張人志(中交隧道工程局有限公司，北京　100069)

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無(wú)水砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)刀具改造技術(shù)

張人志
(中交隧道工程局有限公司，北京100069)

摘要:分析輻條式土壓平衡盾構(gòu)在穿越全斷面無(wú)水砂卵礫石層施工中刀具嚴(yán)重磨損的原因，提出拆除滾刀并對(duì)刀具進(jìn)行改造以及按分層切削設(shè)計(jì)原理對(duì)刀具進(jìn)行重新配置的思路。從刀具改造的總體思路、刀具改造前后對(duì)比分析和改造后掘進(jìn)效果的對(duì)比等方面進(jìn)行研究。結(jié)果表明:改造后的刀具以及按分層切削設(shè)計(jì)原理配置的刀具有很好的切削效果，為地鐵無(wú)水砂卵石地層盾構(gòu)施工刀具改造和配置提供了一種新方法。

關(guān)鍵詞:土壓平衡盾構(gòu);刀具改造;無(wú)水砂卵礫石層

北京豐臺(tái)等南部區(qū)域大部分為砂卵礫石地層，在該地層進(jìn)行盾構(gòu)施工，刀具磨損非常嚴(yán)重。針對(duì)磨損后的刀具，采取針對(duì)性解決措施，近年國(guó)內(nèi)結(jié)合不同地層情況進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)［1］分析刀具磨損的原因，針對(duì)磨損刀具提出以舊換新的換刀思路。文獻(xiàn)［2－5］針對(duì)刀具磨損規(guī)律及減磨措施進(jìn)行分析和總結(jié)，提出加耐磨層、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置、渣土改良等減少刀具磨耗的思路。文獻(xiàn)［6］針對(duì)刀具磨損進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，提出減小刀具磨損的理論回歸關(guān)系式。以上針對(duì)砂卵礫石地層的研究多集中在常見(jiàn)的刀具新舊更換、減少刀具磨耗以及刀具磨損監(jiān)測(cè)等方面，對(duì)于因盾構(gòu)選型前期刀具選型以及配置不當(dāng)造成的刀具磨損以及中途進(jìn)行刀具改造和重新配置問(wèn)題鮮有涉及。

本文以正在施工的穿越全斷面無(wú)水砂卵礫石層的北京地鐵14#線土建某標(biāo)段土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)圓弧面板改造為直角面板的基礎(chǔ)上進(jìn)行刀具改造以及按分層切削原理進(jìn)行刀具配置為例，從刀具改造的總體思路、刀具改造的前后對(duì)比分析和改造后掘進(jìn)效果的對(duì)比等方面進(jìn)行研究，力圖找到一種新的刀具改造和刀具按分層切削設(shè)計(jì)原理配置的可行性思路。

1工程概況

北京地鐵14#線土建施工某標(biāo)段隧道區(qū)間全長(zhǎng)705 m，位于北京市豐臺(tái)區(qū)南二環(huán)附近，采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間結(jié)構(gòu)主要穿越卵石、圓礫⑤層(中密—密實(shí)，標(biāo)貫擊數(shù)N63．5= 43～100，屬低壓縮性土，卵石最大粒徑10 cm，一般為4～6 cm，亞圓形，級(jí)配較好，含中砂約30%)和卵石、圓礫⑦層(密實(shí)，濕—飽和，N63．5= 50～150，屬低壓縮性土，卵石最大粒徑12 cm，一般為4～6 cm，亞圓形，級(jí)配較好，含中砂約30%)，可能存在粒徑＞20 cm漂石。工程擬建場(chǎng)地范圍內(nèi)地表水為一條現(xiàn)狀河流(四季有水，水深0．6～1．0 m)，區(qū)間結(jié)構(gòu)主要位于河道南北兩側(cè)0～50 m范圍內(nèi)，其中下穿河道約170 m，該河對(duì)場(chǎng)區(qū)地下水沒(méi)有明顯的滲漏補(bǔ)給現(xiàn)象，場(chǎng)區(qū)潛水水位標(biāo)高約為17．82～19．71 m，與結(jié)構(gòu)底板基本持平，屬于典型的全斷面無(wú)水砂卵礫石層。

結(jié)合該地層工程和水文地質(zhì)情況，盾構(gòu)機(jī)選用Φ6 260 mm鉸接式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，采用輻條式刀盤(pán)，開(kāi)口率為64%，配置163把刀具，其中刀盤(pán)外周裝設(shè)8把雙刃滾刀，并將其外周設(shè)置成1 000 mm長(zhǎng)圓弧過(guò)渡，如圖1所示。

