盾構(gòu)機(jī)黏土復(fù)合地層掘進(jìn)刀具選型及改造

郝啟韜

莫斯科地鐵第三換乘環(huán)線(xiàn)西南段項(xiàng)目自開(kāi)建以來(lái)，工期緊張且施工區(qū)間暗挖隧道地質(zhì)存在大量全斷面黏土復(fù)合地層，在黏土復(fù)合地層中盾構(gòu)的施工效率一直受限較大，僅通過(guò)土體改良很難有效解決刀盤(pán)泥餅板結(jié)問(wèn)題，因此在各方面需進(jìn)行改善確保提高其施工效率，刀盤(pán)刀具的布置及改造工作顯的尤為重要。

一、工程概況

莫斯科地鐵第三換乘環(huán)線(xiàn)西南段項(xiàng)目包括3站4區(qū)間、9條隧道，盾構(gòu)區(qū)間穿越主要地層為黑褐色-棕色硬塑性砂質(zhì)黏土，含細(xì)砂和亞砂體夾層和透鏡體，含不超過(guò)25%的卵石，碎石；粉砂巖到灰黃致密含水細(xì)砂巖，少見(jiàn)塑性亞砂體和軟塑性砂質(zhì)黏土夾層，泥質(zhì)砂巖；致密含水亮褐色細(xì)砂巖，局部含灰色軟塑性砂質(zhì)黏土和粉砂夾層，泥質(zhì)砂巖。

二、盾構(gòu)機(jī)簡(jiǎn)介

1. 盾構(gòu)機(jī)概況

本區(qū)間采用5臺(tái)開(kāi)挖直徑6280mm鐵建重工生產(chǎn)DZ397、DZ398、DZ399、DZ400、DZ401土壓平衡盾構(gòu)機(jī)負(fù)責(zé)該項(xiàng)目區(qū)間隧道施工，主機(jī)外形尺寸：前盾φ6250mm，中盾φ6240mm，盾尾φ6230mm。

2. 刀盤(pán)及刀具布置情況

刀盤(pán)外形尺寸：裝刀開(kāi)挖φ 6 2 8 0 m m，總厚725mm。刀盤(pán)前端面有8條輻板（開(kāi)孔率40%），其上配有滾刀（撕裂刀）座、刮刀座和4根攪拌棒，刀盤(pán)與驅(qū)動(dòng)裝置采用法蘭連接，法蘭與刀盤(pán)之間是靠四根大臂相連，刀盤(pán)周邊焊有耐磨條，前端面焊有格柵狀的Vaudit耐磨保護(hù)材料。

三、黏土復(fù)合地層盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)分析

1. 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)至首次開(kāi)倉(cāng)階段參數(shù)

根據(jù)往期地鐵項(xiàng)目盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，刀盤(pán)扭矩始發(fā)階段掘進(jìn)素連墻刀盤(pán)扭矩較高，如若安裝滾刀數(shù)量較少，破巖能力差，所以導(dǎo)致始發(fā)階段在切削素墻過(guò)程中，刀盤(pán)扭矩較大，對(duì)撕裂刀的磨損較大。

圖1為0—258環(huán)刀盤(pán)扭矩變化趨勢(shì)，如圖所示96—258環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中開(kāi)始逐漸穿越黏土復(fù)合地層，扭矩逐漸開(kāi)始變大，推力持續(xù)增大且推進(jìn)速度緩慢，初步判斷為刀具磨損且刀盤(pán)泥餅板結(jié)嚴(yán)重、刀盤(pán)開(kāi)口率變小，刀盤(pán)切削能力變?nèi)?，?dǎo)致掘進(jìn)不順暢。

圖1 0—258環(huán)刀盤(pán)扭矩變化趨勢(shì)

在開(kāi)倉(cāng)后發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)泥餅板結(jié)極其嚴(yán)重，刀座與刀體被黏土包裹，失去其工作能力，刀盤(pán)開(kāi)口率變小，根據(jù)開(kāi)倉(cāng)工作人員反饋以及影像資料可知，刀具完全灌入到地層中，已失去其切削能力，邊緣線(xiàn)速度較大的位置泥餅板結(jié)偏軟，但是刀盤(pán)中心扭腿處泥餅嚴(yán)重干結(jié)，導(dǎo)致其產(chǎn)生的原因是刀盤(pán)泥餅與掌子面泥土面與面的摩擦，在這種狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間掘進(jìn)，在刀盤(pán)與掌子面間產(chǎn)生大量的熱量，致使刀盤(pán)中心處泥餅脫水而干結(jié)。

