但是，實際應(yīng)用表明，直徑6.94 m的中交天和盾構(gòu)機(jī)在其他相同條件下，在切削易崩解、易軟化的強(qiáng)風(fēng)石英砂巖和中風(fēng)化石英砂巖中，17寸的帶齒光圈滾刀比17寸不帶齒光圈滾刀破巖更有效，見圖8、圖9。

（2）滾刀刀刃數(shù)目。使用單刃滾刀，在中風(fēng)化石英砂巖地層中挖掘出進(jìn)度效果更為顯著。

（3）壓力最大的滾刀設(shè)計。施工過程中，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的有效推力過大，單個滾刀所分配的壓力已遠(yuǎn)大于其設(shè)計的最大壓力時，就會造成輪轂的損壞和密封性失效，從而導(dǎo)致滾刀無法正常轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)致滾刀刀圈的損壞。

4.3" 刀盤結(jié)構(gòu)外觀形式與滾刀刀具組合

刀盤是滾刀的載體，刀盤強(qiáng)度、開口率、開口均勻性與滾刀的磨損都有著有很大的關(guān)系。在滾刀磨損中，刀具結(jié)合、刀間距等也有不小的影響。不同的刀具，其線速率不同，滾刀在同一挖掘進(jìn)長度中所經(jīng)歷的軌道也不同，導(dǎo)致磨損不均勻的幾率也不同，刀具的磨損程度也會不同。

4.4" 盾構(gòu)施工控制因素

在盾構(gòu)挖掘技術(shù)控制中，滾刀磨損主要原因包含有：盾構(gòu)機(jī)的有效推力、施工環(huán)境（包括土壓、土艙內(nèi)溫度、開挖面表面動摩擦系數(shù)等）、刀具檢查頻率等。

滾刀的切割環(huán)境主要：有無土壓、表面干燥或者潮濕的開挖表面，以及泥漿和泡沫劑注入土艙或開挖表面的溫度和性能，這些都與滾刀的磨損有著很大的關(guān)系。

（1）在整體推力不變下，有效推力一方面會很大的程度降低；另一方面，與滾刀接觸密實石英砂巖渣土和磨蝕礦物時間變長，從而加速滾刀磨損均勻的速度。

（2）在磨削巖過程中，滾刀會產(chǎn)生大量的機(jī)械熱能，其中大多數(shù)的熱能都會被石碴排放，其中包含了滾刀，這些熱能會吸收部件的金屬部件，進(jìn)而增加金屬部件的溫度；另外一些部分熱會吸收水和散發(fā)到掌子面中的巖土。在高土壓時，大部分熱量都會隨著刀盤旋轉(zhuǎn)而聚集，主要集中于刀盤和開挖面，如果開挖面的吸熱性能比較差，則會導(dǎo)致在刀盤面板和開挖面之間形成熱區(qū)（highseat）。

（3）切割環(huán)境對摩擦因數(shù)有較大的影響，對耐磨性能有較大的影響，其作用程度甚至比自然因素大。例如：艙內(nèi)滿是淤泥，摩擦系數(shù)下降；空土艙干燥的環(huán)境，開挖面的動摩擦因數(shù)和土壓成立后的潮濕環(huán)境，泥漿環(huán)境，添加劑環(huán)境存在較大的差異。通常情況下，將水、泥漿、泡沫等添加劑注入到土壤中，減少動摩擦系數(shù)，使?jié)L刀在相同有效推力時不會產(chǎn)生順利旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生偏磨，從而降低刀盤扭矩，進(jìn)而降低土艙內(nèi)溫度，防止土艙內(nèi)結(jié)泥，保持開挖面穩(wěn)定。

5" 滾刀磨損的對策措施

實際情況下主要有觀察、測量、分析等三種判別滾刀刀刃磨損的方法。在對滾刀刀刃磨耗原因進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合對滾刀刀刃磨耗的判別，對滾刀刀刃磨耗有了有效的對策和措施加以控制（表2）。

5.1" 選用適合自身的施工工法

在設(shè)計階段，要依據(jù)盾構(gòu)開挖穿越的地質(zhì)狀況，選取適當(dāng)?shù)亩軜?gòu)施工工法。

5.2" 選用相應(yīng)的滾刀配置及刀具組合

5.2.1" 滾刀為主，刮刀、超挖刀作為輔助的施工掘進(jìn)模式

按照實際磨損，江陰項目汽江區(qū)間只涉及中風(fēng)化石英砂巖和強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖，邊緣切削滾刀刀具實際磨損系數(shù)取33 mm/km，正面和中心切削滾刀刀具實際磨損系數(shù)取25 mm/km。

實際過程中，汽江區(qū)間左線滾刀掘進(jìn)里程為247.2 m（972～1 178環(huán)），汽江區(qū)間右線滾刀掘進(jìn)里程為281.8 m（954～1 188環(huán)）。由地質(zhì)剖面圖可以得知：汽江左線中風(fēng)化石英砂巖里程195.6 m（972～1 135環(huán)），強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖里程51.6 m（1 135～1 178環(huán)）；汽江右線中風(fēng)化石英砂巖里程223.2 m（954～1 140環(huán)），汽江右線強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖里程58.6 m（1 140～1 188環(huán)）。汽江區(qū)間在石英砂層換刀情況如圖10所示。

