孫 偉/SUN Wei

（中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250014）

盾構(gòu)法被廣泛應(yīng)用于地鐵隧道開挖工程中，盾構(gòu)施工過程中刀具的磨損狀態(tài)對于盾構(gòu)施工有著嚴重的影響。隨著盾構(gòu)的持續(xù)施工，刀盤刀具發(fā)生不可避免的磨損，當?shù)毒吣p超限時，往往會引起刀盤扭矩上升，掘進困難，開挖效率低等問題[1]。為了解決此類問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究：吳俊等以大連地鐵施工為依托，建立了刀具磨損模型，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)對模型進行了驗證[2]；楊俊哲等建立了兩種人工智能模型對神華神東補連塔煤礦斜井盾構(gòu)刀具磨損速率進行預(yù)測，通過對比刀具磨損速率預(yù)測值與實際值來驗證人工智能預(yù)測模型的可行性與精確度[3]；王振飛等以北京地下直徑線盾構(gòu)隧道試驗段工程為依托，基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了富水砂卵石地層大，直徑盾構(gòu)施工刀具的磨損規(guī)律及磨損原因，并對不同類型盾構(gòu)刀具在該地層條件下的適應(yīng)性進行了研究[4]；馬騰利用離散流軟件對盾構(gòu)施工刀具磨損量進行了分析[5]；趙峻分析了刀盤刀具在盾構(gòu)推進過程中切削土體的受力特性，建立了一套適用于砂性土地層中深埋泥水平衡盾構(gòu)刀具磨損計算方法[6]；張明富等在北京地鐵4 號線盾構(gòu)隧道工程中利用最小二乘法對刀具磨損數(shù)據(jù)進行分析，建立了刀具磨損量與掘進距離的擬合表達式[7]。

本文以中鐵十四局承建的北京大興機場線07標段2 號風(fēng)井-3 號風(fēng)井區(qū)間為例，對盾構(gòu)施工過程中刀具磨損的基本形式進行了總結(jié)分析，得出了一些有意義的結(jié)論，對后續(xù)工程施工有重要的借鑒意義。

1 工程概況

北京新機場線磁各莊站-草橋站區(qū)間中2 號區(qū)間風(fēng)井-3 號區(qū)間風(fēng)井盾構(gòu)區(qū)間左線全長3 832.39m，右線全長3 847.44m，線路埋深12～16m，最大坡度5.9‰，最小曲線半徑為1 300m。盾構(gòu)區(qū)間隧道外徑8.8m，管片厚度450mm；采用2 臺外徑9.15m 的土壓平衡盾構(gòu)同時施工。

圖1 盾構(gòu)穿越地層情況

如圖1 所示，本區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越地層主要為：粉土④2、粉細砂層④3、卵石圓礫⑤、卵石圓礫⑦。卵石圓礫層分布長3 847m，占本區(qū)段總長的100%。根據(jù)前期地勘資料，盾構(gòu)隧道埋深范圍內(nèi)無地下水。卵石圓礫⑤層：一般粒徑5～20mm，最大粒徑不小于140mm，粒徑大于20mm 的含量大于50%。卵石圓礫⑦層：最大粒徑不小于150mm，一般粒徑15～60mm，粒徑大于20mm 顆粒約占總質(zhì)量的60%。

2 工程重難點

本區(qū)間單線長度達到3.8km，長度較長，且隧道穿越地層中砂卵石占比較高。砂卵石地層具有卵石含量高、強度高、流動性差、摩擦系數(shù)大、黏聚力小等特點，盾構(gòu)施工中面臨大直徑卵石排出困難，刀具、刀盤和螺旋輸送機磨損嚴重、刀盤扭矩過大等問題，其中大直徑卵石排出困難和盾構(gòu)機械磨損最突出[8]。為了保證盾構(gòu)順利施工，施工之前及過程中采取的多種輔助方法。

