周靜增，賴金輝，王建華，戴敏澤，謝逢之

（1.杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，浙江 杭州 310005；2.上海地鐵咨詢監(jiān)理科技有限公司，上海 200032；3.杭州市地鐵集團有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310003）

當前我國地下空間建設(shè)已進入高潮，在城市快速路和城市軌道交通隧道建設(shè)施工中，盾構(gòu)法施工工藝占有重大比例。在實際工程施工過程中，因為盾構(gòu)機刀盤刀具磨損過快，不僅增加了施工成本，而且更換刀具過程中安全生產(chǎn)事故時有發(fā)生。特別是在一些跨江過湖越海隧道施工中，因水壓較高，地質(zhì)復(fù)雜，頻繁更換刀具將面臨更大工程施工風(fēng)險，因此刀具配置與地層之間的適應(yīng)性研究顯得尤為重要。

盾構(gòu)刀具的磨損是巖體與刀具相互作用的結(jié)果，刀具磨損的影響因素復(fù)雜，地質(zhì)、參數(shù)設(shè)定、地下水、刀具配置、姿態(tài)控制、泡沫使用、刀具自身材料及形狀等都對刀具磨損有影響。為真實反映刀具破巖過程，夏毅敏等［1］使用有限元建立非線性彈塑性本構(gòu)模型巖體和刀具相互作用三維模型并進行分析計算，真實地反映了刀具磨損和巖石碎裂動態(tài)過程，結(jié)果表明巖石破碎主要由拉伸裂紋和裂紋延伸構(gòu)成。

利用摩擦學(xué)原理，吳俊等［2］結(jié)合CSM模型，基于理想巖體模型［3］，通過力學(xué)分析和理論推導(dǎo)，得出滾刀和切刀磨損量預(yù)測計算公式，通過工程驗證，結(jié)果精度較高。王旭等［3］考慮刀具受力和地質(zhì)因素，對刀具磨損進行分析，并認為建立預(yù)測分析模型應(yīng)綜合考慮地質(zhì)和機械因素等不可控因素。竺維彬等［4］認為刀具磨損主要分為均勻磨損和單邊磨損、多邊磨損、刀圈崩裂等非均勻磨損，綜合考慮巖石硬度、強度、研磨性節(jié)理發(fā)育、石英含量對刀具磨粒磨損進行定性分析，對不同巖層下滾刀間距和刀具高差給出了建議值并提出了磨損的工程控制措施。張照煌［5］將滾刀運動分解為三個方向，得出側(cè)向位移對刀具磨損影響最大，同時也給出了破巖點弧長與磨損量之間存在一定的正比關(guān)系。張厚美［6］從刀具設(shè)計制造、維修裝配、掘進使用等階段提出減少滾刀磨損的控制措施。

本文綜合分析盾構(gòu)機在巖層地層掘進過程中，盾構(gòu)刀具磨損的機理基礎(chǔ)之上，對采用兩種不同計算模型對杭州某區(qū)間的盾構(gòu)刀具磨損進行計算分析，根據(jù)計算結(jié)果，分析影響刀具磨損的各種因素，提出工程施工過程中各種控制措施，為刀具選型、設(shè)計和施工控制刀具磨損提供依據(jù)。

1 刀具磨損機理分析

1.1 巖體破碎機理

滾壓刀具的工作原理主要是依靠刀具推力來沖擊擠壓巖層；再加上刀具旋轉(zhuǎn)扭矩連續(xù)滾壓破巖，這類刀具在掘進過程中會隨刀盤一起公轉(zhuǎn)，同時自身還繞刀軸進行自轉(zhuǎn)。刀具磨損是刀具與巖體相互作用的結(jié)果，盾構(gòu)刀盤施加一個壓力在刀具上，刀具在這個壓力的作用下，擠壓巖石，當巖石受到其拉應(yīng)力和剪應(yīng)力超出巖石材料力學(xué)指標時，巖石碎裂，刀具擠壓巖石過程巖石也對刀具施加一個反作用力，導(dǎo)致刀具磨損。

巖石破碎過程分為兩種機制：第一種為切削機制；第二種為擠壓破碎機制。

切削過程中，刀盤施加一個垂直刀盤的壓力和一個沿著刀具軌跡線切向水平分力，刀尖下端巖石因應(yīng)力集中產(chǎn)生多條裂紋，刀尖前端因應(yīng)力集中在巖石最大主應(yīng)力方向產(chǎn)生裂紋，隨著刀具前進，最大剪應(yīng)力超出巖石抗剪強度時，出現(xiàn)剪切裂紋，裂紋擴展至巖石表面時巖石斷裂，刀具對巖體完成一次切削過程。