光圈滾刀刀具實際磨損經(jīng)驗值。根據(jù)實際盾構(gòu)在中風(fēng)化石英砂巖和強(qiáng)風(fēng)化石英砂地層的掘進(jìn)中統(tǒng)計和總結(jié)，確定刀具在此地層的磨損情況（如：刀圈平均磨損1 mm/掘進(jìn)里程m）。

（1）中風(fēng)化地質(zhì)：中心滾刀平均磨損速度1 mm/10 m；正滾刀平均磨損速度1 mm/7 m；邊滾刀平均磨損速度1 mm/4 m。

（2）強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)：中心滾刀平均磨損速度1 mm/20 m；正滾刀平均磨損速度1 mm/16 m;邊滾刀平均磨損速度1 mm/8 m。

帶齒光圈滾刀刀具實際磨損經(jīng)驗值。根據(jù)實際盾構(gòu)在中風(fēng)化巖地層中的掘進(jìn)中統(tǒng)計和總結(jié)，確定刀具在此地層的磨損情況（如：帶齒刀圈平均磨損1 mm/掘進(jìn)里程m）。

（1）中風(fēng)化地質(zhì)：中心滾刀平均磨損速度1 mm/30 m；正滾刀平均磨損速度1 mm/20 m；邊滾刀平均磨損速度1 mm/10 m。

（2）強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)：中心滾刀平均磨損速度1 mm/40 m；正滾刀平均磨損速度1 mm/30 m;邊滾刀平均磨損速度1 mm/15 m。

從實際施工中可以看出，邊緣滾刀的磨損程度大于正面滾刀的磨損程度，正面滾刀的磨損程度大于中心滾刀磨損程度。其中邊緣滾刀換刀的把數(shù)最多，中心滾刀換刀把數(shù)最少。在實踐過程中可得出，相同條件下，滾刀磨損程度與滾刀線速率成正比例關(guān)系，見圖11。

由圖11可知，在相同條件下，帶齒光圈滾刀比光圈滾刀磨損程度更小，掘進(jìn)里程更長。通過對江陰項目汽江區(qū)間中風(fēng)化石英砂巖地層的盾構(gòu)施工實踐表明，發(fā)現(xiàn)在中風(fēng)化石英砂巖地層的挖掘過程中，滾刀宜選擇17寸帶齒光圈滾刀。

5.2.2" 確保出泥順暢

當(dāng)施工方案中選擇設(shè)計刀盤時應(yīng)確保足夠剛度，且開口

率應(yīng)設(shè)置均勻，以確保滾刀所切出的泥土可以順利地進(jìn)入土艙。

5.2.3" 滾刀承受的最大正應(yīng)力應(yīng)合理

以直徑6.94 m的中交天和盾構(gòu)機(jī)為例，實際施工采集的總推力最大在1 300～1 500 t之間，扭矩2 000～3 500 kN·m，常用的推力在1 000～1 500 t之間，扭矩2 000～3 500 kN·m。根據(jù)施工經(jīng)驗，傳導(dǎo)至刀盤的最大有效推力約占全部最大推力的40%～45%，也就是說，估計最大有效推力為585～675 t。常用的有效推力為400～600 t。如果以10 cm常規(guī)間距的滾刀為主，那么滾刀的每一刀盤布局?jǐn)?shù)量為44把，每一刀所需承受的正應(yīng)力最大不能小于15 t。

5.3" 盾構(gòu)施工對策措施

（1）必須正確判斷出有效推力大小，保證為了使?jié)L刀旋轉(zhuǎn)達(dá)到對巖土的有效切割和磨損均勻效果，具有充分的有效推力。

（2）滾刀和刮刀控制貫入度不會比高差大，減少了滾刀碎巖效果所受到的沖擊。

（3）對凸起或楔入到滾刀切削范圍內(nèi)的硬巖石，在剛更換完滾刀重新掘進(jìn)前，應(yīng)先鑿除；在掘進(jìn)時，應(yīng)放慢刀盤速度，將掘進(jìn)速度控制在20 mm/min以內(nèi)，這樣滾刀和巖面才能完全磨合，防止發(fā)生滾刀崩壞。

（4）磨損量限值的合理確定。一般可將前滾刀的磨損量設(shè)定在25～30 mm，中心滾刀的磨損量最好不要超過滾刀和刮刀之間的最大差值或最大30 mm。

（5）加強(qiáng)對涉及盾構(gòu)維護(hù)的機(jī)電人員的管理，經(jīng)常檢查，在刀具的科學(xué)管理上下功夫。在開挖面十分穩(wěn)定的條件下，對刀具的工作進(jìn)行檢查，可以采取開艙觀察和同時掘進(jìn)的方法。

（6）對地質(zhì)狀況及隧道線路變化情況進(jìn)行及時跟蹤，對施工參數(shù)進(jìn)行動態(tài)改善。

在汽江區(qū)間中風(fēng)化石英砂巖地層掘進(jìn)過程中總結(jié)得出：遵守現(xiàn)場地質(zhì)條件是基礎(chǔ)、盾構(gòu)機(jī)選型是關(guān)鍵、人的協(xié)調(diào)管理是基本的原則，才能控制中風(fēng)化石英砂巖地層盾構(gòu)挖掘施工中的滾刀嚴(yán)重磨損、崩裂。

參考文獻(xiàn)

［1］" 竺維彬，鞠世健.盾構(gòu)施工泥餅（次生巖塊）的成因和對策［J］.地下工程與隧道，2003（2）