復(fù)合地層隧道掘進(jìn)施工的盾構(gòu)刀具磨損控制技術(shù)

吳沫橋

摘要：簡述目前有關(guān)盾構(gòu)刀具磨損的研究情況，分析盾構(gòu)刀具切削和磨損機(jī)理，基于穩(wěn)定掘進(jìn)面土體、采用雙液漿加固土體、適時(shí)改良渣土性能、合規(guī)操縱盾構(gòu)機(jī)施工、合理控制掘進(jìn)參數(shù)和提高刀具耐磨性能等措施，闡述盾構(gòu)刀具磨損控制技術(shù)，通過地鐵盾構(gòu)工程實(shí)例驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合地層；盾構(gòu)施工；刀具磨損；控制技術(shù)

0? ?引言

在地鐵和公路隧道工程施工中，盾構(gòu)技術(shù)已成為一種成熟且廣泛應(yīng)用的隧道施工方法[1]。在盾構(gòu)施工中，難免會(huì)遇到復(fù)合地層。例如盾構(gòu)段下部是高硬度巖石層，而其上部則覆蓋了粉質(zhì)沙層。在這種工況下進(jìn)行盾構(gòu)施工，隧道的設(shè)計(jì)軸線容易發(fā)生偏移，造成盾構(gòu)掘進(jìn)不穩(wěn)定，導(dǎo)致盾構(gòu)土體發(fā)生沉降。

在復(fù)合地層進(jìn)行盾構(gòu)施工，還會(huì)加劇盾構(gòu)機(jī)刀具的磨損，為此需要深入研究在復(fù)合地層進(jìn)行盾構(gòu)施工刀具磨損的控制問題。

1? ?盾構(gòu)刀具磨損研究情況

目前國內(nèi)對(duì)盾構(gòu)機(jī)施工中刀具磨損問題的研究仍然不多。樊翔翔等[2]基于小波時(shí)頻來監(jiān)測刀具磨損情況，并對(duì)刀具磨損參數(shù)與掘進(jìn)距離之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)以某隧道為例，研究了減少各種儀器使用的方法。

孫鵬飛等[3]收集了不同地質(zhì)情況下的刀具組合方案，探索了挖掘隧道過程中的各種參數(shù)和系數(shù)，提出了在砂和石地層隧道中更換刀具的原則。劉浩等[4]利用PFC三維離散元軟件，對(duì)切割頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和地壓平衡儀的應(yīng)力與涂層進(jìn)行了研究，提出了一種基于離散單元法的土壓力控制方法，并在富砂地層和砂石地層中進(jìn)行了隧道掘的質(zhì)量和定量分析。EDEM（離散元素法建模）軟件也被用于研究隧道防護(hù)設(shè)備在不同類型斷面和土壤覆蓋下的使用特性。

總體來看，上述研究對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具磨損的適用性仍顯不足。基于此，本文結(jié)合佛山市城市軌道交通3號(hào)線太平站至興業(yè)路站隧道盾構(gòu)工程施工實(shí)際，詳細(xì)論述了復(fù)合地層隧道掘進(jìn)施工的盾構(gòu)刀具磨損控制技術(shù)。

2? ?盾構(gòu)刀具切削和磨損機(jī)理

2.1? ?盾構(gòu)刀具切削機(jī)理

盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中，其刀盤上安裝的盾構(gòu)刀具至關(guān)重要。盾構(gòu)刀具主要分為滾壓刀具和切割刀具兩種，這些刀具主要用于破碎和切割刀盤前方的巖土，特別適用于破碎和切割固體巖石。

在盾構(gòu)機(jī)操作人員操作下，通過盾體推進(jìn)和刀盤滾動(dòng)，滾壓刀具上的滾輪將石塊壓縮成盤狀，從而有效消除刀盤前面遇到的堅(jiān)硬巖石[5]。

當(dāng)施加在石頭上的力超過其強(qiáng)度時(shí)，石頭會(huì)在中心圓形區(qū)域形成斷裂，并隨著刀具的繼續(xù)切割而被剝離。在切割刀具刃腳的切削作用下，切削層的土體沿刀刃方向產(chǎn)生分離。

