富水砂卵石地层盾构刀具磨损原因及改进

韩伟，王余鹏，石端文

1.福建林业职业技术学院，福建 南平 353000；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430000

0 引言

在富水砂卵石地层中进行地铁隧道开挖作业，刀具的磨损非常严重，这不仅影响盾构设备的使用寿命，而且更换刀具过程繁琐，中途开仓很可能造成作业面塌方，使施工中断，总施工时间延长，施工成本增加，甚至危及生命[1]。国内对盾构刀具磨损的研究不多，国际上也没有较好的定量评价富水砂卵石地层盾构掘进刀具磨损的方法。因此，研究如何减少砂卵石层上的刀具磨损，确定刀具挖掘富水砂卵石地层的最大距离，可以为建造大型长距离富水砂卵石隧道提供参考依据[2-3]。

1 工程概况

该工程为福州地铁某富水砂卵石标段，地质条件复杂，从地面往下依次为素填土，粉质黏土，砂质粉土，粉细沙层，粉质黏土，淤泥，淤泥质土，淤泥夹砂，淤泥质中粗砂，粗中砂，卵石圆砾层，全、强风化花岗岩，中等、微风化花岗岩，富水砂卵石地质剖面见图1(图中单位为m)，砂卵石地层开挖状态见图2。

图1 富水砂卵石地质剖面 图2 富水砂卵石地层开挖状态

工程所处位置普遍存在地表水丰富、承压水位高、渗透性强等特点。面板式土压盾构机在砂、卵石圆砾层掘进过程中，随着刀盘扭矩的增大，泡沫和膨润土量的增加，渣土中的含水量显著增加，排渣变热，当刀盘进入326环时，切削刀盘扭矩急剧增加，千斤顶的推力急剧上升到15 MN，接近盾构机最大推力16 MN。当盾构掘进至329环时，推进时间剧增至210 min。此时，刀盘振荡范围很小，无法继续掘进，为确保安全只能降低刀盘扭矩及推进速度。

盾构机停止前的320～329环的刀盘扭矩、推力、推进时间等掘进参数如表1所示。

表1 盾构机停止前各环位置掘进参数

2 刀具磨损原因分析

检查盾构刀盘，外周边刀已完全磨损，第一排齿刀(切削刀)严重磨损。刀具的磨损系数

k=δ/L，

(1)

式中：δ为刀具实测最大磨损，δ=138.38 mm；L为切削刀切削轨迹长，L=πDl/d，其中，D为刀盘直径，D=6 m，l为盾构推进距离，l=390 m，d为盾构每转推进距离，d=0.03 m。

计算得：k=0.565 mm/km。

土压平衡盾构机的磨损系数最大不超过0.052 mm/km[4],如表2所示，本标段的磨损系数已经达到其10倍多，必将影响盾构机的掘进施工[5]。针对刀具磨损的原因进行分析。

表2 不同土质盾构刀具的磨损系数

1)刀盘所在地层的土体性能不稳定。砂卵石地层结构松散、颗粒大小不等，颗粒间无胶结，在福州富水地区尤为明显，卵石颗粒之间以点对点方式传力，内摩擦角大，刀盘掘进过程中摩擦力大，加快了刀盘的磨损[6]。2)添加剂的添加比例不当。泥浆和泡沫作为本标段的添加剂，泥浆、泡沫及渣土的体积比约为3:4:10，按此比例添加泥浆和泡沫后，土体的坍落度为14 cm，对富水砂卵石地质的改良效果不明显。3)所选刀盘形式不当。砂卵石地层土的流动性差，采用的面板式刀盘开口率(刀盘开口区域面积与刀盘总面积的比)小，容易造成刀盘卡死无法推进的现象[7-9]。

3 盾构刀具减磨技术措施

3.1 添加剂

通常，当开挖地层渣土的细颗粒(颗粒尺寸小于0.075 mm)的质量分数小于30%时，应注入泥浆予以补充。在施工作业环境下选择原状土进行颗粒分析和试验，福州地铁砂、卵石地层细颗粒质量分数仅为5%，有必要添加黏土来补充细颗粒，以改善土壤性能，从而改善土压平衡盾构施工作业环境。施工过程中发现，添加泥浆可以提高切削渣土的流动性，改善掘进过程中刀盘扭矩过大的情况。但若泥浆的添加量过多，会导致土仓中的大卵石沉入土仓的底部，引起离析，当重新启动时，刀盘将被锁定不能旋转。由文献[10-12]可知，泡沫在改善渣土可塑性和和易性方面效果明显，为满足施工要求，仍选择泥浆与泡沫作为添加剂，重点是选择合适的泥浆与泡沫的添加比例。

