廣州“紅層”地質(zhì)盾構(gòu)機(jī)滾刀磨損與掘進(jìn)參數(shù)特性分析

董漢軍，譚嘯峰，楊釗，翟世鴻，楊擎

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430040）

城市地鐵隧道施工中，盾構(gòu)法因其施工對(duì)周邊環(huán)境影響小而得到了廣泛應(yīng)用。基礎(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)特征是確定盾構(gòu)工法的先決條件。廣州紅層盾構(gòu)施工取得了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)[1-2]，但是針對(duì)紅層掘進(jìn)參數(shù)特性分析與壓柱式鑲齒滾刀磨損的研究成果較少，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的精細(xì)化管理。本文以廣佛地鐵12標(biāo)工程為依托，基于現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)參數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，給出了紅層地層掘進(jìn)參數(shù)匹配關(guān)系和滾刀改造方案。

1 工程概況

廣佛地鐵12標(biāo)包含2站2區(qū)間，菊西區(qū)間長(zhǎng)為1 916 m，西鶴區(qū)間長(zhǎng)為664 m。采用直徑為6 260 mm的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，線路平面最小曲半徑300 m。管片設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左轉(zhuǎn)彎環(huán)+右轉(zhuǎn)彎環(huán)，管片外徑6 000 mm，管片環(huán)寬1 500 mm，管片厚度300 mm，采用錯(cuò)縫拼裝。

盾構(gòu)區(qū)間沿線表層分布較多軟土，兩個(gè)區(qū)間左右線隧道主要穿越的地層為全風(fēng)化至微風(fēng)化的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，最大單軸抗壓強(qiáng)度為33.9MPa。部分段線路經(jīng)過(guò)一段約600 m的古河道，主要為淤泥、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、蠔殼片中粗砂、中粗砂地層，以及上部砂層、下部泥質(zhì)粉砂巖的上軟下硬地層。隧道地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 地質(zhì)剖面圖

2 滾刀磨損分析

2.1 滾刀破巖機(jī)理

在盾構(gòu)機(jī)推力作用下，盤(pán)形滾刀緊壓在巖面上，在刀盤(pán)扭矩作用下，盤(pán)形滾刀繞刀盤(pán)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也繞其自身軸自轉(zhuǎn)。當(dāng)盤(pán)形滾刀的有效推力超過(guò)巖石強(qiáng)度時(shí)，盤(pán)形滾刀貫入巖層，在巖層中形成壓碎區(qū)和放射性裂紋。當(dāng)盤(pán)形滾刀的間距滿(mǎn)足一定距離時(shí)，相鄰滾刀之間的放射性裂紋相互貫通，形成巖石碎片在自重作用下從開(kāi)挖面剝離[3]。

2.2 滾刀允許磨損量確定

本工程滾刀采用Robbins公司生產(chǎn)的0.43 m（17英寸）滾刀。滾刀開(kāi)挖直徑為6 300 mm，刮刀開(kāi)挖直徑為6 290 mm，盾殼直徑為6 260 mm，滾刀高出切削刀40 mm，如圖2所示。

圖2 滾刀與切削刀高差圖

根據(jù)滾刀高出切削刀40 mm，擬定正面滾刀的最大磨損量為30 mm。根據(jù)滾刀開(kāi)挖直徑較盾殼開(kāi)挖直徑大30 mm，擬定邊滾刀最大磨損量為15 mm。因?yàn)闈L刀破巖采用多刃切削技術(shù)，即要求整盤(pán)滾刀協(xié)同作業(yè)，相鄰滾刀刀刃高度相差不能過(guò)大，否則相鄰滾刀之間的放射性裂紋不能貫通，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定相鄰滾刀之間的磨損量之差不得大于15 mm。

2.3 刀具磨損情況統(tǒng)計(jì)

