无水砂卵石地层土压平衡盾构刀具改造技术

张人志(中交隧道工程局有限公司，北京　100069)



无水砂卵石地层土压平衡盾构刀具改造技术

张人志
(中交隧道工程局有限公司，北京100069)

摘要:分析辐条式土压平衡盾构在穿越全断面无水砂卵砾石层施工中刀具严重磨损的原因，提出拆除滚刀并对刀具进行改造以及按分层切削设计原理对刀具进行重新配置的思路。从刀具改造的总体思路、刀具改造前后对比分析和改造后掘进效果的对比等方面进行研究。结果表明:改造后的刀具以及按分层切削设计原理配置的刀具有很好的切削效果，为地铁无水砂卵石地层盾构施工刀具改造和配置提供了一种新方法。

关键词:土压平衡盾构;刀具改造;无水砂卵砾石层

北京丰台等南部区域大部分为砂卵砾石地层，在该地层进行盾构施工，刀具磨损非常严重。针对磨损后的刀具，采取针对性解决措施，近年国内结合不同地层情况进行了相关研究，文献［1］分析刀具磨损的原因，针对磨损刀具提出以旧换新的换刀思路。文献［2－5］针对刀具磨损规律及减磨措施进行分析和总结，提出加耐磨层、优化掘进参数设置、渣土改良等减少刀具磨耗的思路。文献［6］针对刀具磨损进行动态监测分析，提出减小刀具磨损的理论回归关系式。以上针对砂卵砾石地层的研究多集中在常见的刀具新旧更换、减少刀具磨耗以及刀具磨损监测等方面，对于因盾构选型前期刀具选型以及配置不当造成的刀具磨损以及中途进行刀具改造和重新配置问题鲜有涉及。

本文以正在施工的穿越全断面无水砂卵砾石层的北京地铁14#线土建某标段土压平衡盾构刀盘圆弧面板改造为直角面板的基础上进行刀具改造以及按分层切削原理进行刀具配置为例，从刀具改造的总体思路、刀具改造的前后对比分析和改造后掘进效果的对比等方面进行研究，力图找到一种新的刀具改造和刀具按分层切削设计原理配置的可行性思路。

1工程概况

北京地铁14#线土建施工某标段隧道区间全长705 m，位于北京市丰台区南二环附近，采用盾构法施工。区间结构主要穿越卵石、圆砾⑤层(中密—密实，标贯击数N63．5= 43～100，属低压缩性土，卵石最大粒径10 cm，一般为4～6 cm，亚圆形，级配较好，含中砂约30%)和卵石、圆砾⑦层(密实，湿—饱和，N63．5= 50～150，属低压缩性土，卵石最大粒径12 cm，一般为4～6 cm，亚圆形，级配较好，含中砂约30%)，可能存在粒径＞20 cm漂石。工程拟建场地范围内地表水为一条现状河流(四季有水，水深0．6～1．0 m)，区间结构主要位于河道南北两侧0～50 m范围内，其中下穿河道约170 m，该河对场区地下水没有明显的渗漏补给现象，场区潜水水位标高约为17．82～19．71 m，与结构底板基本持平，属于典型的全断面无水砂卵砾石层。

结合该地层工程和水文地质情况，盾构机选用Φ6 260 mm铰接式土压平衡盾构机，采用辐条式刀盘，开口率为64%，配置163把刀具，其中刀盘外周装设8把双刃滚刀，并将其外周设置成1 000 mm长圆弧过渡，如图1所示。

盾构掘进至123环时，在推力正常时，刀盘扭矩急剧增大，从123环至145环，由之前最大为刀盘额定扭矩的60%(刀盘额定扭矩5 765 kN·m)，增大至80%多，瞬时扭矩为刀盘额定扭矩的150%，造成盾构被迫停机。经开仓检查，刀盘辐条上可见的绝大部分刀具刀刃合金已崩碎，刀具及部分刀座磨损严重，如图2所示。

滚刀全部被泥包裹并存在不同程度偏磨。若不换刀强行掘进过河，风险大，为确保中途不换刀而顺利掘进完余下443环( 532 m)，过河前施做检修井，对刀盘和刀具进行全面检修和改造。

结合开仓检刀和现场实际情况，分析刀盘刀具磨损原因，主要有以下几个方面:

