超大直徑泥水盾構(gòu)粉質(zhì)黏土層中刀具磨損系數(shù)研究

胡錦華

(中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司 北京 101100)

1 引言

盾構(gòu)施工技術(shù)由于其環(huán)保、高效、安全的特點(diǎn)且對不同地層適應(yīng)性強(qiáng)已成為目前國內(nèi)最為常用的隧道施工方法[1－3]。

刀盤作為盾構(gòu)機(jī)的“牙齒”是盾構(gòu)掘進(jìn)的關(guān)鍵，當(dāng)?shù)毒吣p嚴(yán)重時會出現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)異常現(xiàn)象，引起刀盤位置處的地面沉陷[4]，同時可能引起盾構(gòu)推力持續(xù)增大，掘進(jìn)困難的現(xiàn)象[5]，因此有必要對刀具的磨損規(guī)律進(jìn)行研究，做到提前預(yù)判并采取措施。但由于在不同地質(zhì)層中，刀具的配置也相對不同，而且掘進(jìn)過程中刀具的磨損情況無法直觀體現(xiàn)，導(dǎo)致對刀具磨損量無法預(yù)判。目前，對于刀具的磨損規(guī)律還有待進(jìn)一步的研究，刀具磨損的跟蹤檢測水平也還存在一定局限[6]，因此刀具磨損也成為制約盾構(gòu)掘進(jìn)的因素之一。在以往的研究中，如王振飛等[7]主要對富水砂卵石地層中大直徑盾構(gòu)刀具磨損進(jìn)行了分析研究，陳鵬[8]主要對南京長江隧道泥水盾構(gòu)刀具磨損進(jìn)行了分析，劉高峰等[9]主要對成都地鐵盾構(gòu)刀具磨損進(jìn)行了研究分析，車凱等[10]對北京卵漂石地層盾構(gòu)機(jī)刀具磨損進(jìn)行了研究，而對鄭州這種粉質(zhì)黏土的單一地層中刀具磨損研究較為少見，因?yàn)榇蟛糠粥嵵莸罔F盾構(gòu)區(qū)間較短，盾構(gòu)刀盤半徑較小，一般情況下粉質(zhì)黏土地層中刀具磨損量較小，磨損系數(shù)確定難度較大。本文以位于鄭州的豫機(jī)城際鐵路一標(biāo)為依托，對超大直徑泥水盾構(gòu)粉質(zhì)黏土層中刀具磨損系數(shù)進(jìn)行分析研究。

2 工程特點(diǎn)

豫機(jī)城際鐵路一標(biāo)工程盾構(gòu)隧道里程為DK41＋750～DK45＋550，全長3 800 m，采用刀盤直徑為12.81 m的超大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)。采用通用環(huán)裝配式鋼筋混凝土管片拼裝，錯縫拼裝，管片內(nèi)徑為11.3 m，外徑為12.4 m，管片厚度為550 mm，每環(huán)楔形量為40 mm。

盾構(gòu)區(qū)間主要穿越地層(見表1)為粉質(zhì)黏土(占85%)，局部成巖或半成巖狀，含大量鐵錳氧化物及鈣質(zhì)結(jié)核，天然含水量在12.5%～30.5%之間，孔隙比0.507～0.895，液限22.7%～33.9%，0.1～0.2 MPa壓縮系數(shù)0.05～0.29，0.1～0.2 MPa壓縮模量4.9～16.4 MPa。盾構(gòu)機(jī)穿越地層單一，所以對本刀盤刀具配置、刀具磨損的分析研究提供了較大的便利。盾構(gòu)隧道縱斷面圖如圖1所示，盾構(gòu)隧道縱斷面效果圖如圖2所示。

