韓偉鋒，陳 饋，李鳳遠(yuǎn)，張 兵

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

盾構(gòu)是盾構(gòu)法隧道施工的重要設(shè)備，工程進(jìn)展情況很大程度取決于盾構(gòu)的設(shè)計(jì)。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，主要依靠滾刀擠壓破巖，在滾刀破巖的同時(shí)，巖石也會(huì)對(duì)滾刀造成磨蝕。因此，刀具磨損是硬巖地層中影響盾構(gòu)掘進(jìn)的最為重要因素之一。

滾刀在硬巖地層中破巖效能的研究越來(lái)越多，從國(guó)內(nèi)外知名盾構(gòu)專家學(xué)者對(duì)硬巖地層滾刀磨損研究成果來(lái)看，無(wú)論從學(xué)術(shù)理論還是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用基本都是針對(duì)巖石物理特性對(duì)刀具磨損特性進(jìn)行的研究分析，即使有部分專家對(duì)刀盤布置進(jìn)行了研究，但是主要側(cè)于破巖效率，在破巖效能方面仍然缺乏量化指標(biāo)（破巖效率是指刀具破速度，破巖效能是指刀具破巖量與磨損量比值）。

現(xiàn)場(chǎng)刀具磨損數(shù)據(jù)表明，除了巖石物理特性對(duì)刀具破巖性能有較大影響外，盾構(gòu)的刀盤刀具配置，如刀間距、刀具安裝位置等因素對(duì)刀具破巖效能也有較大影響。

1 滾刀破巖磨損機(jī)理

滾刀破巖過程中，巖石破壞主要是掘進(jìn)過程中巖石內(nèi)部裂紋生成、擴(kuò)展、交匯,使得巖渣剝落。一般來(lái)說(shuō),盤形滾刀侵入巖石的初始階段,巖石內(nèi)部產(chǎn)生大量細(xì)觀裂紋,局部產(chǎn)生變形,并逐漸向外釋放能量,隨著切削深度的增加,巖石局部發(fā)生破壞,有少量巖渣掉落,隨著切削深度的進(jìn)一步增加,巖石破壞加劇并由細(xì)觀損傷形成宏觀的巖石破壞。相鄰滾刀切削時(shí),產(chǎn)生的側(cè)向裂紋與前一把滾刀切削產(chǎn)生的側(cè)向裂紋貫通,形成了完整的塊狀巖渣。刀間距過大，則溝槽破碎寬不能過完全重疊，就形成埂，而影響盾構(gòu)正常掘進(jìn)；刀間距過小，而巖石破碎溝槽重疊太多，則會(huì)造成刀具二次磨損而降低刀具使用壽命，滾刀破巖機(jī)理如圖1所示。

圖1 滾刀破巖機(jī)理

刀圈與巖石擠壓破巖過程中，在刀圈擠碎巖石的同時(shí)，巖石對(duì)刀圈也會(huì)有磨蝕，當(dāng)磨蝕達(dá)到一定程度，刀圈就會(huì)形成宏觀的磨損。滾刀的磨損分為正常磨損和非正常損壞，正常磨損是指在滾刀滾動(dòng)破巖過程中刀圈均勻磨蝕的過程，如圖2所示，而非正常損壞主要指滾刀偏磨、斷裂、刀圈移位、崩刃等現(xiàn)象，如圖3所示。本文主要針對(duì)滾刀正常磨損進(jìn)行分析研究。

2 工程地質(zhì)概況

某盾構(gòu)工程地質(zhì)斷面如圖4所示，圖中品紅色和紅色為硬巖地層，隧道穿越長(zhǎng)度約500m，分別對(duì)應(yīng)中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖，其飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度較為均勻，90%為36.5～42.3MPa，巖石石英含量40%～45%，地層條件差異性較小。

3 滾刀破巖分析

3.1 盾構(gòu)刀盤布置

刀盤共配置46把滾刀，其中1～6#為中心刀，7～35#為正滾刀，36～46#為邊滾刀，所有滾刀直徑為17英寸，刃寬為3/4英寸。中心1#刀安裝半徑為70mm，1～12#刀間距為90mm，13～35#刀間距為75mm，35#、36#、37#、38#、39#、40#、41#、42#、43#、44#、45#、46#刀間距分別為70mm、65mm、55mm、45mm、40mm、35mm、29mm、21mm、12mm、8mm、0mm。刀具安裝如圖5所示。

3.2 刀具磨損趨勢(shì)分析

對(duì)該工程500m硬巖段刀具磨損使用壽命進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，1～45#刀磨損18mm所能完成的破巖量如圖6所示，

