超大直径泥水盾构粉质黏土层中刀具磨损系数研究

胡锦华

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司 北京 101100)

1 引言

盾构施工技术由于其环保、高效、安全的特点且对不同地层适应性强已成为目前国内最为常用的隧道施工方法[1－3]。

刀盘作为盾构机的“牙齿”是盾构掘进的关键，当刀具磨损严重时会出现盾构掘进参数异常现象，引起刀盘位置处的地面沉陷[4]，同时可能引起盾构推力持续增大，掘进困难的现象[5]，因此有必要对刀具的磨损规律进行研究，做到提前预判并采取措施。但由于在不同地质层中，刀具的配置也相对不同，而且掘进过程中刀具的磨损情况无法直观体现，导致对刀具磨损量无法预判。目前，对于刀具的磨损规律还有待进一步的研究，刀具磨损的跟踪检测水平也还存在一定局限[6]，因此刀具磨损也成为制约盾构掘进的因素之一。在以往的研究中，如王振飞等[7]主要对富水砂卵石地层中大直径盾构刀具磨损进行了分析研究，陈鹏[8]主要对南京长江隧道泥水盾构刀具磨损进行了分析，刘高峰等[9]主要对成都地铁盾构刀具磨损进行了研究分析，车凯等[10]对北京卵漂石地层盾构机刀具磨损进行了研究，而对郑州这种粉质黏土的单一地层中刀具磨损研究较为少见，因为大部分郑州地铁盾构区间较短，盾构刀盘半径较小，一般情况下粉质黏土地层中刀具磨损量较小，磨损系数确定难度较大。本文以位于郑州的豫机城际铁路一标为依托，对超大直径泥水盾构粉质黏土层中刀具磨损系数进行分析研究。

2 工程特点

豫机城际铁路一标工程盾构隧道里程为DK41＋750～DK45＋550，全长3 800 m，采用刀盘直径为12.81 m的超大直径泥水盾构掘进。采用通用环装配式钢筋混凝土管片拼装，错缝拼装，管片内径为11.3 m，外径为12.4 m，管片厚度为550 mm，每环楔形量为40 mm。

盾构区间主要穿越地层(见表1)为粉质黏土(占85%)，局部成岩或半成岩状，含大量铁锰氧化物及钙质结核，天然含水量在12.5%～30.5%之间，孔隙比0.507～0.895，液限22.7%～33.9%，0.1～0.2 MPa压缩系数0.05～0.29，0.1～0.2 MPa压缩模量4.9～16.4 MPa。盾构机穿越地层单一，所以对本刀盘刀具配置、刀具磨损的分析研究提供了较大的便利。盾构隧道纵断面图如图1所示，盾构隧道纵断面效果图如图2所示。

表1 盾构隧道地质情况统计

图1 盾构隧道纵断面图

图2 盾构隧道纵断面效果图

在本标段的三次开仓换刀过程中，第一次换刀对边缘滚刀、部分轴式齿刀进行了磨损量测和更换，由于边缘滚刀在本标段所穿越的地层中偏磨严重，经过分析认为边缘滚刀在该地层中启动扭矩达不到造成偏磨，所以在第一次开仓时将边缘滚刀更换为轴式齿刀(注:本盾构机刀盘刀箱内滚刀与轴式齿刀可以互换)。

3 盾构机刀盘刀具配置

盾构机刀盘配置有边缘滚刀、轴式齿刀、边缘刮刀、正面刮刀、外周贝壳刀、超挖滚刀及中心鱼尾刀，具体配置见图3及表2。本文仅对刀具配置中的边缘滚刀和轴式齿刀进行了分析和研究。

图3 盾构机刀盘刀具

表2 盾构机刀盘刀具配置

4 开仓刀具磨损情况统计及磨损系数分析

4.1 开仓刀具磨损情况统计

2017年6月28日至2017年7月6日，盾构机进行第一次开仓。开仓位置为347环(环宽2 m)，开仓期间进行了刀盘泥饼冲、刀具磨损量测及更换洗等工作，本文中以半径递减方式抽取了部分刀具作为研究对象进行分析。

边缘滚刀偏磨情况严重，偏磨最大磨损量达到55 mm，按照轨迹线划分，半径越小的刀具磨损量越小，基本上半径减小磨损量呈下滑线状分布。

第一次开仓刀具量测按半径递减划分磨损情况见表3、图4、图5。

图4 第一次开仓刀具磨损情况

图5 第一次开仓刀具磨损情况统计折线图

表3 第一次开仓刀具磨损

经过第一次开仓基本刀具半径在3 940 mm以上的刀具已更换完成，其中边缘滚刀更换17把，轴式齿刀更换24把。磨损量均在29 mm以上。

2017年11月5日至2017年11月13日，盾构机进行第二次带压开仓。开仓位置在725环，距第一次开仓相隔378环(环宽2 m)。第二次开仓刀具量测及换刀情况见表4、图6、图7。

