泥水平衡盾构刀盘掘进对比及优化建议

2021-03-20于庆增杨兴亚龙伟漾赵云冲

建筑机械化 2021年2期

关键词：右线滚刀喷口

于庆增，杨兴亚，龙伟漾，赵云冲

（中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016）

盾构在施工过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、黏土、砂层到软岩及硬岩等，其中刀盘刀具必须根据工程地质情况进行针对性设计。

刀盘是盾构机的关键部件之一，直接影响盾构施工的效率和设备选型的成败。刀盘设计时，应充分考虑刀盘的结构形式、刀盘开口率、刀具的布置、使用寿命及刀具费用等因素对地质的适应性，在确保开挖面稳定的情况下，提高掘进速度。

1 工程概况

南宁市轨道交通3 号线02 标11 工区青秀山站-市博物馆站区间（简称青市区间）位于南宁市良庆区，区间起点里程Z（Y）DK20+229.6，终点里程Z（Y）DK22+220.6，采用两台泥水平衡盾构施工。掘进穿越地质情况主要为：泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、钙质泥岩、泥质粉砂岩、砾石。

针对不同的地质情况，左右线掘进参数如表1 所示。

2 掘进情况

掘进过程中刀盘转速控制1.2～1.5r/min，刀盘转速过慢和过快都不利于渣土在泥水仓内外排。转速过慢，不利于渣土切削脱落和外排；转速过快，易造成刀盘异常磨损，增加渣土温度。

表1 不同地层主要掘进参数

正常掘进时扭矩不允许高于3 000kNm（当掘进扭矩高于3 000kNm，降低推进速度循环出渣，让渣土尽量不滞排，降扭矩），扭矩增加主要原因是渣土滞排，造成泥水仓内渣土堆积，如不及时处理，会造成刀盘异常磨损（反复磨损）。根据掘进参数变化，扭矩增加并不能提高掘进速度。掘进中需观察泥岩掘进扭矩参数规律，及时循环，降低仓内渣土堆积。

2.1 左线施工情况

其中左线区间共1 325 环，约1 987m，区间地质断面图如图1 所示。

图1 区间左线地质断面图

左线区间盾构刀盘采用六主梁+六副梁复合形式，刀盘面板设置5 个喷射孔和注水孔，中心撕裂刀采用一字型布置形式。从2017 年2 月始发掘进，到2018 年1 月左线贯通，掘进历时11 个月，平均月掘进180m，掘进过程中共进仓更换刀具6 次。左线盾构始发及出洞如图2、图3 所示。

图2 左线盾构始发

2.2 右线施工情况

右线区间共1 335 环，约2 002m，区间地质断面图如图4 所示。

图4 区间右线地质断面图

右线盾构刀盘采用四主梁+四面板复合形式，从2017 年4 月中旬始发掘进，到2018 年1月右线贯通，掘进历时8.5 个月，平均月掘进235m，掘进过程中共进仓更换刀具5 次，比左线刀盘少一次进仓换刀。右线盾构始发和出洞如图5、图6 所示。

图5 右线盾构始发

图6 右线盾构出洞

3 刀盘刀具设计对比

针对左右线两种不同刀盘，从刀盘的结构形式、刀盘开口率、刀具的布置和刀具的磨损、刀盘喷口的布置形式4 个方面对左右线刀盘进行对比分析，同时结合掘进过程中出现的问题进行验证。

3.1 刀盘结构形式

如图7 所示，左线区间盾构刀盘采用六主梁+六副梁复合形式，主轴承传动扭腿分别安装在刀盘“米字”结构主梁上，力矩由主电机传动给主轴承，主轴承通过扭腿传递给刀盘主梁，主梁带动刀盘旋转，这种传力结构对中心圈梁要求较低。采用可拆卸扭腿结构，减少扭腿焊接变形量。刀盘主体材料为Q345B，刀盘外圈大圆环板厚度120mm，刀盘内圆环筋板厚度100mm，轮辐板厚度70mm。通过有限元软件进行刀盘静力学分析，刀盘最大应力点约200MPa，出现在副梁板与内圆环筋焊接处。刀盘背部均布焊接3 根主动搅拌棒。