2.2? ?盾構(gòu)刀具磨損機(jī)理

在選擇盾構(gòu)施工刀具時(shí)，主要依據(jù)是所面對(duì)的土體類型。在切割軟土和粘土層時(shí)，通常選用滾動(dòng)切割刀具；在切割堅(jiān)硬巖石層時(shí)，則選用滾刀；在切割砂層時(shí)，則配備大型滾刀。刀具的磨損機(jī)理可分為粘著、磨料、疲勞、化學(xué)和微動(dòng)磨損等5類，如表1所示。

3? ?盾構(gòu)刀具磨損控制技術(shù)

3.1? ?穩(wěn)定掘進(jìn)面土體

通過穩(wěn)定掘進(jìn)面土體，可有效解決盾構(gòu)施工中刀具磨損問題?？刹捎脷鈮悍ㄔ黾佣軜?gòu)掘進(jìn)面的氣壓，以穩(wěn)定被切削的土體。也可采用土體加固法改善被切削土體的松散狀況。

相關(guān)研究表明，復(fù)合地層上部土體的穩(wěn)定性較差。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)面與地面之間存在泄壓通道時(shí)，可通過額外大氣壓方法穩(wěn)定盾構(gòu)機(jī)刀盤前方土體。為了應(yīng)對(duì)刀具磨損的不可預(yù)測性，在盾構(gòu)刀具處安裝隔離板，可有效隔離或減少盾構(gòu)刀具與掘進(jìn)面泥土的直接摩擦。為了確保盾構(gòu)施工順利進(jìn)行且不影響盾構(gòu)隧道的穩(wěn)定性，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)奶畛涮幚聿牧蟍6]。

3.2? ?采用雙液漿加固土體

以水泥和水玻璃為主、添加水，必要時(shí)添加附加劑，按照一定配合比制成的雙液漿，在隧道盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，可用于加固隧道上方的土體。采用雙液漿加固隧道上方土體，可有效控制雙液漿在土體中的化學(xué)膠凝與物理膠凝時(shí)間，有效控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中的地面沉降，大幅度提高隧道的穩(wěn)定性和防水性能，顯著提高隧道上方土體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

同時(shí)可在不超過盾構(gòu)施工對(duì)土體的允許值前提下，有效減少土體對(duì)盾構(gòu)機(jī)及其刀盤的壓力和摩擦力，利于刀具對(duì)土體的切削，減少土體對(duì)刀具的磨損。雙液漿加固區(qū)縱剖面如圖1所示。

3.3? ?及時(shí)入艙清理和維修

進(jìn)入土艙之前，首先打開艙門檢查艙內(nèi)的空氣質(zhì)量，確保不存在有害氣體、空氣質(zhì)量安全后，施工、技術(shù)人員方可進(jìn)入土艙。施工人員進(jìn)入土艙后，清理土艙內(nèi)的石塊，特別要清理輸送帶入口處的石塊。

技術(shù)人員要檢查刀盤、刀具的完好狀態(tài)，記錄刀具磨損情況、損壞數(shù)量等信息，確定需要更換的刀具型號(hào)和數(shù)量并進(jìn)行刀具更換。更換刀具時(shí)，注意刀具磨損的平衡性，不要一次性更換多個(gè)刀具，以避免不必要的浪費(fèi)。

在開艙在檢查過程中，技術(shù)人員若發(fā)現(xiàn)監(jiān)測儀器參數(shù)不符合規(guī)定值，應(yīng)對(duì)儀器進(jìn)行必要的檢查和調(diào)整，以確保其所有參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，從而確保盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)施工。

3.4? ?適時(shí)改良渣土性能

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)復(fù)合地層之前，操作人員應(yīng)采取措施，選用種類合適、注入方式合理、注入量充足的添加劑，改良渣土的性能，增強(qiáng)渣土的流動(dòng)性。

例如可將適量的泡沫劑等切削液添加到渣土中，以便在硬巖地段掘進(jìn)時(shí)減少刀具摩擦阻力，在軟巖地段掘進(jìn)時(shí)防止或減少刀盤因渣土高溫導(dǎo)致其結(jié)出泥餅、刀具被堵塞問題。