图1改造前的辐条式刀盘和刀具

1)工程地质方面，该种地层为力学不稳定地层，砂卵砾石内摩擦大，切削土的流动性差，若渣土改良效果不好会导致刀盘扭矩增大，刀盘过热，进一步加剧刀盘磨损。

2)水文地质方面，相对穿越有水砂卵砾石层，区间结构穿越该种地层时刀盘摩阻力和扭矩更大，磨损也更严重［7－8］。

3)渣土改良方面，现场膨润土膨化时间不足24 h，所选泡沫与现场地层不适应，发泡设备发泡机理不好，导致发泡效果不好。

4)刀具布置方面，根据北京该种地层以往施工实践经验判断，开口率为64%的辐条式圆弧形刀盘配置周边滚刀，存在偏磨可能性大，既未对刀盘起保径作用，也未能对辐条上刮刀起保护作用［9］。

5)原厂刀具质量方面，刀具刀体以及刀具合金尺寸偏小(单薄)，刀具刀体及合金顶部角度过于尖锐，容易崩角［10－11］。

6)其他方面，地层中可能存在较大粒径漂石。

图2崩角及磨损严重的刀盘和刀具

2刀具改造总体思路

2．1刀具现状分析及改造思路

改造前，虽然刀盘整体框架结构和整副刀盘刀具较为完整，但刀具及部分刀座磨损严重。根据北京地区该种地层同种类型盾构多年实践经验，将刀盘原装8把滚刀全部拆除后，在不破坏刀盘原有整体结构的前提下，将刀盘外周圆弧过渡改成直角过渡，再安装刮刀和先行刀。对辐条上的刮刀、先行刀、保护刀(在此指保径刀)等刀具均重新进行设计、制作和改造。维持原刀盘结构不变，将刀盘由圆弧型过渡改造为直角型后，对刀具重新进行设计、制作和安装以及进行优化配置。

2．2刀具改造可行性分析

刀盘总扭矩T由切削土体所需的扭矩T1，刀盘正面、周边和背面的摩擦扭矩T2，刀盘搅拌渣土所需的扭矩T3，刀盘轴承和密封摩擦扭矩T4等4大项组成。而据文献［12－13］，T2和T3在其中占绝对主导地位，是主要影响因素，刀盘扭矩可通过增大刀盘开口率以及提升渣土改良效果予以改善。该台盾构机开口率足够大( 64%)，通过渣土改良即可降低扭矩。据相关研究，摩擦系数每降低0. 1，刀盘扭矩降低35% ～40%，通过渣土改良完全能达到降低扭矩的目的。因此，刀盘改造后的扭矩影响完全可以忽略。

北京地区砂及砂卵石中二氧化硅含量高，刀盘刀具磨耗系数k大，约为0．07～0．10 mm/km。刀具最外周磨耗量σ为:

式中: D为盾构外径，m; n为刀盘转速，r/min; L为掘进距离，km; v为掘进速度，m/min。

根据北京地区类似地层以往施工实践，对刀具磨耗和掘进长度进行预测，由主切刀磨耗系数0．07～0．1 mm/km，容许磨耗量40 mm，D=6．26 m，n=1．2 r/min，v=0．04 m/min，则有主切刀k=0．07 mm/km时，盾构机最长掘进距离L=969 m;主切刀k=0．1 mm/km时，盾构最长掘进距离L=678 m。因此，可确定该种刀具能确保掘进完余下443环( 532 m)而顺利实现盾构到达。

2．3刀具改造流程

刀具改造流程如图3所示。

图3刀具改造流程

3刀具优化与配置

3．1刀具优化改进

1)优化改进后的刀具，均采用适用北京无水砂卵砾石地层的加强型刀具。相对改进前刀体厚度增强、合金增大、刀刃变钝(刀体及嵌入合金由尖而窄变为宽而钝，且均采用国内知名厂家生产的大块碳化钨材质合金)，耐磨和抗冲击。

2)拆除原装刀盘主刀和刮刀，采用改进后的加强型主刀，长、宽、高分别为150、127、165 mm。强化型刮刀分为大小2种规格，大刮刀的长、宽、高分别为200、127、165 mm，小刮刀的长、宽、高分别为150、126. 4、165 mm。普通型刮刀长、宽、高分别为150、117、165 mm。如图4所示。该种刀具焊接开敞式大块合金，防卵石冲击，确保长距离掘进不失效。

图4主刀和刮刀改进前后对比图

3)拆除8把滚刀，安装改进后刀型较窄的强化型先行刀(双面贝壳刀，长296 mm，宽60 mm，高分别为130、90、110 mm)如图5所示，提高切削效率和增大卵石流出速率。