擠壓切削過程就是刀盤施加垂直作用力將刀具壓入巖石自由面的過程（即盾構(gòu)掘進過程中的貫入度），根據(jù)巖石破碎過程分為以下三個階段：1）擠壓階段。刀具剛接觸巖體表面時，巖體表面彈性變形，隨著刀具壓入，彈性變形變?yōu)樗苄宰冃?，巖石破壞，刀具下方形成破碎區(qū)域，超出貫入度，即貫入度范圍內(nèi)巖石破碎。2）開裂階段。破碎區(qū)周圍形成一個應(yīng)力過渡區(qū)。過渡區(qū)外側(cè)由于巖石碎裂變形卸荷應(yīng)力減小，受影響區(qū)域巖石僅產(chǎn)生裂紋。3）破碎切削階段。當相鄰刀具壓入巖體周邊裂紋相互連通形成斷裂面時，巖體脫落。巖體破損過程見圖1。

圖1 巖體在刀具左右下破裂過程

1.2 刀具磨損機理

工程實踐中刀具磨損主要表現(xiàn)為均勻磨損和偏磨、弦磨、刀圈崩裂等非均勻磨損，見圖2。

圖2 刀具磨損主要形式

刀具磨損過程主要是刀具和巖體相互作用的結(jié)果，表現(xiàn)為巖石破碎和刀具磨損，本質(zhì)是荷載反復(fù)作用下能量轉(zhuǎn)換和能量消散的過程?；谀Σ翆W(xué)理論，磨損機制分為磨粒磨損、粘著磨損和疲勞磨損。刀具實際磨損過程通常不是單一形式出現(xiàn)，是幾種磨損相互作用的結(jié)果。

刀具的磨粒磨損主要表現(xiàn)為刀具與巖體相對位移過程中，刀圈貫入巖體時，巖體由彈性變形過渡到塑性變形，巖體隆起脫落，刀圈在貫入過程中承受刀圈正面巖體中硬粒的嵌入作用和來自隆起巖體中硬粒在刀圈上的作用，在刀圈上形成犁溝，反復(fù)作用導(dǎo)致刀具磨損。粘著磨損是指刀具貫入巖體時，硬粒壓入刀具表面并形成黏著點，刀具旋轉(zhuǎn)或者運動時，硬粒在切向應(yīng)力作用下黏著點脫落，刀具磨損。刀具在巖體應(yīng)力的反復(fù)作用下，刀具承受巖體反作用力產(chǎn)生疲勞磨損，刀圈斷裂。

2 刀具磨損預(yù)測計算模型

2.1 刀具磨損預(yù)測模型共性分析

2.1.1 預(yù)測模型共性分析

由表1可知，各種預(yù)測模型均考慮了巖石的強度和磨蝕值。磨蝕值采用CERCHAR實驗儀測定值或者挪威磨蝕測定AV，在一定程度上考慮了巖石的節(jié)理發(fā)育。由于刀具磨損影響因素很多，相互作用受力較復(fù)雜，目前沒有成熟的理論計算公式，刀具磨損量預(yù)測只是根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計處理后的結(jié)果，每種模型都有嚴格的假設(shè)條件，對于相同條件下的預(yù)測結(jié)果相對準確，適應(yīng)條件苛刻。見表1。

表1 各種刀具磨損預(yù)測模型

2.1.2 預(yù)測模型適用性分析

1）模型中的人為因素。

刀具破巖的動力由盾構(gòu)刀盤施加，貫入度即每次刀具入巖深度都是人為控制，由磨損機理分析可知，巖石破碎隆起對刀具兩側(cè)的磨損速度有著重要影響，同時刀具正面壓力大小直接決定粘著磨損的速度。因此盾構(gòu)掘進過程中的人為控制的參數(shù)如貫入度、轉(zhuǎn)速、掘進速度等對刀具磨損預(yù)測而言是個不可控因素。進一步說明經(jīng)驗公式的局限性和理論計算公式的適用范圍。

2）巖體的不均勻性。

巖體的不均勻性反映在巖體的節(jié)理發(fā)育和巖體硬粒含量。巖石破碎是交界面的破碎，顆粒本身不碎，顆粒硬度、尖銳度、尺寸、塑性和耐磨性對刀具的磨損都有影響。工程實踐中巖土均勻性不可控，故在一定程度上限制了經(jīng)驗公式的適用范圍。

3）刀位的影響。

刀盤旋轉(zhuǎn)過程中，刀位不同導(dǎo)致刀具線速度不同，每個刀位破巖點運動弧長就不同，刀位越大破巖點弧長越大，刀具磨損就越大。

4）刀具各部件質(zhì)量。

滾刀有刀圈、輪轂、軸及軸密封等構(gòu)成，密封失效、輪轂變形都會造成刀圈磨損，磨損量預(yù)測需首先排除此類因素影響。同時裝配扭矩和刀具直徑、刀具數(shù)量（刀間距）也對刀具磨損影響較大。

3 模型的工程驗證及影響因素分析

3.1 工程驗證思路

結(jié)合杭州某地鐵隧道區(qū)間現(xiàn)場實測，對刀具磨損數(shù)值進行預(yù)測計算，改變各個計算參數(shù)，對比實測和不同參數(shù)取值計算結(jié)果找出影響因素，為工程控制提供依據(jù)。