盾構(gòu)掘進(jìn)至123環(huán)時(shí)，在推力正常時(shí)，刀盤(pán)扭矩急劇增大，從123環(huán)至145環(huán)，由之前最大為刀盤(pán)額定扭矩的60%(刀盤(pán)額定扭矩5 765 kN·m)，增大至80%多，瞬時(shí)扭矩為刀盤(pán)額定扭矩的150%，造成盾構(gòu)被迫停機(jī)。經(jīng)開(kāi)倉(cāng)檢查，刀盤(pán)輻條上可見(jiàn)的絕大部分刀具刀刃合金已崩碎，刀具及部分刀座磨損嚴(yán)重，如圖2所示。

滾刀全部被泥包裹并存在不同程度偏磨。若不換刀強(qiáng)行掘進(jìn)過(guò)河，風(fēng)險(xiǎn)大，為確保中途不換刀而順利掘進(jìn)完余下443環(huán)( 532 m)，過(guò)河前施做檢修井，對(duì)刀盤(pán)和刀具進(jìn)行全面檢修和改造。

結(jié)合開(kāi)倉(cāng)檢刀和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析刀盤(pán)刀具磨損原因，主要有以下幾個(gè)方面:

圖1改造前的輻條式刀盤(pán)和刀具

1)工程地質(zhì)方面，該種地層為力學(xué)不穩(wěn)定地層，砂卵礫石內(nèi)摩擦大，切削土的流動(dòng)性差，若渣土改良效果不好會(huì)導(dǎo)致刀盤(pán)扭矩增大，刀盤(pán)過(guò)熱，進(jìn)一步加劇刀盤(pán)磨損。

2)水文地質(zhì)方面，相對(duì)穿越有水砂卵礫石層，區(qū)間結(jié)構(gòu)穿越該種地層時(shí)刀盤(pán)摩阻力和扭矩更大，磨損也更嚴(yán)重［7－8］。

3)渣土改良方面，現(xiàn)場(chǎng)膨潤(rùn)土膨化時(shí)間不足24 h，所選泡沫與現(xiàn)場(chǎng)地層不適應(yīng)，發(fā)泡設(shè)備發(fā)泡機(jī)理不好，導(dǎo)致發(fā)泡效果不好。

4)刀具布置方面，根據(jù)北京該種地層以往施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)判斷，開(kāi)口率為64%的輻條式圓弧形刀盤(pán)配置周邊滾刀，存在偏磨可能性大，既未對(duì)刀盤(pán)起保徑作用，也未能對(duì)輻條上刮刀起保護(hù)作用［9］。

5)原廠刀具質(zhì)量方面，刀具刀體以及刀具合金尺寸偏小(單薄)，刀具刀體及合金頂部角度過(guò)于尖銳，容易崩角［10－11］。

6)其他方面，地層中可能存在較大粒徑漂石。

圖2崩角及磨損嚴(yán)重的刀盤(pán)和刀具

2刀具改造總體思路

2．1刀具現(xiàn)狀分析及改造思路

改造前，雖然刀盤(pán)整體框架結(jié)構(gòu)和整副刀盤(pán)刀具較為完整，但刀具及部分刀座磨損嚴(yán)重。根據(jù)北京地區(qū)該種地層同種類型盾構(gòu)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將刀盤(pán)原裝8把滾刀全部拆除后，在不破壞刀盤(pán)原有整體結(jié)構(gòu)的前提下，將刀盤(pán)外周圓弧過(guò)渡改成直角過(guò)渡，再安裝刮刀和先行刀。對(duì)輻條上的刮刀、先行刀、保護(hù)刀(在此指保徑刀)等刀具均重新進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作和改造。維持原刀盤(pán)結(jié)構(gòu)不變，將刀盤(pán)由圓弧型過(guò)渡改造為直角型后，對(duì)刀具重新進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作和安裝以及進(jìn)行優(yōu)化配置。