4)原装先行刀为单面贝壳刀，刀体设计比较尖锐，合金尖锐而狭窄，受卵石冲击时，容易造成合金崩碎而失效。因此，将其改成强化型先行刀(双面贝壳刀，长296 mm、宽60 mm、高150 mm，底部圆弧形)，焊接开敞式大块合金，刀刃倒角，耐卵石冲击，如图6所示。

图5刀盘改造前后使用的滚刀和焊接式强化先行刀对比图

图6原装先行刀和改进后焊接式强化先行刀对比图

5)滚刀替换成强化先行刀后，切削轨迹减少，而刀盘外缘速度较大，在其面板上焊接强化先行刀增加切削轨迹和保证刀盘边缘的安全。

6)在原刀盘保护刀旁增配12把边缘保径先行刀，以保证开挖直径和保护刀盘外缘不过度磨损。

7)刀具厚度相比原厂刀具增大，刀具数量相对原刀盘有所减少。其中，减少48把边缘刮刀，但增加38把强化型先行刀，确保刀具切削轨迹覆盖全刀盘;此外，在原基础上增加12把强化型保径先行刀，以增加安全可靠性;因中心鱼尾刀磨损程度很小，对有崩角的刀具旁单侧施焊1把先行刀进行保护。

3．2刀具配置改进

1)根据刀具的磨损量与线速度成正比的规律以及刀盘刀具成对布置等刀具配置原则要求［14－15］，在中心鱼尾刀回转区域内靠外侧2条轨迹上每条分别增配1把和2把焊接先行刀，外周部分轨迹配4把焊接先行刀，增强整体刀具切削能力，保护刀盘。

2)按照长短刀具并用法切削土体的分层切削原理，先行刀布置比刮刀和主刀高出40 mm，同时，先行刀内部之间再设置高差。

①刀盘改造后a、c、e 3个辐条上直角面板比圆弧面板高20 mm，同一辐条靠外周2把先行刀比其他靠刀盘中心的先行刀高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，靠刀盘中心圆弧面板上布置高150 mm先行刀。

②刀盘改造后b、d、f 3个辐条上直角面板比圆弧面板高60 mm，同一辐条上以及该3个辐条上先行刀布置在同一个平面高度上。即:辐条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，靠刀盘中心圆弧面板上布置高150 mm先行刀。

对整盘刀具配置后，主要形成2个高差，分别是先行刀与刮刀及主刀之间的40 mm高差，以及先行刀内部之间形成的20 mm高差。

刀具改造和配置前后对比情况如图7所示。

图7刀具改造和配置前后对比图

4掘进参数的改进

改造前，123环掘进至145环的刀盘扭矩过大(见图8)。

通过采取调整膨润土和泡沫的配合比、添加量、添加比例以及更换泡沫品牌和加强膨润土24 h膨化等渣土改良措施，刀盘刀具改造完成恢复掘进后，在推力正常情况下，扭矩有了明显改善。抽取146～236环掘进参数分析:

1)刀盘扭矩为3～3. 8 MN·m(见图9)，符合刀具厂家刀盘扭矩≤4 MN·m的要求，结合北京同类地层以往土压平衡盾构施工刀盘扭矩参数及丰台南城在施盾构标段经验参数，证明复推后扭矩正常。

图8 123～145环刀盘扭矩

图9 146～236环刀盘扭矩

2)推力为15～25 MN，见图10，额定推力为40 MN，推力正常。

3)膨润土及泡沫加入量更合理。在保证前述推力和扭矩正常情况下，从始发时每环泡沫最大添加量28 m3、膨润方土6 m3，降至现在加泥和加泡沫量均为3～5 m3(见图11)，节约了泡沫、膨润土等材料费开支。

4)盾构机掘进速度有了可靠保证，该地层在控制掘进速度40 mm/min左右时，推进基本可以保证在8～10环/班。

图10 146～236环盾构推力统计

图11 146～236环加泥加泡沫统计图

5　结语

对穿越全断面无水砂卵砾石层的土压平衡盾构刀具改造以及按分层切削土体原理配置刀具方法进行了分析和研究，为土压平衡盾构在北京地区该种地层施工中的刀具改造和刀具配置提供了一种可行的新方法。

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(责任编辑: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

作者简介:张人志( 1979—)，男，湖南新邵人，工学硕士，工程师，主要研究方向为盾构施工技术及管理．

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

收稿日期:2015－05－06

文章编号:1672－0032( 2015) 02－0067－06

文献标志码:A

中图分类号:U455．3