其中橫坐標(biāo)為刀位號(hào)，縱坐標(biāo)為刀具磨損18mm完成的破巖量。

從圖6中1～45#滾刀磨損18mm破巖量變化可知，隨著刀具安裝位置和刀間距不同，其破巖總量有所差別的。1～46#中心刀，其破巖量隨著刀具安裝半徑增大而增大；13～34#正滾刀具的破巖量隨著刀具安裝半徑增大而增大；邊滾刀破巖量隨著安裝半徑的增大而減小。

從1～45#刀具磨損18mm情況下破巖量的變化可知，隨著刀具安裝半徑的增大，單位磨損量的破巖量有所增大。

從13～34#正滾刀破巖數(shù)據(jù)分析，滾刀安裝位置半徑對(duì)破巖效能影響如圖7所示。

從圖7可知，刀具破巖效能隨滾刀安裝位置半徑增大而增大，且呈一次線性關(guān)系，滿足公式(1)

圖2 滾刀正常磨損

圖3 滾刀非正常損壞

圖4 地質(zhì)斷面圖

圖5 盾構(gòu)刀具安裝位置圖（單位：mm）

圖6 不同位置刀具磨損18mm的破巖量

圖7 刀具安裝位置對(duì)刀具破巖效能的影響

式中 X——刀具安裝位置半徑；

M——刀具磨損18mm的破巖總量。從39～45#滾刀破巖數(shù)據(jù)分析，刀間距對(duì)刀具破巖性能影響如圖8所示。由于研究數(shù)據(jù)局限性，圖6只適合此類地層條件下，且刀間距小于90mm（此處研究沒有過多考慮邊滾刀安裝角度問題，只是從刀間距單方面分析滾刀磨損趨勢(shì)，關(guān)于滾刀安裝角度對(duì)破巖效能的影響還需深入研究)。

從圖8可知，刀具破巖效能隨滾刀刀間距（小于90mm)增大而增大，且呈二次線性關(guān)系，滿足公式(2)

式中 a——刀間距。

圖8 刀間距對(duì)刀具破巖效能的影響(α＜90mm)

由圖7和圖8兩種刀具破巖量變化趨勢(shì)對(duì)比可知，在巖石抗壓強(qiáng)度為36.5～42.3MPa時(shí)，土壓盾構(gòu)滾刀刀間距大于安裝位置半徑對(duì)刀具破巖效能的影響。因此在刀盤設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮刀間距的配置，如果刀間距過大，則不能完全破巖，影響盾構(gòu)施工；如果刀間距過小，則刀具破巖面重合率過大，滾刀會(huì)過度破巖，降低破巖效能。

基于以上統(tǒng)計(jì)總結(jié)，在類似地層和盾構(gòu)施工條件下，結(jié)合刀具破巖機(jī)理實(shí)驗(yàn)，在滿足最大破巖刀間距的條件下，可參考公式(2)有效配置刀具盤型滾刀，完成刀盤刀具配置，再參考公式(1)計(jì)算不同位置刀具破巖壽命。為了消除刀具安裝半徑對(duì)刀具磨損的影響，在刀盤設(shè)計(jì)過程中建議刀盤按照金字塔造型進(jìn)行設(shè)計(jì)，中心刀為塔頂，如圖9所示，如此可有效避免在盾構(gòu)施工過程中越靠中心，滾刀破巖效能低的問題。

4 結(jié)論與討論

圖9 刀具排布示意圖

通過研究刀具布置對(duì)刀具破巖效能的影響分析，在飽和單軸抗壓強(qiáng)度為36.5～42.3MPa，石英含量為40%～45%的硬巖地層中，滾刀間距小于90mm，的情況下，土壓盾構(gòu)滾刀間距比安裝位置半徑對(duì)破巖效能的影響要大。因此，在刀盤設(shè)計(jì)過程中，首先要通過破巖機(jī)理實(shí)驗(yàn)，獲取最大破巖刀間距，并參考刀具安裝位置和刀間距對(duì)刀具破巖效能影響，為盾構(gòu)施工刀具更換提供指導(dǎo)，進(jìn)而有效預(yù)測(cè)施工工期和刀具使用成本。

文中討論了刀具布置對(duì)破巖效能的影響，但是由于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)局限性，只是以現(xiàn)有的工程條件為基礎(chǔ)，有針對(duì)性的討論了特定圍巖條件下滾刀安裝半徑與刀間距對(duì)滾刀破巖效能的影響。下一步仍需更廣泛研究在不同巖石特性、掘進(jìn)參數(shù)、刀具安裝角度等條件下滾刀磨損影響因子。以達(dá)到地質(zhì)、設(shè)備、操作三者有機(jī)結(jié)合，方能更加準(zhǔn)確預(yù)測(cè)盾構(gòu)在硬巖地層施工工期和刀具使用成本。 O

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