1)先添加适量泥浆。泥浆主要由膨润土、水、粉煤灰和高效减水剂组成，质量比为：m(膨润土)∶m(水)∶m(粉煤灰)∶m(高效减水剂)= 1∶6∶1∶0.02。通过试验，当每m3的渣土中添加150 L泥浆时，土壤中细颗粒的质量分数达到25%左右，土壤性能良好[13-16]。

2)泡沫。使用含有阴离子表面活性剂的泡沫(包含磺酸基发泡剂和酸性甲基纤维素基黏合剂的添加剂)。每m3的渣土中添加350 L泡沫添加剂，为便于观察泡沫的稳定，将改性土壤置于大容量量筒中，观察体积变化以确定泡沫的消散程度。测试结果表明：土壤5 min内的平均收缩率为2.25%，4 h内为8.5%，可以满足防护罩对气泡的稳定性要求[17]。

改进添加剂配比后，通过坍落度试验检验添加剂对土壤的改良效果，试验结果表明：当泥浆、泡沫及渣土的体积比约为3∶7∶20时，土体的坍落度达20 cm，土体的和易性、流动性均满足土压盾构施工要求。

3.2 刀盘结构形式及刀具配置

盾构刀具切削围岩的过程实际上是机械系统与土壤的相互作用[18]，刀具的磨损不仅与所在地层的土体性质有关，还与刀盘的形式和刀具的布置有关。

3.2.1 刀盘结构形式及特点

1)刀盘结构形式

常见刀盘的结构形式有面板式和辐条式2种，如图3所示。泥水盾构通常采用刀盘开口率小的面板式，土压平衡盾构可选用面板式和辐条式。

a)辐条式 b) 面板式图3 刀盘结构形式

2)刀盘特点

面板式刀盘通常受3个开挖面水土压力，即挖掘表面和面板之间的压力P1，面板的开口与进出口之间的压力P2，以及面板和封闭的机舱内壁之间(土压力表)的压力P3，P3=P1-P2。因面板式刀盘开口率低，P2难以确定，难以控制开挖面的平衡压力。面板式刀盘开挖面的土壤受面板开口率的影响，不容易进入密闭的土仓内，容易黏结和阻塞。

辐条式刀盘只有1个开挖面压力，封闭舱室中土压力计的压力等于开挖面的压力，因此很容易控制开挖面的平衡压力[19]。辐条式面板只有几个辐条，且在辐条后面有一个搅拌叶片，沉淀物流动顺畅，不易堵塞[20-21]。

结合两种刀盘的形式特点和福州地铁砂卵石地层的地质条件，本工程改选用辐条式刀盘。

3.2.2 刀具的种类及切削原理

1)刀具种类及特点

盾构机刀具主要分为切削刀和滚刀，滚刀适用于坚硬岩层，由于该标段铁盾构施工地层为砂卵石地层，故重点分析切削刀。

切削刀种类主要有主、副切削刀，主超前刀(先行刀)，鱼尾刀，盘圈贝型刀，刮刀等。

主、副切削刀采用高、低配置(高、低刀)，如图4a)所示，图中H为主副切削刀配置高差。随着刀盘在开挖面不断旋转，主切削刀插人地层内部并不断深入，主切削刀刃和刀头沿盾构前进方向以一定角度像犁耙耕地一样深入地层并切削土体，如图4b)所示。副切削刀在主切削刀切削土体后，切削主切削刀漏切削部分的土体，提高切削工作效率。图4中γ、δ分别为主切削刀的前角与后角，t为切入深度。

a)主、副切削刀 b)主切削刀切削土体图4 主、副切削刀切削土体示意图

a)主超前刀 b)主切削刀与主超前刀布置图5 主超前刀及与主切削刀的布置示意图

在主切削刀切削土体前，主超前刀首先将土体切割成块状，以降低主切削刀的切削难度。主超前刀的切削宽度比主切削刀窄，切削效率高[22-23]，能大大提高切割土体的流动性，降低主切削刀的扭矩，减少刀具的磨损，主超前刀及与主切削刀的布置如图5所示。

鱼尾刀位于刀头的中心，如图6所示，鱼尾刀与其他刀具不同，突出于整个刀盘平面，因此，鱼尾刀首先切削土体，刀具圆心进入土体后，整个刀盘再全面进入土体，扩大了切削面积。鱼尾刀的根部设计成锥形，当刀头旋转时，由鱼尾刀切割的土体类似圆规进行旋转[24]，不仅能防止中心区域漏切，而且增强了切削渣土的流动性，降低了盾构机的卡死率。