3.2 區(qū)間概況

區(qū)間采用鐵建重工兩臺ZTE7180土壓平衡盾構(gòu)機，中心開口率45%，中心滾刀4把，正面滾刀30把，邊緣滾刀12把，切刀36把，邊緣切刀12把。盾構(gòu)穿越地層為全斷面中風(fēng)化凝灰?guī)r，室內(nèi)巖石天然單軸抗壓強度范圍值為17.70～94.9 MPa，平均值為35.57 MPa，標準值為35.0 MPa，屬較硬巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。管片型號6900／6100-1500 mm。選取其中10把，掘進環(huán)號為89環(huán)～189環(huán)?，F(xiàn)場實測刀具磨損統(tǒng)計見表2。

表2 杭州某地鐵盾構(gòu)區(qū)間滾刀磨損統(tǒng)計

3.3 計算模型

3.3.1 經(jīng)驗公式

刀具磨損量經(jīng)驗公式見式（1）。

式中：δ為磨損量，mm；

K為摩擦系數(shù)，mm／km，中風(fēng)化凝灰?guī)r取值75×10-3，mm／km；

D為盾構(gòu)刀盤外徑，7.18 m；

N為刀盤的轉(zhuǎn)動速度，1.7 rad／min；

L為掘進距離，150 m；

V為掘進速度，1.5 cm／min。

代入式（1）計算刀具磨損量為：28.7 mm。

3.3.2 半經(jīng)驗半理論公式

式（2）預(yù)測分析受力模型見圖3。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，代入相關(guān)數(shù)據(jù)進行回歸計算得出a=0.76，b=0.20，c=0.04，計算結(jié)果和文獻［3］基本一致，磨損值誤差在20%以內(nèi)。由此可以看出，刀具磨損中，磨粒磨損在刀具磨損中占比重最大，粘著磨損占比次之，疲勞磨損占比最小。

圖3 模型計算受力簡圖

3.3.3 影響因素分析

1）式（2）計算結(jié)果更接近實測值，主要是式（2）中考慮破巖點弧長，并細化磨粒磨損、粘著磨損和疲勞磨損。式（1）中沒有考慮巖體多樣性，是根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的經(jīng)驗公式，相對精度較低，見圖4。

圖4 實測值與理論值對比

2）式（2）中改變刀間距S由100 mm變?yōu)?5 mm，計算結(jié)果為a=0.71，b=0.25，c=0.04，結(jié)果表明，刀間距變小，磨粒磨損對刀具磨損占比減小，粘著磨損對刀具磨損占比增加，疲勞磨損對刀具磨損占比基本不變。

4 刀具磨損的應(yīng)對措施

4.1 刀具設(shè)計制造

4.1.1 合理控制刀間距

根據(jù)磨損機理分析，破巖點破巖弧長越長，刀具磨損越大，刀間距越小，越有利于減少刀具磨損，故建議刀位數(shù)值較大位置采用較小的刀間距以彌補破巖點弧長較大產(chǎn)生的磨損。

4.1.2 保證加工材料和精度

保證刀具加工使用的材料，各個部件之間的尺寸配合等。在刀具裝配時采用合適的緊固扭矩，防止啟動扭矩過大而導(dǎo)致偏磨。

4.2 施工階段

4.2.1 全斷面硬巖掘進參數(shù)

采用敞開模式掘進，刀盤轉(zhuǎn)速1.5～1.7 r／min，扭矩2 000～2 500 kN·m，掘進速度8～12 mm／min，總推力1 500～1 700 t。停止掘進后恢復(fù)掘進時，控制掘進速度在10 mm／min以內(nèi)，防止刀圈崩裂。

4.2.2 刀具管理和刀具更換

刀具主要檢查拉桿是否松動，根據(jù)磨損規(guī)律，可以將邊緣刀具向較中位值更換，合理利用刀具。

4.2.3 渣土改良

適當加注泡沫劑，有助于降低刀盤扭矩和刀具溫度，便于出渣。

5 結(jié) 語

刀具磨損過程受力狀況較復(fù)雜，并且認為控制因素對刀具磨損影響較大，各種經(jīng)驗公式或者理論公式都有嚴格假設(shè)條件，因此只能通過修正接近實測值，通過刀具磨損機理分析和預(yù)測磨損計算得出以下結(jié)論：

1）通過理論計算分析，刀具磨損中，磨粒磨損占比最大，粘著磨損占比次之，疲勞磨損占比最小。刀間距減小有助于相鄰刀具產(chǎn)生的裂紋交叉，形成破碎面，提高掘進效率，減少刀具磨損。

2）刀具磨損計算中刀具貫入度、轉(zhuǎn)速和盾構(gòu)掘進速度等為人為控制，且對刀具磨損影響較大，因此刀具應(yīng)根據(jù)巖體力學(xué)性質(zhì)計算后配置，主要包括刀間距、刀圈厚度。刀號大的刀具適當減少刀間距，刀號小的位置適當增加刀間距，這樣就可以減少換刀次數(shù)，節(jié)約工期和工程成本。

3）全斷面硬巖段控制措施主要為：設(shè)置合理的掘進參數(shù)以及合理加注泡沫劑保護刀具，減少人為原因?qū)е碌度δp。掘進期間設(shè)定合理刀具檢查和更換周期，防止巖體不均導(dǎo)致個別刀具偏磨而加速相同位置刀具的磨損。