复合地层隧道掘进施工的盾构刀具磨损控制技术

2024-06-10吴沫桥

工程机械与维修 2024年3期

吴沫桥

摘要：简述目前有关盾构刀具磨损的研究情况，分析盾构刀具切削和磨损机理，基于稳定掘进面土体、采用双液浆加固土体、适时改良渣土性能、合规操纵盾构机施工、合理控制掘进参数和提高刀具耐磨性能等措施，阐述盾构刀具磨损控制技术，通过地铁盾构工程实例验证了该技术的有效性。

关键词：复合地层；盾构施工；刀具磨损；控制技术

0 引言

在地铁和公路隧道工程施工中，盾构技术已成为一种成熟且广泛应用的隧道施工方法[1]。在盾构施工中，难免会遇到复合地层。例如盾构段下部是高硬度岩石层，而其上部则覆盖了粉质沙层。在这种工况下进行盾构施工，隧道的设计轴线容易发生偏移，造成盾构掘进不稳定，导致盾构土体发生沉降。

在复合地层进行盾构施工，还会加剧盾构机刀具的磨损，为此需要深入研究在复合地层进行盾构施工刀具磨损的控制问题。

1 盾构刀具磨损研究情况

目前国内对盾构机施工中刀具磨损问题的研究仍然不多。樊翔翔等[2]基于小波时频来监测刀具磨损情况，并对刀具磨损参数与掘进距离之间的关系进行统计分析，同时以某隧道为例，研究了减少各种仪器使用的方法。

孙鹏飞等[3]收集了不同地质情况下的刀具组合方案，探索了挖掘隧道过程中的各种参数和系数，提出了在砂和石地层隧道中更换刀具的原则。刘浩等[4]利用PFC三维离散元软件，对切割头结构的优化和地压平衡仪的应力与涂层进行了研究，提出了一种基于离散单元法的土压力控制方法，并在富砂地层和砂石地层中进行了隧道掘的质量和定量分析。EDEM（离散元素法建模）软件也被用于研究隧道防护设备在不同类型断面和土壤覆盖下的使用特性。

总体来看，上述研究对盾构机刀具磨损的适用性仍显不足。基于此，本文结合佛山市城市轨道交通3号线太平站至兴业路站隧道盾构工程施工实际，详细论述了复合地层隧道掘进施工的盾构刀具磨损控制技术。

2 盾构刀具切削和磨损机理

2.1 盾构刀具切削机理

盾构机在隧道掘进过程中，其刀盘上安装的盾构刀具至关重要。盾构刀具主要分为滚压刀具和切割刀具两种，这些刀具主要用于破碎和切割刀盘前方的岩土，特别适用于破碎和切割固体岩石。

在盾构机操作人员操作下，通过盾体推进和刀盘滚动，滚压刀具上的滚轮将石块压缩成盘状，从而有效消除刀盘前面遇到的坚硬岩石[5]。

当施加在石头上的力超过其强度时，石头会在中心圆形区域形成断裂，并随着刀具的继续切割而被剥离。在切割刀具刃脚的切削作用下，切削层的土体沿刀刃方向产生分离。

2.2 盾构刀具磨损机理

在选择盾构施工刀具时，主要依据是所面对的土体类型。在切割软土和粘土层时，通常选用滚动切割刀具；在切割坚硬岩石层时，则选用滚刀；在切割砂层时，则配备大型滚刀。刀具的磨损机理可分为粘着、磨料、疲劳、化学和微动磨损等5类，如表1所示。

3 盾构刀具磨损控制技术

3.1 稳定掘进面土体

通过稳定掘进面土体，可有效解决盾构施工中刀具磨损问题。可采用气压法增加盾构掘进面的气压，以稳定被切削的土体。也可采用土体加固法改善被切削土体的松散状况。

相关研究表明，复合地层上部土体的稳定性较差。当盾构掘进面与地面之间存在泄压通道时，可通过额外大气压方法稳定盾构机刀盘前方土体。为了应对刀具磨损的不可预测性，在盾构刀具处安装隔离板，可有效隔离或减少盾构刀具与掘进面泥土的直接摩擦。为了确保盾构施工顺利进行且不影响盾构隧道的稳定性，应选用适当的填充处理材料[6]。