在黏土復(fù)合地層中掘進(jìn)由于黏土較軟，刀具刀痕很深，甚至已經(jīng)挨到刀具刀體，導(dǎo)致痕峰直接摩擦刀盤(pán)，在刀盤(pán)開(kāi)口格柵處逐漸生根形成泥餅，然后繼續(xù)推進(jìn)通過(guò)擠壓，大塊黏土塊進(jìn)入開(kāi)挖倉(cāng)而無(wú)法及時(shí)外排，逐漸導(dǎo)致刀盤(pán)中心處的泥餅板結(jié)，致使形成開(kāi)倉(cāng)后所呈現(xiàn)的泥餅大量板結(jié)在刀體、刀座、開(kāi)口格柵、刀盤(pán)扭腿位置。

2. 盾構(gòu)機(jī)開(kāi)倉(cāng)后掘進(jìn)分析

盾構(gòu)機(jī)開(kāi)倉(cāng)檢查清理完成恢復(fù)掘進(jìn)后，258—275環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)扭矩較帶壓開(kāi)倉(cāng)前有了明顯好轉(zhuǎn)，因在開(kāi)倉(cāng)過(guò)程中清理了刀盤(pán)開(kāi)口處黏著黏土塊和所板結(jié)的泥餅，但是到275環(huán)后續(xù)掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)扭矩開(kāi)始逐漸增大，由于刀盤(pán)開(kāi)始泥餅板結(jié)，推進(jìn)速度開(kāi)始變的緩慢，推進(jìn)困難，下圖2為258-380環(huán)刀盤(pán)扭矩變化參數(shù)。

圖2 258—380環(huán)刀盤(pán)扭矩變化參數(shù)

3. 刀盤(pán)泥餅板結(jié)對(duì)推進(jìn)的影響

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在黏土段推進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)泥餅板結(jié)趨于嚴(yán)重且開(kāi)口率變小，刀盤(pán)切削下來(lái)的黏土塊很容易就把刀與刀箱間隙填充起來(lái)，進(jìn)而把整個(gè)刀體包裹在黏土里面。刀體被包裹后不光失去了原有的作用，同時(shí)還會(huì)使刀周邊的黏土包裹面積擴(kuò)大，增加刀盤(pán)的運(yùn)行負(fù)載，使刀盤(pán)在掘進(jìn)過(guò)程中無(wú)法通過(guò)切削泥土來(lái)完成掘進(jìn)，而是刀盤(pán)泥餅與掌子面泥土摩擦，盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)只能依靠高推力、渣土擠壓式切削前進(jìn)，從而導(dǎo)致推力大卻推進(jìn)速度緩慢，下圖3和圖4分別為盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力變化趨勢(shì)圖和盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度趨勢(shì)圖。

圖3 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力變化趨勢(shì)圖

圖4 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度趨勢(shì)圖

由于刀盤(pán)泥餅的板結(jié)以及開(kāi)口率的變小，致使在掘進(jìn)過(guò)程中，刀具被黏土包裹，在刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)法良好的切削土體，因此導(dǎo)致大塊的形成，導(dǎo)致推進(jìn)困難、排渣不順暢，影響掘進(jìn)效率。

四、刀盤(pán)刀具布置及使用效果

1. 刀盤(pán)選型

刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式：在莫斯科地鐵西南段項(xiàng)目區(qū)間所穿越地質(zhì)有砂礫層、黏土層、以及多種軟硬不均復(fù)合地層情況，刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式采用面板式，支撐方式采用中間支撐式。

刀盤(pán)開(kāi)口率：盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)開(kāi)口率選擇40%，刀盤(pán)開(kāi)口部分加焊隔柵及粒徑限制器，只允許300mm以下粒徑的渣塊通過(guò)。

刀盤(pán)的耐磨措施：在刀盤(pán)的中心和邊緣及每個(gè)開(kāi)口槽的周?chē)ㄟ^(guò)合理選擇耐磨材料和合金鑲嵌技術(shù)進(jìn)行硬化處理并堆焊耐磨材料；在莫斯科地鐵西南段項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)改造中刀盤(pán)外圈焊接了4把保徑刀，刀盤(pán)周邊焊耐磨條和帶有合金的耐磨板，刀盤(pán)面板用進(jìn)口耐磨焊條焊接格柵狀耐磨網(wǎng)。

刀座設(shè)計(jì)：盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)上的滾刀刀座與重型撕裂刀（先行刀）刀座相同，根據(jù)地層滿(mǎn)足刀具互換性要求。

2. 刀具布置

在莫斯科地鐵西南段項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)邊緣位置的重型撕裂刀磨損嚴(yán)重，由于刀盤(pán)外緣撕裂刀線(xiàn)速度大，易磨損而失去其功能，部分刀具合金塊已經(jīng)磨損嚴(yán)重。從刀具檢查情況看，處于周邊的重型撕裂刀磨損嚴(yán)重而且很快失去其切削功效，所以在后續(xù)相同地層盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工過(guò)程中周邊刀具宜采用以滾刀為主的布置形式。