2．2刀具改造可行性分析

刀盤(pán)總扭矩T由切削土體所需的扭矩T1，刀盤(pán)正面、周邊和背面的摩擦扭矩T2，刀盤(pán)攪拌渣土所需的扭矩T3，刀盤(pán)軸承和密封摩擦扭矩T4等4大項(xiàng)組成。而據(jù)文獻(xiàn)［12－13］，T2和T3在其中占絕對(duì)主導(dǎo)地位，是主要影響因素，刀盤(pán)扭矩可通過(guò)增大刀盤(pán)開(kāi)口率以及提升渣土改良效果予以改善。該臺(tái)盾構(gòu)機(jī)開(kāi)口率足夠大( 64%)，通過(guò)渣土改良即可降低扭矩。據(jù)相關(guān)研究，摩擦系數(shù)每降低0. 1，刀盤(pán)扭矩降低35% ～40%，通過(guò)渣土改良完全能達(dá)到降低扭矩的目的。因此，刀盤(pán)改造后的扭矩影響完全可以忽略。

北京地區(qū)砂及砂卵石中二氧化硅含量高，刀盤(pán)刀具磨耗系數(shù)k大，約為0．07～0．10 mm/km。刀具最外周磨耗量σ為:

式中: D為盾構(gòu)外徑，m; n為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/min; L為掘進(jìn)距離，km; v為掘進(jìn)速度，m/min。

根據(jù)北京地區(qū)類似地層以往施工實(shí)踐，對(duì)刀具磨耗和掘進(jìn)長(zhǎng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，由主切刀磨耗系數(shù)0．07～0．1 mm/km，容許磨耗量40 mm，D=6．26 m，n=1．2 r/min，v=0．04 m/min，則有主切刀k=0．07 mm/km時(shí)，盾構(gòu)機(jī)最長(zhǎng)掘進(jìn)距離L=969 m;主切刀k=0．1 mm/km時(shí)，盾構(gòu)最長(zhǎng)掘進(jìn)距離L=678 m。因此，可確定該種刀具能確保掘進(jìn)完余下443環(huán)( 532 m)而順利實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)到達(dá)。

2．3刀具改造流程

刀具改造流程如圖3所示。

圖3刀具改造流程

3刀具優(yōu)化與配置

3．1刀具優(yōu)化改進(jìn)

1)優(yōu)化改進(jìn)后的刀具，均采用適用北京無(wú)水砂卵礫石地層的加強(qiáng)型刀具。相對(duì)改進(jìn)前刀體厚度增強(qiáng)、合金增大、刀刃變鈍(刀體及嵌入合金由尖而窄變?yōu)閷挾g，且均采用國(guó)內(nèi)知名廠家生產(chǎn)的大塊碳化鎢材質(zhì)合金)，耐磨和抗沖擊。

2)拆除原裝刀盤(pán)主刀和刮刀，采用改進(jìn)后的加強(qiáng)型主刀，長(zhǎng)、寬、高分別為150、127、165 mm。強(qiáng)化型刮刀分為大小2種規(guī)格，大刮刀的長(zhǎng)、寬、高分別為200、127、165 mm，小刮刀的長(zhǎng)、寬、高分別為150、126. 4、165 mm。普通型刮刀長(zhǎng)、寬、高分別為150、117、165 mm。如圖4所示。該種刀具焊接開(kāi)敞式大塊合金，防卵石沖擊，確保長(zhǎng)距離掘進(jìn)不失效。

圖4主刀和刮刀改進(jìn)前后對(duì)比圖

3)拆除8把滾刀，安裝改進(jìn)后刀型較窄的強(qiáng)化型先行刀(雙面貝殼刀，長(zhǎng)296 mm，寬60 mm，高分別為130、90、110 mm)如圖5所示，提高切削效率和增大卵石流出速率。

4)原裝先行刀為單面貝殼刀，刀體設(shè)計(jì)比較尖銳，合金尖銳而狹窄，受卵石沖擊時(shí)，容易造成合金崩碎而失效。因此，將其改成強(qiáng)化型先行刀(雙面貝殼刀，長(zhǎng)296 mm、寬60 mm、高150 mm，底部圓弧形)，焊接開(kāi)敞式大塊合金，刀刃倒角，耐卵石沖擊，如圖6所示。

圖5刀盤(pán)改造前后使用的滾刀和焊接式強(qiáng)化先行刀對(duì)比圖

圖6原裝先行刀和改進(jìn)后焊接式強(qiáng)化先行刀對(duì)比圖

5)滾刀替換成強(qiáng)化先行刀后，切削軌跡減少，而刀盤(pán)外緣速度較大，在其面板上焊接強(qiáng)化先行刀增加切削軌跡和保證刀盤(pán)邊緣的安全。