表1 盾構(gòu)隧道地質(zhì)情況統(tǒng)計

圖1 盾構(gòu)隧道縱斷面圖

圖2 盾構(gòu)隧道縱斷面效果圖

在本標(biāo)段的三次開倉換刀過程中，第一次換刀對邊緣滾刀、部分軸式齒刀進(jìn)行了磨損量測和更換，由于邊緣滾刀在本標(biāo)段所穿越的地層中偏磨嚴(yán)重，經(jīng)過分析認(rèn)為邊緣滾刀在該地層中啟動扭矩達(dá)不到造成偏磨，所以在第一次開倉時將邊緣滾刀更換為軸式齒刀(注:本盾構(gòu)機(jī)刀盤刀箱內(nèi)滾刀與軸式齒刀可以互換)。

3 盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具配置

盾構(gòu)機(jī)刀盤配置有邊緣滾刀、軸式齒刀、邊緣刮刀、正面刮刀、外周貝殼刀、超挖滾刀及中心魚尾刀，具體配置見圖3及表2。本文僅對刀具配置中的邊緣滾刀和軸式齒刀進(jìn)行了分析和研究。

圖3 盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具

表2 盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具配置

4 開倉刀具磨損情況統(tǒng)計及磨損系數(shù)分析

4.1 開倉刀具磨損情況統(tǒng)計

2017年6月28日至2017年7月6日，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行第一次開倉。開倉位置為347環(huán)(環(huán)寬2 m)，開倉期間進(jìn)行了刀盤泥餅沖、刀具磨損量測及更換洗等工作，本文中以半徑遞減方式抽取了部分刀具作為研究對象進(jìn)行分析。

邊緣滾刀偏磨情況嚴(yán)重，偏磨最大磨損量達(dá)到55 mm，按照軌跡線劃分，半徑越小的刀具磨損量越小，基本上半徑減小磨損量呈下滑線狀分布。

第一次開倉刀具量測按半徑遞減劃分磨損情況見表3、圖4、圖5。

圖4 第一次開倉刀具磨損情況

圖5 第一次開倉刀具磨損情況統(tǒng)計折線圖

表3 第一次開倉刀具磨損

經(jīng)過第一次開倉基本刀具半徑在3 940 mm以上的刀具已更換完成，其中邊緣滾刀更換17把，軸式齒刀更換24把。磨損量均在29 mm以上。

2017年11月5日至2017年11月13日，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行第二次帶壓開倉。開倉位置在725環(huán)，距第一次開倉相隔378環(huán)(環(huán)寬2 m)。第二次開倉刀具量測及換刀情況見表4、圖6、圖7。

圖6 第二次開倉刀具磨損情況統(tǒng)計折線圖

圖7 第二次開倉刀具磨損情況

表4 第二次開倉刀具磨損

在第二次換刀中，抽取研究的刀具中S28R與S18R為首次更換，所以其軌跡線行程比其他刀具要多，所以磨損量統(tǒng)計中出現(xiàn)了折線凸起。

4.2 刀具磨損情況分析

通過上述開倉后刀具磨損情況圖表統(tǒng)計可看出刀具磨損量與其所在刀盤半徑位置有很大的關(guān)系，隨著半徑的增大，其磨損量也在增大，所以可分析出磨損量與其軌跡線長短存在著正比關(guān)系，故可以此為變量，設(shè)定一個固定磨損系數(shù)“k”，且根據(jù)相關(guān)研究[11]表明刀具的磨損與刀具所處位置的軌跡線行程和刀具所在地層中所受的壓力有關(guān)，可得出:

式中，δ為磨損量；k為磨損系數(shù)；L為刀具軌跡線行程。

根據(jù)刀具在刀盤所在位置的半徑其軌跡線行程L應(yīng)為刀具所在位置周長×刀盤總轉(zhuǎn)數(shù)，即:

式中，Z為該刀具在更換前的總轉(zhuǎn)數(shù)；D為刀具所在位置直徑。

刀具的總轉(zhuǎn)數(shù)與盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)貫入度、速度、轉(zhuǎn)速等施工參數(shù)影響，根據(jù)相關(guān)研究[12]可知:

式中，S為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)長度；v為掘進(jìn)過程中平均速度；r為刀盤轉(zhuǎn)速。

由式(1)、(2)、(3)可得出:

目前已知量有磨損量δ、掘進(jìn)長度S、掘進(jìn)平均速度v、刀盤轉(zhuǎn)速r。由于刀具所經(jīng)歷的掘進(jìn)時間、速度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)均為相等數(shù)值，故分析磨損量與軌跡線長度有很大的關(guān)系，由刀具材質(zhì)、刀具所在地層中所受的壓力等因素可以分析到磨損系數(shù)中去。

第一次開倉掘進(jìn)距離為694 m，掘進(jìn)平均速度為25 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速為1.4～1.5 r/min。在第一次開倉中所量測的刀具進(jìn)行數(shù)值代入計算式(4)得表5。

表5 第一次開倉刀具磨損系數(shù)計算

第二次開倉掘進(jìn)距離為756 m，其中S28R和S12R是第一次更換，刀具掘進(jìn)距離是1 450 m，掘進(jìn)平均速度為28 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速為1.4～1.5 r/min。在第二次開倉中所量測的刀具進(jìn)行數(shù)值代入計算式(4)得表6。

表6 第二次開倉刀具磨損系數(shù)計算

從前兩次開倉刀具磨損情況及代入計算式分析情況來看，在不同軌跡線行程、不同刀具形式的情況下，其在地層中所受的工況相同，材質(zhì)相同，其磨損量與其軌跡線行程呈正比關(guān)系，而磨損系數(shù)正是一種將刀具材質(zhì)、在地層中所受工況相同的情況綜合考慮后得出的固定系數(shù)。從上述表中可看出，不同軌跡行程的刀具磨損系數(shù)k非常接近，約為0.03。

4.3 磨損系數(shù)計算量與現(xiàn)場實(shí)際量測結(jié)果對比

2018年2月25日至2018年3月4日，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行第三次帶壓開倉，開倉位置在1 091環(huán)，與第二次開倉相隔367環(huán)。本次開倉抽取刀具實(shí)際磨損量見表7、圖8。

圖8 第三次開倉刀具磨損情況統(tǒng)計折線圖

表7 第三次開倉刀具實(shí)際磨損量統(tǒng)計

表7中刀具S12R為首次更換，其他刀具為第三次更換，第三次開倉掘進(jìn)距離為732 m，S12R刀具掘進(jìn)距離為2 182 m，掘進(jìn)平均速度為25 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速1.4～1.5 r/min。根據(jù)前兩次開倉分析磨損系數(shù)k約為0.03，將數(shù)值代入計算式(4)得出計算磨損量結(jié)果見表8。

表8 第三次開倉刀具計算磨損量

實(shí)際磨損量與計算磨損量結(jié)果對比見表9。

表9 計算磨損量與實(shí)際磨損量對比

通過前兩次開倉后磨損量的研究分析得出的磨損系數(shù)與第三次開倉刀具的軌跡行程計算出的磨損量與實(shí)際磨損量相比較差別并不大，驗(yàn)證了該磨損系數(shù)在該地層中的合理性，證明了這種材質(zhì)的刀具在這種單一地層中其軌跡線行程對磨損量起著決定性作用。

5 結(jié)論

(1)對前兩次開倉后刀具磨損量進(jìn)行統(tǒng)計分析得出在鄭州這種粉質(zhì)黏土地層中刀具的磨損量與該刀具的軌跡線行程呈正比關(guān)系。

(2)對刀具磨損量與軌跡線行程建立函數(shù)關(guān)系并進(jìn)行模擬計算得出在該地層中刀具的磨損系數(shù)k≈0.03。

(3)第三次開倉后經(jīng)過模擬計算得出的計算磨損量與實(shí)際磨損量進(jìn)行結(jié)果對比，驗(yàn)證了磨損系數(shù)k≈0.03在該地層中的合理性。證明了這種材質(zhì)的刀具在這種單一地層中其軌跡線行程對磨損量起著決定性作用。

(4)本文只考慮了在這種單一地層中的刀具磨損，還有地層多變的情況并未考慮，且刀盤結(jié)泥餅的因素也并未進(jìn)行考慮，在后續(xù)施工中該磨損系數(shù)只能作為理論參考，后期還會根據(jù)不同工況進(jìn)行更深入的研究。