3.2 采用双液浆加固土体

以水泥和水玻璃为主、添加水，必要时添加附加剂，按照一定配合比制成的双液浆，在隧道盾构掘进施工过程中，可用于加固隧道上方的土体。采用双液浆加固隧道上方土体，可有效控制双液浆在土体中的化学胶凝与物理胶凝时间，有效控制盾构机掘进过程中的地面沉降，大幅度提高隧道的稳定性和防水性能，显著提高隧道上方土体的稳定性和强度。

同时可在不超过盾构施工对土体的允许值前提下，有效减少土体对盾构机及其刀盘的压力和摩擦力，利于刀具对土体的切削，减少土体对刀具的磨损。双液浆加固区纵剖面如图1所示。

3.3 及时入舱清理和维修

进入土舱之前，首先打开舱门检查舱内的空气质量，确保不存在有害气体、空气质量安全后，施工、技术人员方可进入土舱。施工人员进入土舱后，清理土舱内的石块，特别要清理输送带入口处的石块。

技术人员要检查刀盘、刀具的完好状态，记录刀具磨损情况、损坏数量等信息，确定需要更换的刀具型号和数量并进行刀具更换。更换刀具时，注意刀具磨损的平衡性，不要一次性更换多个刀具，以避免不必要的浪费。

在开舱在检查过程中，技术人员若发现监测仪器参数不符合规定值，应对仪器进行必要的检查和调整，以确保其所有参数符合设计要求，从而确保盾构机的正常掘进施工。

3.4 适时改良渣土性能

在盾构机掘进复合地层之前，操作人员应采取措施，选用种类合适、注入方式合理、注入量充足的添加剂，改良渣土的性能，增强渣土的流动性。

例如可将适量的泡沫剂等切削液添加到渣土中，以便在硬岩地段掘进时减少刀具摩擦阻力，在软岩地段掘进时防止或减少刀盘因渣土高温导致其结出泥饼、刀具被堵塞問题。

3.5 合规操纵盾构机施工

为确保复合地层隧道掘进施工的有效进行，操作人员必须严格遵守设计要求，精确控制盾构机施工进程，确保盾构机平稳掘进、缓慢切削。将盾构机掘进速度控制在3～10mm/min的范围之内，以保持切削岩土的稳定性和准确性。在施工过程中密切关注刀盘运行参数，一旦发现异常应及时调整或停机检查，确保所有参数符合规定值。

3.6 合理控制掘进参数

为了优化盾构机施工效果和减少刀具磨损，需要合理控制掘进参数。这些掘进参数包括盾构机推力、推进速度、刀盘转速、刀盘扭矩等。

根据实践经验，盾构刀盘的转速应保持在1r/min，该转速不仅可有效降低刀具的应力，延长其使用寿命，还可以优化单次切削深度，提高掘进效率。

3.7 提高刀具耐磨性能

在复合地层盾构施工时，为了增强盾构刀具在不同地质条件下的耐磨性，可应用新型刀具替代传统刀具。例如选用新型高硬度高耐磨性涂层刀具，可有效减少刀具的磨粒磨损，延长刀具使用寿命。

4 基于实际工程的实验论证

为验证本文所述复合地层隧道掘进施工的盾构机刀具磨损控制技术的有效性，设置传统方法1和传统方法2作为对照组，进行对比实验。

4.1 工程概况

本实验以佛山市城市轨道交通3号线太平站至兴业路站区间隧道盾构工程施工为研究对象。该区间沿线构筑物种类繁多，包括霍灿厂区桥梁工程、兴业路箱涵桥工程、东南一号泵站、塘头科技园、长风皮长桥、豪皮厂桥和科技大道箱涵等多个工程项目。

在掘进过程中，盾构机需穿越全风化红层碎屑岩、强风化泥岩、强风化泥质粉细砂岩、强风化中粗砂岩、中风化泥岩、中风化粉细砂岩、中风化中粗砂岩、微风化粉砂岩等。在这些地层中，泥质粉砂岩和中粗砂岩地层的磨损系数较高，对盾构刀具的耐磨性提出了更高要求。

4.2 对比实验

为了验证本文提出的复合地层隧道掘进施工的盾构刀具磨损控制技术的有效性，进行了三种方法的对比实验。