富水砂卵石地层盾构刀盘刀具配置的研究

程俊瑞

（中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 4 7 1 0 0 0）

富水砂卵石地层盾构刀盘刀具配置的研究

程俊瑞

（中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 4 7 1 0 0 0）

成都的地层属于富水砂卵石地层，卵石含量达到8 0%以上，盾构掘进时对刀盘刀具的磨损异常严重，更换刀具带来的施工风险极大，刀盘刀盘刀具的磨损问题严重制约着地铁施工的进度。本文根据成都地铁1号线施工过程中对刀盘刀具的消耗、刀具的磨损型式进行客观的分析，提出能够适应成都地层需要的刀盘刀具配置。

富水；砂卵石地层；盾构；刀盘刀具；配置研究

1 成都在地质和水文方面的条件

（1）地质条件。成都地铁穿越的地层以砂卵石为主，6 5%～7 5%之间卵石的粒径在3 0～1 0 0 mm之间，大约有1 0%的卵石粒径在1 0 0～1 3 0 mm之间。该地的地层岩体相对比较松散、没有胶结、自稳能力相对较差，并且石块的单个强度较高，颗粒之间有相对较大的空隙，黏聚力并不明显，地层中卵石块在很大程度上可以起到强有力的支撑作用。同时，在没有水的情况下，颗粒之间可以形成点对点之间的传力，地层具有良好的反应灵敏度，因而极易造成对原来稳定或平衡状态的破坏，由此造成塌陷现象。

（2）水文条件。成都地层富水，通常情况下枯水期的埋藏深度都在3～5 m，丰水期深度在1～3 m，最小埋深0.2 m。总结成都前期进行基坑施工的相关经验，在正式挖之前需要做好降水等准备工作，基于基坑壁具有良好的独立性，卵石在地层中的骨架作用，相应的会使得基坑由于降水而造成的变形可能性相对较小。但是，在富含地下水的地层中，在挖掘的过程中受水压的作用相对比较明显，因此会对盾构尤其是开挖面的稳定性造成不小的影响。另外，在砂卵石地层中，尽管整体的围岩体所具备的强度非常低，但是单个岩石块具有很高的强度。

2 刀盘刀具在盾构施工过程中的问题

成都地铁在施工过程中所选用的盾构主要是由海瑞克公司所生产的泥水和土压平衡盾构机，这两种机型在刀盘面板的结构和刀具的相关配置方面基本相同，如表1所示。

通过对成都地铁实例的整理与分析，现将刀盘刀具在盾构施工过程中的具体问题整理如下：第一，刀盘刀具的磨损情况非常严重，砂卵石地层中的磨琢性本来就非常大，在加上受包裹性的影响，使得滚刀、齿刃刀具以及刀盘的磨损情况十分严重。如图1。第二，刀具在磨损之后需要不断的换刀，而换刀作业在一定程度给盾构施工造成非常严重的问题，尤其是对于换刀方式、地点的选择以及在换刀过程中所采取的各种加固性措施等，换刀人员需要时刻保持清醒，保障安全性的显著提高，因此降低了施工的效率，增加了施工成本。第三，刀盘中心四幅壁的结构过程中渣土流动不畅的问题普遍存在，且在泥量含量相对较大的情况下极易造成泥饼的形成。第四，刀盘在进行搅动作业时，即使是在降水的条件下，砂卵石地层的稳定性都相对较差，拱顶部时常会出现塌落的严重现象，这便在一定程度上给刀具的更换工作带来很大的困难。第五，清仓过程中需要在刀盘的开口处焊接一定的挡板，但是刀盘转动可使挡板脱落。

表1 泥水盾构与土压盾构刀具的配置

3 刀盘刀具磨损的主要形式和原因

（1）盾构中心滚刀的主要磨损形式。中心滚刀安装在刀盘的中心部位，其运动半径在7 0～1 1 0 0 mm之间，相同材料的刀圈，正常情况下中心滚刀的刀圈磨损量要比单双刃滚刀刀圈磨损量要小，因为中心滚刀的运动半径较小，盾构掘进一定的距离时其运动轨迹要比单双刃刀的运动轨迹短得多，那么刀圈和砂卵石接触磨损的距离就小得多，故盾构掘进一定里程的情况下中心滚刀的刀圈在正常磨损情况下要比单双刃刀刀圈磨损量要小。可是，在实际的施工中我们发现中心滚刀刀具的消耗量甚至比单双刃滚刀的消耗量还要大，中心滚刀的消耗主要集中在偏磨、漏油报废，通过对中心滚刀的跟踪检查发现：中心滚刀的偏磨、漏油主要是因为刀体磨损严重导致漏油，漏油后刀具不能正常转动而引起刀具偏磨。其磨损主要包括刀圈磨损、刀圈断裂、滚刀刀体变形、浮动密封损坏及漏油以及轴承损坏等。