3. 刀具改造

對(duì)于在黏土地層盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)易快速板結(jié)泥餅，主要是由于現(xiàn)安裝刀具對(duì)黏土地層適應(yīng)性弱、渣土導(dǎo)流性差，切削下來(lái)的渣土易粘結(jié)于刀盤(pán)幅臂。另外大量的黏土和砂礫膠結(jié)堆積于開(kāi)挖倉(cāng)內(nèi)而形成較大塊狀，不易通及時(shí)外排，長(zhǎng)此以往導(dǎo)致黏土膠結(jié)體在刀盤(pán)處生根而板結(jié)泥餅趨于嚴(yán)重，所以需要對(duì)刀盤(pán)刀具的切削能力以及渣土的外排做改進(jìn)處理。

針對(duì)黏土復(fù)合地層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的適應(yīng)性，選擇性的減少刀盤(pán)正面刮刀數(shù)量。減少正面刮刀數(shù)量之后效果如下：

（1）由于正面刮刀位于刀盤(pán)開(kāi)口隔柵及粒徑限制器處，齒刀數(shù)量的減少，可以增大刀盤(pán)開(kāi)口槽的部分開(kāi)口率；

（2）掘進(jìn)過(guò)程中由于正面刮刀的減少，相鄰刃口切削形成的刀間距變寬，黏土復(fù)合地層屬于軟巖類(lèi)地質(zhì)，刀間距取值可以較大，所以滿(mǎn)足此段掘進(jìn)地質(zhì)的刀具切削要求；

（3）在黏土切削過(guò)程中對(duì)切削下的渣土形成導(dǎo)流作用，更易從開(kāi)口處更快的排出；

（4）減少正面刮刀且每個(gè)切削軌跡線(xiàn)均保證有正面刮刀，刀盤(pán)在調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)方向的時(shí)候，所保留的正面刮刀受力平衡，不產(chǎn)生刀具受力偏載。

在黏土地層中，為了解決快速板結(jié)泥餅問(wèn)題，需要改進(jìn)刀具配置。首先，減少正面刮刀數(shù)量可以增大刀盤(pán)開(kāi)口槽的部分開(kāi)口率，并使刀間距增大，以適應(yīng)軟巖類(lèi)地質(zhì)的切削需求。同時(shí)，注意保護(hù)拆下的正面刮刀刀座，采用耐磨鋼板覆蓋并用螺栓緊固，以減輕刀盤(pán)面板的沖擊。

在減少正面刮刀后，進(jìn)入試驗(yàn)階段時(shí)要統(tǒng)計(jì)推進(jìn)參數(shù)并與原始刀具配置的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估新刀具配置在黏土復(fù)合地層中的適應(yīng)性。同時(shí)，關(guān)注刀盤(pán)磨損檢測(cè)器壓力表數(shù)據(jù)，觀察刀具和刀盤(pán)的磨損情況。

為增加對(duì)黏土的切削效果，可以將部分重型撕裂刀更換為貝殼型輕型撕裂刀，利用輕型撕裂刀的小而鋒利的刀頭增加切削效果。將正面重型刮刀更換為輕型刮刀可以減小刀頭磨損，并降低對(duì)黏土的切削力差。

為了確保切削刀具能有效地刮削土層進(jìn)入開(kāi)挖倉(cāng)，可以將正面刮刀刀頭改為尖銳的款式（如圖5），并將刀頭合金位置調(diào)整到160mm，增加刀間距，更適應(yīng)黏土軟土地層的掘進(jìn)。由于黏土成巖程度較淺，刀頭尖銳的正面刮刀和較大的刀間距有助于刀盤(pán)在黏土復(fù)合地層中快速切削黏土，并及時(shí)排出渣土，從而減輕刀盤(pán)泥餅的板結(jié)速度。

圖5 正面刮刀尖齒改造

通過(guò)以上刀具改進(jìn)措施，可以提高盾構(gòu)機(jī)在黏土復(fù)合地層中的掘進(jìn)效果，并減少板結(jié)泥餅的形成。

五、結(jié)論

在黏土復(fù)合地層中，通過(guò)合理的刀具安裝選擇和更換尖齒正面刮刀后及貝殼型輕型撕裂刀后，刀具切削能力變強(qiáng)，相應(yīng)的會(huì)導(dǎo)致刀具的磨損速度加快，刀具壽命變短，刀具刀頭合金部位需要加強(qiáng)，以此來(lái)增加刀具的工作壽命；刀具的選擇性改造可以更有效地刮削土層進(jìn)入開(kāi)挖倉(cāng)中，快速有效地外排渣土，減少渣土不能有效快速外排或堵排出渣口現(xiàn)象，減緩渣土在開(kāi)挖倉(cāng)中堆積，從而減緩泥餅的板結(jié)速度，可有效提高盾構(gòu)的掘進(jìn)效率，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。