图6 第二次开仓刀具磨损情况统计折线图

图7 第二次开仓刀具磨损情况

表4 第二次开仓刀具磨损

在第二次换刀中，抽取研究的刀具中S28R与S18R为首次更换，所以其轨迹线行程比其他刀具要多，所以磨损量统计中出现了折线凸起。

4.2 刀具磨损情况分析

通过上述开仓后刀具磨损情况图表统计可看出刀具磨损量与其所在刀盘半径位置有很大的关系，随着半径的增大，其磨损量也在增大，所以可分析出磨损量与其轨迹线长短存在着正比关系，故可以此为变量，设定一个固定磨损系数“k”，且根据相关研究[11]表明刀具的磨损与刀具所处位置的轨迹线行程和刀具所在地层中所受的压力有关，可得出:

式中，δ为磨损量；k为磨损系数；L为刀具轨迹线行程。

根据刀具在刀盘所在位置的半径其轨迹线行程L应为刀具所在位置周长×刀盘总转数，即:

式中，Z为该刀具在更换前的总转数；D为刀具所在位置直径。

刀具的总转数与盾构机掘进贯入度、速度、转速等施工参数影响，根据相关研究[12]可知:

式中，S为盾构机掘进长度；v为掘进过程中平均速度；r为刀盘转速。

由式(1)、(2)、(3)可得出:

目前已知量有磨损量δ、掘进长度S、掘进平均速度v、刀盘转速r。由于刀具所经历的掘进时间、速度、转速等参数均为相等数值，故分析磨损量与轨迹线长度有很大的关系，由刀具材质、刀具所在地层中所受的压力等因素可以分析到磨损系数中去。

第一次开仓掘进距离为694 m，掘进平均速度为25 mm/min，刀盘转速为1.4～1.5 r/min。在第一次开仓中所量测的刀具进行数值代入计算式(4)得表5。

表5 第一次开仓刀具磨损系数计算

第二次开仓掘进距离为756 m，其中S28R和S12R是第一次更换，刀具掘进距离是1 450 m，掘进平均速度为28 mm/min，刀盘转速为1.4～1.5 r/min。在第二次开仓中所量测的刀具进行数值代入计算式(4)得表6。

表6 第二次开仓刀具磨损系数计算

从前两次开仓刀具磨损情况及代入计算式分析情况来看，在不同轨迹线行程、不同刀具形式的情况下，其在地层中所受的工况相同，材质相同，其磨损量与其轨迹线行程呈正比关系，而磨损系数正是一种将刀具材质、在地层中所受工况相同的情况综合考虑后得出的固定系数。从上述表中可看出，不同轨迹行程的刀具磨损系数k非常接近，约为0.03。

4.3 磨损系数计算量与现场实际量测结果对比

2018年2月25日至2018年3月4日，盾构机进行第三次带压开仓，开仓位置在1 091环，与第二次开仓相隔367环。本次开仓抽取刀具实际磨损量见表7、图8。

图8 第三次开仓刀具磨损情况统计折线图

表7 第三次开仓刀具实际磨损量统计

表7中刀具S12R为首次更换，其他刀具为第三次更换，第三次开仓掘进距离为732 m，S12R刀具掘进距离为2 182 m，掘进平均速度为25 mm/min，刀盘转速1.4～1.5 r/min。根据前两次开仓分析磨损系数k约为0.03，将数值代入计算式(4)得出计算磨损量结果见表8。

表8 第三次开仓刀具计算磨损量

实际磨损量与计算磨损量结果对比见表9。

表9 计算磨损量与实际磨损量对比

通过前两次开仓后磨损量的研究分析得出的磨损系数与第三次开仓刀具的轨迹行程计算出的磨损量与实际磨损量相比较差别并不大，验证了该磨损系数在该地层中的合理性，证明了这种材质的刀具在这种单一地层中其轨迹线行程对磨损量起着决定性作用。

5 结论

(1)对前两次开仓后刀具磨损量进行统计分析得出在郑州这种粉质黏土地层中刀具的磨损量与该刀具的轨迹线行程呈正比关系。

(2)对刀具磨损量与轨迹线行程建立函数关系并进行模拟计算得出在该地层中刀具的磨损系数k≈0.03。

(3)第三次开仓后经过模拟计算得出的计算磨损量与实际磨损量进行结果对比，验证了磨损系数k≈0.03在该地层中的合理性。证明了这种材质的刀具在这种单一地层中其轨迹线行程对磨损量起着决定性作用。

(4)本文只考虑了在这种单一地层中的刀具磨损，还有地层多变的情况并未考虑，且刀盘结泥饼的因素也并未进行考虑，在后续施工中该磨损系数只能作为理论参考，后期还会根据不同工况进行更深入的研究。