（2）盾构刮刀、齿刀的磨损形式。在盾构刀盘安装数量最多的就是刮刀和齿刀，刮刀与齿刀除了切、刮碴土功能以外还有保护刀盘、防止刀盘磨损的作用。目前国内外生产的刮刀齿刀都是在切削面上镶嵌高强度合金齿、合金拄、合金块等，现场使用中刮刀、齿刀的磨损形式主要有合金的崩裂与脱落、刮刀两块接触面的磨损以及齿刀边角的磨损等。

（3）磨损的原因。盾构机的刀盘刀具磨损可以在掘进中通过掘进参数的异常和碴土的温度判断出来，通过多次换刀对刀盘刀具的磨损检查和统计情况，可以判断刀盘刀具的磨损主要有以下原因：

第一，基于中心滚刀对磨损情况进行分析。2-4和6-8号双刃滚刀的使用极大地降低了中心区域的开口率，此单位时间内摩擦率与作用面较之前都有了显著的增加；结泥饼现象的出现造成中心刀具的机动性缺失；在掘进过程中通过将黄泥粉添加到土仓中，使得渣土的黏度显著增加，渣土本身的流塑性显著降低，进而造成中心滚刀磨损情况的不断严重。

第二，基于滚刀刀毂对受损情况的分析。在滚刀和刀箱之间经过挤压进入土仓中的卵石和砾砂，在其相互挤压额度过程中会与刀毂产生强烈的碰撞作用，极易导致刀毂的损伤，并且还会破坏刀毂的自保功能。

第三，基于结泥饼对磨损情况进行分析。

第四，基于偏磨现象对受损情况进行分析。刀盘最初的设计所采用的滚刀是全断面的，当滚刀与较硬的卵石接触时，刀具基于自身较小的开口率和过大的动力矩，极有可能动不了；没有完全将卵石切碎之前为防止被挤走，需要在刀盘和滚刀的相互作用下进行充分的研磨；富水砂卵石地层不能提供足够的摩擦力来推动滚刀的转动，因此当滚刀出现停滞现象时，便极易造成单边磨损的情况，也就是所谓的偏磨，进而随着磨损范围的逐渐扩大，单边会逐渐形成多边。

4 刀盘刀具配置优化建议

第一，确定布置刀盘的总体原则。即刀盘中心采用正面齿刀与羊角刀有机结合的方式，以此来促进开口率的显著增加和中心动态性的改变；边滚刀以双刃的为主；刀盘正面主要采用的是滚刀与空轴异型刀；刀盘背板经过一定的耐磨板和网进行加固。第二，在盾构施工过程中滚刀选择采用3 0 mm的加厚刀圈，刮刀镶嵌的合金要求大块、耐磨性好、抗冲击，提高刀具的磨损性，从而极大的保证盾构能够达到理想的效果。第三，提高单刃滚刀刀毂的耐磨性能，可在刀具维修时在刀毂上堆焊耐磨网格，提高刀毂的耐磨性。第四，掘进过程中严格控制碴土的改良，可通过泡沫和水或膨润土的适量加注有效的改良碴土的可塑性和流动性。第五，利用先进的硬质合金堆焊技术，在刀盘的外缘设置一定的耐磨合金环，并在其开口部位以及容易磨损的刀座处堆焊一定的耐磨层，还通过在刀盘背面加焊耐磨丝，对保压参数重新设定，以此来使刀盘刀具的耐磨性、强度以及硬度都较之前显著增强。

5 结语

综上所述，本文通过对成都在地质和水文方面条件的科学分析，简单的介绍了刀盘刀具在盾构施工过程中的问题，并且在此基础上从盾构中心滚刀的主要磨损形式和盾构刮刀、齿刀的磨损形式以及基于中心滚刀、刀具背板、滚刀刀毂、结泥饼、以及偏磨现象对刀盘刀面磨损的具体情况进行了科学的分析，最后相应的提出了改进刀盘刀具配置设计的重要方法。

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