隧道區(qū)間主要穿越地層為中風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化的粉砂質(zhì)泥巖，掘進(jìn)時(shí)采用空艙掘進(jìn)，但由于泥巖中黏粒含量多，在刀盤(pán)中心區(qū)域、刀箱背面和主牛腿等區(qū)域易結(jié)餅?zāi)?，使得滾刀發(fā)生偏磨。刀盤(pán)中心結(jié)餅后，盾構(gòu)機(jī)啟動(dòng)推力瞬間增長(zhǎng)且在掘進(jìn)過(guò)程中隔艙板溫度較高，易判斷，可以及時(shí)進(jìn)艙處理。刀盤(pán)邊滾刀刀箱結(jié)餅后，邊滾刀的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩小于其啟動(dòng)扭矩而造成滾刀偏磨。邊滾刀刀刃間距較小，單一滾刀偏磨后，難以從掘進(jìn)參數(shù)上準(zhǔn)確判斷。只有當(dāng)多把邊滾刀均發(fā)生磨損，才表現(xiàn)出推力增大，掘進(jìn)速度增長(zhǎng)緩慢的現(xiàn)象。

在前550環(huán)，平均掘進(jìn)速度為13 m/d，每掘進(jìn)2個(gè)星期進(jìn)艙查刀換刀，平均每次更換4.8把邊滾刀，平均每次約有1.8把滾刀發(fā)生偏磨。刀具磨損情況及550環(huán)邊滾刀磨損統(tǒng)計(jì)分別見(jiàn)圖3和表1。

圖3 刀具磨損照片

表1 邊滾刀磨損統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，單把滾刀的有效掘進(jìn)長(zhǎng)度約為36 m，邊滾刀的耐磨性和防偏磨效果不佳，需對(duì)邊滾刀進(jìn)行改進(jìn)，降低換刀頻率，從而保證盾構(gòu)掘進(jìn)的效率。

由圖3可知，邊滾刀發(fā)生了刀圈崩裂、軸承損壞、軸承進(jìn)漿和刀圈偏磨等多種非正常磨損形式，因而說(shuō)明需對(duì)滾刀的刀圈韌性、軸承的承載能力、軸承的密封性能進(jìn)行改善。

2.4 刀具改進(jìn)

在軟土層掘進(jìn)中，滾刀的啟動(dòng)扭矩過(guò)大，由于滾刀附著力不足以達(dá)到啟動(dòng)扭矩而引起滾刀偏磨；在泥巖層掘進(jìn)中，由于滾刀刀箱被糊住，滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力扭矩過(guò)大，滾刀的附著力不足以克服阻力扭矩而引起滾刀偏磨。主要原因?yàn)楦街μ峁┑膯?dòng)扭矩小于阻力扭矩，對(duì)于軟土層，主要通過(guò)減小滾刀的啟動(dòng)扭矩來(lái)減少偏磨；對(duì)于泥巖層，主要通過(guò)增大滾刀的附著力來(lái)減少偏磨。

刀圈崩裂的主要原因是由于刀圈的沖擊韌性不足，需提高其沖擊韌性，增大材料裂紋的擴(kuò)展，防止刀圈崩裂。

通過(guò)與刀具廠商溝通，決定采用壓柱式鑲齒滾刀，相比于Robbins滾刀作了如下改進(jìn)：

1）采用鑲球齒刀圈，增大滾刀附著力，減少滾刀偏磨；

2）球齒為鎢鈷硬質(zhì)合金，硬度HRA86-87，耐磨性大大提高；

3）球齒與巖層為點(diǎn)接觸，而普通滾刀刀刃為面接觸，點(diǎn)接觸使得巖體內(nèi)應(yīng)力集中，加大破巖工效；

4）為了提高刀圈的沖擊韌性和方便球齒壓入，刀圈本體材料選用了韌性更佳、強(qiáng)度較小的MD鋼材；

5）為了加強(qiáng)本體材料的耐磨性，且更好地支撐球齒，在刀圈兩側(cè)堆焊耐磨層，硬度達(dá)HRC60以上；

6）采用平衡活塞調(diào)壓裝置，使其密封更為可靠；

7）采用TIMKEN軸承和優(yōu)質(zhì)合金鋼及工藝，保證刀具有足夠的承載能力。

壓柱式鑲齒滾刀如圖4所示。

圖4 鑲齒滾刀圖片

2.5 改造效果與換刀距離預(yù)測(cè)