3.5? ?合規(guī)操縱盾構(gòu)機(jī)施工

為確保復(fù)合地層隧道掘進(jìn)施工的有效進(jìn)行，操作人員必須嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)要求，精確控制盾構(gòu)機(jī)施工進(jìn)程，確保盾構(gòu)機(jī)平穩(wěn)掘進(jìn)、緩慢切削。將盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度控制在3～10mm/min的范圍之內(nèi)，以保持切削巖土的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在施工過程中密切關(guān)注刀盤運(yùn)行參數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)調(diào)整或停機(jī)檢查，確保所有參數(shù)符合規(guī)定值。

3.6? ?合理控制掘進(jìn)參數(shù)

為了優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)施工效果和減少刀具磨損，需要合理控制掘進(jìn)參數(shù)。這些掘進(jìn)參數(shù)包括盾構(gòu)機(jī)推力、推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩等。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)刀盤的轉(zhuǎn)速應(yīng)保持在1r/min，該轉(zhuǎn)速不僅可有效降低刀具的應(yīng)力，延長其使用壽命，還可以優(yōu)化單次切削深度，提高掘進(jìn)效率。

3.7? ?提高刀具耐磨性能

在復(fù)合地層盾構(gòu)施工時(shí)，為了增強(qiáng)盾構(gòu)刀具在不同地質(zhì)條件下的耐磨性，可應(yīng)用新型刀具替代傳統(tǒng)刀具。例如選用新型高硬度高耐磨性涂層刀具，可有效減少刀具的磨粒磨損，延長刀具使用壽命。

4? ?基于實(shí)際工程的實(shí)驗(yàn)論證

為驗(yàn)證本文所述復(fù)合地層隧道掘進(jìn)施工的盾構(gòu)機(jī)刀具磨損控制技術(shù)的有效性，設(shè)置傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2作為對(duì)照組，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

4.1? ?工程概況

本實(shí)驗(yàn)以佛山市城市軌道交通3號(hào)線太平站至興業(yè)路站區(qū)間隧道盾構(gòu)工程施工為研究對(duì)象。該區(qū)間沿線構(gòu)筑物種類繁多，包括霍燦廠區(qū)橋梁工程、興業(yè)路箱涵橋工程、東南一號(hào)泵站、塘頭科技園、長風(fēng)皮長橋、豪皮廠橋和科技大道箱涵等多個(gè)工程項(xiàng)目。

在掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)需穿越全風(fēng)化紅層碎屑巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉細(xì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化中粗砂巖、中風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化粉細(xì)砂巖、中風(fēng)化中粗砂巖、微風(fēng)化粉砂巖等。在這些地層中，泥質(zhì)粉砂巖和中粗砂巖地層的磨損系數(shù)較高，對(duì)盾構(gòu)刀具的耐磨性提出了更高要求。

4.2? ?對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的復(fù)合地層隧道掘進(jìn)施工的盾構(gòu)刀具磨損控制技術(shù)的有效性，進(jìn)行了三種方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，收集了33次開艙監(jiān)測的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。3種不同方法的刀具最大磨損量如表2所示。

4.3? ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2可知，與傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2相比，本文研究的方法在控制刀具磨損方面取得了顯著的效果，盾構(gòu)機(jī)3種刀具的平均最大磨損量分別減少了26.6mm、21.6mm和20.7mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用本文研究的方法能夠更有效控制盾構(gòu)刀具的磨損，延長刀具的使用壽命，提高盾構(gòu)掘進(jìn)施工效率。

5? ?結(jié)束語

總之，盡管在隧道施工過程中盾構(gòu)機(jī)刀具的磨損問題難以免，但是通過采取適當(dāng)?shù)膬?yōu)化和改進(jìn)措施，可以有效控制刀具磨損程度。

本文結(jié)合隧道盾構(gòu)工程施工實(shí)例，詳細(xì)探討了復(fù)合地層隧道掘進(jìn)施工的盾構(gòu)刀具磨損控制技術(shù)，旨在為類似工程提供有價(jià)值的參考和借鑒。

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