在施工前針對區(qū)間地質(zhì)情況，嚴格進行盾構(gòu)選型，重點關(guān)注刀盤布置型式、刀具型式；并在根據(jù)隧道長度以及以往刀具磨損經(jīng)驗在盾構(gòu)區(qū)間范圍內(nèi)設(shè)置了多個檢修井進行換刀作業(yè)；在每次換刀后針對刀具的磨損形式，對刀具進行優(yōu)化設(shè)計，保證整個區(qū)間盾構(gòu)施工正常。

3 盾構(gòu)設(shè)備參數(shù)及刀具布置

3.1 盾構(gòu)設(shè)備參數(shù)

區(qū)間采用新購兩臺鐵建重工生產(chǎn)的ZTE9100 型土壓平衡式盾構(gòu)施工。盾構(gòu)開挖直徑9 150mm，盾體直徑9 100mm，盾構(gòu)分為主機和后配套設(shè)備，后配套為1 節(jié)橋架、7 節(jié)車架，主機長度約17m、整機總長約116m。主要性能參數(shù)如表1 所示。

3.2 刀盤形式及刀具布置

ZTE9100 盾構(gòu)刀盤的設(shè)計原則：刀盤設(shè)計和刀具布置完全能適應(yīng)本工程地質(zhì)條件，并且具有高效及減少刀具磨損的特點。

刀盤表面和開口部位焊接有耐磨層，外周焊接25mm 厚的復(fù)合耐磨鋼板。盾構(gòu)刀盤由鋼結(jié)構(gòu)件焊接而成，刀盤主體結(jié)構(gòu)的高強度、高剛性設(shè)計可以保證刀盤能在本工程施工期間不變形、不損壞，適宜大扭矩和大推力的作業(yè)工況。

盾構(gòu)刀盤類型為輻條式刀盤，主要由輪緣、輻條和布設(shè)在輻條上的刀具組成。6 根輻臂支撐的厚壁法蘭連接主驅(qū)動裝置并且作為刀盤輻臂的基座，以傳遞足夠的扭矩和推力，刀盤可以雙向旋轉(zhuǎn)。為了保證刀盤的整體結(jié)構(gòu)強度和剛度，刀盤的中心部位采用整體鑄鋼鑄造，刀盤正面堆焊耐磨網(wǎng)格，刀盤上切刀為螺栓連接，可以實現(xiàn)刀具更換。刀盤上設(shè)有攪拌棒，可以隨著刀盤一起轉(zhuǎn)動，輔以土倉壁上的固定攪拌棒可起到攪拌碴土的功能，對土倉中的廢棄土體進行強制攪拌，使注入在開挖面上或土倉中的添加材料（加泥、水、氣泡）與切削下來的土體在土倉中進行充分的攪拌，提高土體的塑性流動性，使在滯留土倉中的廢棄土體具有良好的流動性和止水性。

表1 盾構(gòu)設(shè)備主要參數(shù)情況

刀盤直徑為9 150mm，刀盤的開口率約為60%，正面裝配有貝殼刀，如圖2 所示，刀盤的中心部分開口率大，有利于中心部分碴土的流動并進入土倉，可以有效地防止中心泥餅的產(chǎn)生。刀盤刀具統(tǒng)計如表2 所示。

圖2 刀具布置圖

表2 刀具數(shù)據(jù)情況

3.3 刀具形式

為了保證盾構(gòu)順利切削土體，并提高刀具的耐磨性。針對北京新機場線地層對刮刀、撕裂刀具體形式進行設(shè)計，如圖3 所示。

圖3 盾構(gòu)刮刀設(shè)計圖

3.4 檢修井設(shè)置

區(qū)間共設(shè)置6 處檢修井，左右線各3 處，檢修井位置及檢修井處地層，3 處檢修井分別距離始發(fā)井780m、1 665m、2 512m，四盤刀具掘進長度分別為：780m、885m、847m、1 320m。通過檢修過程中對前三盤刀具磨損形式的總結(jié)，不斷對刀具形式進行優(yōu)化，保證第四盤刀具能夠順利掘進至接收井。