在其后720環(huán)掘進(jìn)中，經(jīng)過(guò)數(shù)次開(kāi)倉(cāng)檢查與更換邊滾刀，只有兩把單刃滾刀發(fā)生了嚴(yán)重的偏磨現(xiàn)象，更換邊滾刀的數(shù)量約為前期平均值的一半。這說(shuō)明壓柱式鑲齒滾刀的耐磨性與防偏磨效果顯著，壓柱式鑲齒滾刀適用于廣州地區(qū)的紅層掘進(jìn)。

根據(jù)已有的刀具磨損測(cè)量數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)，在未掘進(jìn)之前確定合理的刀具檢查與換刀距離是確保盾構(gòu)機(jī)安全順利掘進(jìn)的重要指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于理論推導(dǎo)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析等提出了諸多刀具磨損預(yù)測(cè)公式，張鳳祥[4]提出的刀具磨損預(yù)測(cè)公式在工程界得到了最為廣泛的應(yīng)用，其預(yù)測(cè)公式為：

式中：δ為刀具磨損量，mm；L為掘進(jìn)距離，km；k為地層的磨損系數(shù)，mm/km；N為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/min；D為刀具軌跡直徑，m；V為推進(jìn)速度，mm/min。

由式（1）可知，刀具磨損系數(shù)為：

在實(shí)際工程中，一般根據(jù)已知刀具的磨損量由式（2）計(jì)算不同地層時(shí)刀具的磨損系數(shù)，用于預(yù)測(cè)合理的刀具檢查與換刀距離。

在更換壓柱式鑲齒滾刀后，掘進(jìn)65環(huán)后進(jìn)艙檢查，發(fā)現(xiàn)39號(hào)刀的磨損量為8 mm，此前刀盤(pán)的推進(jìn)速度平均值為28 mm/min，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為1.5 r/min，39號(hào)刀的刀具軌跡直徑為6 300 mm。由式（1）可知，壓柱式鑲齒滾刀在微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖的磨損系數(shù)為77.4 mm/km。

本工程邊滾刀的最大磨損量為15 mm，由式（2）可知39號(hào)刀的一次最長(zhǎng)掘進(jìn)距離為182 m。

3 盾構(gòu)機(jī)主要工作參數(shù)之間的關(guān)系

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的主要工作參數(shù)有推力、扭矩和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，其中推力與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為主動(dòng)參數(shù)，而扭矩為被動(dòng)參數(shù)。

3.1 貫入度

貫入度是把盾構(gòu)機(jī)在巖層掘進(jìn)時(shí)，其掘進(jìn)速度與轉(zhuǎn)速之比，表示每轉(zhuǎn)巖石的切入深度。貫入度為巖層掘進(jìn)時(shí)預(yù)先確定的值，貫入度確定后再根據(jù)推力與扭矩的額定值，調(diào)整推力與轉(zhuǎn)速的大小，使推力與扭矩達(dá)到合理的比例關(guān)系，可以將機(jī)械能最大限度的傳遞，從而使刀盤(pán)達(dá)到最優(yōu)的切削狀態(tài)。

貫入度與巖層的抗壓強(qiáng)度有關(guān)，貫入值大，滾刀破巖所需推力大，貫入值小，滾刀破巖所需轉(zhuǎn)速增加。當(dāng)作用于單把滾刀上的推力超過(guò)其軸承的抗剪強(qiáng)度時(shí)，將導(dǎo)致軸承的損壞。當(dāng)破巖所需轉(zhuǎn)速增加，滾刀磨損軌跡增長(zhǎng)，會(huì)加速刀具的磨損。

3.2 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速

在硬巖地層，由于地層的抗壓強(qiáng)度較大，其貫入度值較小，因此，滾刀切削時(shí)切向阻力也較小，因而刀盤(pán)扭矩也不大，為了加快掘進(jìn)速度，一般采取提高刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的方法。