如图8 所示，右线盾构刀盘采用四主梁+四面板复合形式，刀盘主体材料为Q345B，刀盘外圈大圆环板厚度120mm，刀盘内圆环筋板采用组合焊接形式，轮辐板厚度80mm。扭腿结构采用焊接形式，刀盘法兰与扭腿焊接后去应力处理，再机加工刀盘法兰。通过有限元软件进行刀盘静力学分析，刀盘最大应力点约165MPa，出现在扭腿与内圆环筋焊接处。刀盘背部焊接2 根加强型主动搅拌棒。

图7 左线盾构刀盘背部

图8 右线盾构刀盘背部

通过有限元对比分析，右线盾构刀盘结构最大应力比左线盾构刀盘要小，具有更大更合理结构安全系数。

3.2 刀盘开口率

刀盘开口率对泥水仓压力、刀盘扭矩和盾构出土率等都有明显影响。刀盘开口率越小，开挖面前方的土体越不容易进入泥水仓，在刀盘面板冲刷不充分的情况下，容易在刀盘中心面板位置产生泥饼。

不同的土层条件也会决定刀盘开口率的大小。在泥岩和砂砾地层中过小的开口率会造成刀盘面板处产生泥饼；造成刀盘扭矩急剧上升，甚至出土困难，使盾构不能正常掘进。

如图9 所示，左线区间盾构刀盘整体开口率约为38%；如图10 所示，右线盾构刀盘整体开口率约为43%。在整个掘进过程中，左线盾构开口率较小，有轻微结泥饼现象，但刀盘扭矩未增大；右线盾构未出现结泥饼现象。右线盾构整个掘进区间比左线盾构少进仓更换一次刀具，与右线刀盘的开口率大存在必然的联系。因为右线刀盘较大的开口率可以使渣土更好的进入刀盘内部，减少渣土对刀盘、刀具的二次磨损。

图9 左线刀盘开口率

图10 右线刀盘开口率

左线盾构刀盘由于中心刀具周边无开口，在掘进时出现刀具脱落的问题。左线刀盘中心撕裂刀采用一字型布置形式，中心撕裂刀具周边几乎无出渣口，左线可更换撕裂刀在掘进时，由于泥浆进入不了刀盘面板前部易结成泥饼，在含沙量较大泥岩地层，刀盘转动时泥饼与刀盘面板挤压磋磨，造成焊缝磨损，在圆砾地层，由于撞击导致刀具脱落，脱落后卡在刀盘某部位，刀盘在切削过程中，造成刀体磨损和刀头异常磨损（图11）。

3.3 刀具布置和磨损形式

左右线盾构刀盘刀具布置见表2。

图11 左线刀盘中心开口及脱落刀具

表2 左右线盾构刀盘刀具布置

左线盾构正面贝壳刀与切刀的刀高差为50mm，右线盾构正面贝壳刀与切刀的刀高差为35mm。在此区间掘进，左、右线盾构刀具设计不同的刀具高度差都适应了地质的变化。

区间比较典型的粉砂岩和钙质泥岩，固结成岩状，弱～中透水。在此地质条件下掘进，左右线刀盘正面和边缘均采用滚刀掘进，正面滚刀寿命约为150 环（磨损量20mm）。更换多个知名刀具品牌厂家的滚刀，滚刀寿命没有明显改善。

经与南宁地区其他项目统计对比，南宁地区类似地层滚刀的寿命在400 环左右，此区间刀具寿命明显偏低，在软硬不均地层出现偏磨等异常损坏现象，如图12、图13 所示。后期项目部开仓时在刀盘面板增加3～5 把与滚刀同轨迹的焊接撕裂刀，刀高低于滚刀刀高20mm，中心和正面滚刀偏磨现象有较好的改善，同时正面刀具寿命提高至250 环（磨损量20mm）。

增加与正面滚刀同轨迹的焊接撕裂刀，刀高低于滚刀刀高10～20mm，焊接撕裂刀可以及时将滚刀挤压破碎的岩块清除，对滚刀起到保护作用，减少滚刀的磨损和异常损坏的概率。