4 刀具磨損分析

4.1 刮刀磨損形式分析

刀具磨損的產(chǎn)生主要是由合金刀具與巖土體相互接觸作用的結(jié)果，最終物體表面出現(xiàn)材料損失的現(xiàn)象[9]。本區(qū)間盾構(gòu)初裝刀具在盾構(gòu)施工過程中刮刀的磨損較為明顯，根據(jù)刮刀的位置不同，可將刮刀分為外周刮刀及內(nèi)側(cè)刮刀，外周刮刀除刀具上部合金塊磨損外，刀具側(cè)邊也發(fā)生較為嚴重的磨損，刀具母體磨穿，螺栓孔暴露，如圖4 所示。

圖4 外周刮刀磨損

內(nèi)側(cè)刮刀主要磨損發(fā)生在頂部合金塊，單把刮刀頂部合金塊不同位置合金塊不同位置，磨損量有所差異，頂部五塊合金塊由三角形磨損至“山”字形，如圖5 所示。

圖5 中間刮刀磨損形式

4.2 刮刀設(shè)計優(yōu)化

針對刮刀的磨損形式，在三次換刀時對刮刀的形式進行了優(yōu)化，對于外側(cè)刮刀在外側(cè)增加了合金塊，提高盾構(gòu)施工過程中刀具側(cè)面的耐磨性，如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化后的刮刀設(shè)計圖

4.3 撕裂刀磨損形式分析

刀具損傷主要分為2 種類型，刀具摩擦磨損和刀具斷裂損傷[10]。本區(qū)間盾構(gòu)撕裂刀合金塊磨損較為平均，崩塊、掉塊現(xiàn)象較少，部分刀具母體兩側(cè)磨損差異較大，朝向刀盤外方向合金塊下方存在明顯凹槽；刀具母體側(cè)面磨損較為不平均，磨損形式為人字形凹槽，外側(cè)刀具母體磨損量明顯大于內(nèi)側(cè)；刀具合金塊磨損同樣不對稱，如圖7 所示。

圖7 撕裂刀磨損情況

4.4 撕裂刀設(shè)計優(yōu)化

為了提高撕裂刀的耐磨性，延長了中間合金塊的長度，同時在刀具側(cè)邊增加了合金塊，保證刀具母體耐磨性，如圖8 所示。

圖8 優(yōu)化后的撕裂刀設(shè)計圖

4.5 優(yōu)化后刀具施工情況

使用優(yōu)化后的刀具，進行最后1 320m 隧道的掘進。掘進過程中，盾構(gòu)施工正常，未發(fā)生因刀具問題而長時間停機的問題；盾構(gòu)接收時，刀具磨損正常，如圖9 所示，未發(fā)生大范圍磨損量較大的情況說明對刀具的優(yōu)化是合理的。

圖9 貫通時撕裂刀情況

5 結(jié)語

本文以北京新機場線07 標段為例，通過分析總結(jié)施工過程中刀具磨損形態(tài)，得出了刀具磨損的相關(guān)規(guī)律，并在施工過程中對刀具的形式進行了優(yōu)化，得出如下結(jié)論。

1）撕裂刀合金塊磨損較為平均，崩塊、掉塊現(xiàn)象較少，但是部分刀具母體兩側(cè)磨損差異較大，朝向刀盤外方向合金塊下方存在明顯凹槽，刀具母體側(cè)面磨損較為不平均，磨損形式為人字形凹槽，外側(cè)刀具母體磨損量明顯大于內(nèi)側(cè)，刀具合金塊磨損同樣不對稱。

2）外周圈刮刀，刀具合金塊磨損較為嚴重，其磨損不規(guī)則，靠外一側(cè)，磨損嚴重，螺栓孔被磨穿，磨損量較大；內(nèi)側(cè)刮刀刮刀合金塊磨損后的形式呈山字形，偶爾發(fā)生蹦齒、掉齒，內(nèi)側(cè)刮刀兩側(cè)基本無磨損。

3）在磨損嚴重的位置增加合金塊，可有效提高刀具的耐磨性，延長盾構(gòu)單次掘進距離，提高盾構(gòu)施工效率。O