在提高刀盤(pán)轉(zhuǎn)速時(shí)，還需注意以下幾個(gè)問(wèn)題：1）刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的提高，會(huì)在刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生較大的沖擊力（特別是在軟硬不均地層交界面），這將使得刀圈產(chǎn)生裂縫[5]；2）刀盤(pán)轉(zhuǎn)速提高后，扭矩與推力的變異系數(shù)較大，即掘進(jìn)時(shí)扭矩與推力值不穩(wěn)定，且波動(dòng)較大，這將加劇刀盤(pán)刀具及液壓系統(tǒng)的疲勞破壞。

在軟巖地層掘進(jìn)時(shí)，由于地層較軟，滾刀容易貫入，因此，掘進(jìn)速度主要受扭矩控制。此時(shí)轉(zhuǎn)速有兩種選擇：選擇較小推力，貫入度較小，加大刀盤(pán)轉(zhuǎn)速；選擇較大推力，貫入度較大，扭矩大，此時(shí)減小刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，以免刀盤(pán)過(guò)載。

為了驗(yàn)證上述分析結(jié)果，選擇572—581環(huán)為試驗(yàn)段，該地層為全斷面微風(fēng)化泥巖層。572—576環(huán)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)定為2.0 r/min，刀盤(pán)推進(jìn)速度控制在40～50 mm/min，其貫入度與掘進(jìn)扭矩之間的關(guān)系曲線如圖5(a)所示。扭矩平均值為1 400 kN·m，扭矩曲線較為平穩(wěn)。577—581環(huán)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)定為3.6 r/min，刀盤(pán)推進(jìn)速度控制在40～50 mm/min，貫入度保持在10.8～13.9 mm，其貫入度與掘進(jìn)扭矩之間的關(guān)系曲線如圖5（b）所示。扭矩平均值為1 250 kN·m，扭矩曲線波動(dòng)較大。雖然低轉(zhuǎn)速、高貫入度平均扭矩值較大，但其不超過(guò)總扭矩的50%，能保持盾構(gòu)的正常掘進(jìn)。高轉(zhuǎn)速、低貫入度，雖然平均扭矩較小，但由于貫入度值較小，且刀具磨損軌跡變長(zhǎng)，增大了滾刀的磨損，且刀盤(pán)轉(zhuǎn)速加快，刀圈在軟硬不均地層所承受的沖擊力大，增加了刀圈發(fā)生崩裂的頻率。因而根據(jù)上述分析，在紅層段掘進(jìn)應(yīng)以高貫入度，慢轉(zhuǎn)速為掘進(jìn)原則。

圖5 貫入度與掘進(jìn)扭矩之間關(guān)系曲線

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合廣佛地鐵12標(biāo)工程，分析了廣州“紅層”這種特殊地質(zhì)條件下掘進(jìn)參數(shù)特性和滾刀磨損狀況。

1）壓柱式鑲齒滾刀的耐磨性和防偏磨效果優(yōu)于普通滾刀，其換刀量約為普通滾刀的一半，適應(yīng)于在紅層中應(yīng)用。

2）壓柱式鑲齒滾刀在紅層中的刀具磨損系數(shù)為77.4，邊滾刀一次最長(zhǎng)掘進(jìn)距離可達(dá)182 m。

3）在巖層中掘進(jìn)，需先根據(jù)巖層性能確定合適的貫入值，再根據(jù)推力與扭矩的額定值，調(diào)整推力與轉(zhuǎn)速的大小，使刀盤(pán)達(dá)到最優(yōu)的切削狀態(tài)。

4）在紅層中掘進(jìn)，推薦使用高貫入度，慢轉(zhuǎn)速掘進(jìn)方案。

[1]竺維彬，鞠世健.廣州地鐵三號(hào)線盾地隧道工程施工技術(shù)研究[M].廣州：暨南大學(xué)出版社，2007.

[2]張厚美.盾構(gòu)隧道盤(pán)形滾刀損壞的原因分析與對(duì)策[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010，47（6）：40－46.

[3]吳起星.復(fù)合地層中盾構(gòu)機(jī)滾刀破巖力學(xué)分析[D].廣州：暨南大學(xué)，2011.

[4]張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構(gòu)隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5]宋克志，王夢(mèng)恕.復(fù)雜巖石地層隧道掘進(jìn)機(jī)操作特性分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2012（5）：176－182.