6)在原刀盤(pán)保護(hù)刀旁增配12把邊緣保徑先行刀，以保證開(kāi)挖直徑和保護(hù)刀盤(pán)外緣不過(guò)度磨損。

7)刀具厚度相比原廠刀具增大，刀具數(shù)量相對(duì)原刀盤(pán)有所減少。其中，減少48把邊緣刮刀，但增加38把強(qiáng)化型先行刀，確保刀具切削軌跡覆蓋全刀盤(pán);此外，在原基礎(chǔ)上增加12把強(qiáng)化型保徑先行刀，以增加安全可靠性;因中心魚(yú)尾刀磨損程度很小，對(duì)有崩角的刀具旁單側(cè)施焊1把先行刀進(jìn)行保護(hù)。

3．2刀具配置改進(jìn)

1)根據(jù)刀具的磨損量與線速度成正比的規(guī)律以及刀盤(pán)刀具成對(duì)布置等刀具配置原則要求［14－15］，在中心魚(yú)尾刀回轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)靠外側(cè)2條軌跡上每條分別增配1把和2把焊接先行刀，外周部分軌跡配4把焊接先行刀，增強(qiáng)整體刀具切削能力，保護(hù)刀盤(pán)。

2)按照長(zhǎng)短刀具并用法切削土體的分層切削原理，先行刀布置比刮刀和主刀高出40 mm，同時(shí)，先行刀內(nèi)部之間再設(shè)置高差。

①刀盤(pán)改造后a、c、e 3個(gè)輻條上直角面板比圓弧面板高20 mm，同一輻條靠外周2把先行刀比其他靠刀盤(pán)中心的先行刀高20 mm。即:靠外周直角面板上布置2把高150 mm先行刀，其余直角面板上布置高130 mm先行刀，靠刀盤(pán)中心圓弧面板上布置高150 mm先行刀。

②刀盤(pán)改造后b、d、f 3個(gè)輻條上直角面板比圓弧面板高60 mm，同一輻條上以及該3個(gè)輻條上先行刀布置在同一個(gè)平面高度上。即:輻條上靠外周直角面板上2把先行刀位置以及直角面板其他位置均布置高90 mm先行刀，靠刀盤(pán)中心圓弧面板上布置高150 mm先行刀。

對(duì)整盤(pán)刀具配置后，主要形成2個(gè)高差，分別是先行刀與刮刀及主刀之間的40 mm高差，以及先行刀內(nèi)部之間形成的20 mm高差。

刀具改造和配置前后對(duì)比情況如圖7所示。

圖7刀具改造和配置前后對(duì)比圖

4掘進(jìn)參數(shù)的改進(jìn)

改造前，123環(huán)掘進(jìn)至145環(huán)的刀盤(pán)扭矩過(guò)大(見(jiàn)圖8)。

通過(guò)采取調(diào)整膨潤(rùn)土和泡沫的配合比、添加量、添加比例以及更換泡沫品牌和加強(qiáng)膨潤(rùn)土24 h膨化等渣土改良措施，刀盤(pán)刀具改造完成恢復(fù)掘進(jìn)后，在推力正常情況下，扭矩有了明顯改善。抽取146～236環(huán)掘進(jìn)參數(shù)分析:

1)刀盤(pán)扭矩為3～3. 8 MN·m(見(jiàn)圖9)，符合刀具廠家刀盤(pán)扭矩≤4 MN·m的要求，結(jié)合北京同類地層以往土壓平衡盾構(gòu)施工刀盤(pán)扭矩參數(shù)及豐臺(tái)南城在施盾構(gòu)標(biāo)段經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，證明復(fù)推后扭矩正常。

圖8 123～145環(huán)刀盤(pán)扭矩

圖9 146～236環(huán)刀盤(pán)扭矩

2)推力為15～25 MN，見(jiàn)圖10，額定推力為40 MN，推力正常。

3)膨潤(rùn)土及泡沫加入量更合理。在保證前述推力和扭矩正常情況下，從始發(fā)時(shí)每環(huán)泡沫最大添加量28 m3、膨潤(rùn)方土6 m3，降至現(xiàn)在加泥和加泡沫量均為3～5 m3(見(jiàn)圖11)，節(jié)約了泡沫、膨潤(rùn)土等材料費(fèi)開(kāi)支。

4)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度有了可靠保證，該地層在控制掘進(jìn)速度40 mm/min左右時(shí)，推進(jìn)基本可以保證在8～10環(huán)/班。

圖10 146～236環(huán)盾構(gòu)推力統(tǒng)計(jì)