图6 鱼尾刀切削土体示意图 图7 盘圈贝型刀示意图 图8 刮刀示意图

盘圈贝型刀实质上也是超前刀，如图7所示，在刀盘周边外端使用盘圈贝型刀可以提高在砂卵石地层的切削效果。

刮刀布置在刀盘面板或辐条两侧，布置在刀盘边缘时称周边刮刀，可以提高在砂卵石地层的切削效率，修整开挖面轮廓[25]。刮刀的示意图如图8所示。

2)切削原理

切削基本过程：通过刀面的挤压作用，被开挖面产生土体压应力和土体变形，切削刀头的前端刀刃先行切入土体，并沿刀刃运动方向使开挖面土体分离，大块的土体被分割脱离母体，并随着刀面的挤压作用再次产生变形形成土屑。切削过程中切削刀头主要沿开挖面和切削面做2个方向的运动，前者起到分割脱离母体的作用，后者起到减小土体厚度的作用，如图9所示，图中H′为刀盘与切削面的距离，vx、vz分别为切削刀的切向与法向速度。

图9 切削原理

3.2.3 盾构刀具的布置

辐条式刀盘刀具的布置形式主要由牙型交错连续排列方式与整体连续排列方式，如图10所示。牙型交错连续排列方式切削阻力较小，切削效率较好，密闭舱内的土体流动性好，易于搅拌，在设计和配置刀具时，应注意使刀具高低交错配置。而整体连续排列方式在密闭舱中抗切割性较好，土体流动性较差[26]。

a)牙型交错连续排列 b)整体连续排列 图10 辐条式刀盘刀具的两种排列形式

分析对比后，福州地铁砂卵石地层土压盾构施工选用辐条式刀盘，刀盘宜设置主、副切削刀，主超前刀，鱼尾刀，盘圈贝型刀，周边刮刀等刀具，刀具采用牙型交错连续排列方式。

4 砂卵石地层刀具磨损量测与分析

福州地铁某标段采用土压盾构机施工，采用泥浆、泡沫、渣土的体积比为3:7:20，IHI辐条式刀盘直径为6 m，4根辐条呈十字布置，开口率大。每根辐条上配置主、副切削刀高、低布置，其高低差为20～30 mm，主超前刀(先行刀)位于主、副切削刀之间，见图11。刀盘中心安有一把鱼尾刀，盘圈贝型刀布置在刀盘盘圈前端，周边刮刀位于刀盘外侧与盘圈贝型刀相邻。

图11 IHI辐条式刀盘刀具配置

对砂卵石地层磨损较大的主超前刀、主切削刀、周边刮刀等刀具的磨损情况进行现场测量，同时测量刀盘左、右侧主切削刀(高刀)、副切削刀(低刀)的磨损。对测量结果进行计算和统计分析，作一元线性回归，并绘制各刀具磨损量与切削轨迹的关系曲线，如图12所示，图中散点为实测相应刀具的磨损量。

图12中某些测量数据明显偏离拟合线，主要原因是刀盘辐条上的切削刀具意外损坏导致测量磨损量出现偏差(见图12c))；刀盘布置刀具数量太少，使测量的磨损量偏差过大(见图12f)、g))。

图12中直线的斜率代表刀具的平均磨损系数，斜率越大，平均磨损系数越大。由图12a)、b)、c)可知：主超前刀的磨损系数为0.025 3 mm/km，比周边刮刀和主切削刀的磨损系数大，主要是因为主超前刀先行进入土体，切入土体较深，受扭矩和摩擦的影响较大；同理，主切削刀的磨损系数较周边刮刀略大。

磨损系数大并不一定表示磨损量大，虽然主超前刀的磨损系数比周边刀大，但由于周边刮刀布置在半径较大的外侧，切削轨迹长，其磨损量大于主超前刀；主超前刀布置在主、副切削刀之间，切削轨迹与主、副切削刀近似相同，切削对象为主卵石层，切削深度大，刀具更易磨损，所以具有更大的磨损量和磨损系数，如图12a)、d)～g)所示。一般主切削刀的磨损量大于副切削刀，对应的磨损系数也大[27-30]。所以磨损量与切削路径有关，路径不同，磨损量则不同。

图12 各刀具磨损量与切削轨迹长度的关系

改进后刀具的平均磨损系数约为0.013 mm/km，明显小于0.565 mm/km。

5 结语

1)福州地铁某标段施工中，采用泥浆、泡沫、渣土的体积比为3:7:20，改善了土壤性能，同时，采用辐条式刀盘代替原面板式刀盘，并优化刀盘上刀具的布置后，刀具的平均磨损系数由0.565 mm/km降低到0.013 mm/km，完全可以在不更换刀具的情况下对约2 km的富水砂卵石地层进行连续开挖。

2)在富水砂卵石地层中，如果选择硬度较高的高刀合金刀头，磨损率会大幅降低；切削刀头的作用是剥离土体而不是切削土体，若刀头能适当变钝，则可以提高其抗扭性，减少崩刃的风险。