圖11 146～236環(huán)加泥加泡沫統(tǒng)計(jì)圖

5　結(jié)語(yǔ)

對(duì)穿越全斷面無(wú)水砂卵礫石層的土壓平衡盾構(gòu)刀具改造以及按分層切削土體原理配置刀具方法進(jìn)行了分析和研究，為土壓平衡盾構(gòu)在北京地區(qū)該種地層施工中的刀具改造和刀具配置提供了一種可行的新方法。

參考文獻(xiàn):

［1］陳廣峰，張建平，桂秩雄，等．北京地鐵砂卵石地層盾構(gòu)刀盤(pán)的改進(jìn)［J］．工程機(jī)械，2009，40( 2) : 29－32．

［2］呂瑞虎，王光輝．盾構(gòu)刀具磨損規(guī)律及減耐磨措施研究現(xiàn)狀分析［J］．隧道建設(shè)，2012，32( S2) : 41－46．

［3］郭家慶．砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)的刀具磨損和改善措施［J］．城市軌道交通研究，2010，13( 8) : 87－90．

［4］王海明，夏清華，黃福昌，等．無(wú)水大粒徑砂卵石盾構(gòu)綜合施工技術(shù)［J］．都市快軌交通，2012，25( 5) : 88－92．

［5］蒲曉波，王模公，吳文彬．國(guó)內(nèi)典型砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)及應(yīng)用［J］．隧道建設(shè)，2013，33( 11) : 971－976．

［6］張明富，袁大軍，黃清飛，等．砂卵石地層盾構(gòu)刀具動(dòng)態(tài)磨損分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27( 2) : 397－402．

［7］鮑綏意．盾構(gòu)技術(shù)理論與實(shí)踐［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版，2012: 249－275．

［8］陳饋，洪開(kāi)榮，吳學(xué)松．盾構(gòu)施工技術(shù)［M］．北京:人民交通出版社，2012．

［9］張國(guó)京．北京地區(qū)土壓式盾構(gòu)刀具的適應(yīng)性分析［J］．市政技術(shù)，2005，23( 1) : 9－12．

［10］夏曉中．盾構(gòu)刀具異常磨損及改進(jìn)研究［J］．現(xiàn)代交通技術(shù)，2010，7( 2) : 67－70．

［11］黃清飛．砂卵石地層盾構(gòu)刀盤(pán)刀具與土相互作用及其選型設(shè)計(jì)研究［D］．北京:北京交通大學(xué)，2010．

［12］江華，江玉生，張晉勛，等．北京地鐵砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工刀盤(pán)扭矩研究［J］．中國(guó)鐵道科學(xué)，2013，34( 3) : 59－65．

［13］王洪新．土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)開(kāi)口率選型及其對(duì)地層適應(yīng)性研究［J］．土木工程學(xué)報(bào)，2010，43( 3) : 88－92．

［14］管會(huì)生，高波．盾構(gòu)切削刀具壽命的計(jì)算［J］．工程機(jī)械，2006，37( 1) : 25－29．

［15］蒲毅，劉建琴，郭偉，等．土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)刀具布置方法研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47( 15) : 59－65．

(責(zé)任編輯:郭守真)

Transformation Technology for Earth Pressure Balance Shield Tool of Waterless Sandy Gravel

ZHANG Renzhi
( CCCC Tunnel Engineering Co．，Ltd．，Beijing 100069，China)

Abstract:This paper analyzes the causes of severe tool wear in the construction of the spoke type of earth pressure balance ( EPB) shield crossing the fracture surface of waterless sandy gravel layer．Then，it presents the idea that the hobs are removed，the tools are transformed and also reconfigured according to the design principles of the cutting layer．Furthermore，it also studies the general idea of tool transformation，the comparative analysis before and after the tool transformation and the contrast of the excavation effect after the transformation．It is concluded that it is feasible to transform and configure the tools．The results show that the transformed tools and the tools configured according to the hierarchical cutting design principle have good cutting effects．The paper provides a new method for the transformation and configuration of the construction tools of waterless sandy pebble earth pressure balance shield of subways．

Key words:EPB shield; tool transformation; waterless sandy gravel layer

作者簡(jiǎn)介:張人志( 1979—)，男，湖南新邵人，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槎軜?gòu)施工技術(shù)及管理．

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．02．013

收稿日期:2015－05－06

文章編號(hào):1672－0032( 2015) 02－0067－06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):U455．3