成都地铁富水砂卵石地层盾构刀盘研究
2011-07-27 19:07
成都地铁富水砂卵石地层盾构刀盘配置的研究
【摘 要】通过分析和研究成都地铁１号线盾构施工２标段区间盾构刀盘、刀具在富水砂卵石地层施工中磨损严重的原因，找出刀盘、刀具在设计与配置方面存在的缺陷，经过多次改进后制定出新的可行配置设计方案，并对刀盘整体及附属结构进行修复优化，使其更加适应在富水砂卵石地层中施工。经过２５０ｍ运行后，证明该设计有效优化了刀盘结构的合理配置，充分降低了刀盘、刀具的磨损，能够延长刀盘的使用寿命，减少了更换刀具的施工风险，缩短施工工期，节约施工成本，为城市地铁大直径盾构机长距离掘进提供实用经验，具有一定的综合效益和推广价值。
【关键词】地铁；盾构隧道；富水砂卵石；刀盘刀具
成都地铁１号线盾构施工２标区间处于成都市人民北路和人民中路由北向南，左线全长２３９０．３１６ｍ，右线全长２４０７．７７４ｍ。区间地质为富水砂卵石地层，具有富水、石英含量高、卵石砂卵石比例大、粒径不均、强度差值大等特点。区间范围内上覆第四系土层，下伏白垩系上统灌口组紫红色泥岩，主要穿越第四系全新统冲积层及第四系上更新统冰水沉积、冲积层，其中夹大量砂层及卵、砾石成分，最大粒径达５３０～５５０ｍｍ，圆砾含量约１０％兼夹漂石，漂石最大粒径２７０ｍｍ，由于以上特殊地质状况，施工过程中盾构刀盘、刀具磨损较快且严重。据施工统计，成都地铁１号线全线最初半年内盾构掘进累计完成的１０００多米隧道，大约每１５０ｍ左右就需进行刀具的检查与更换，甚至出现更换刀盘的严重现象。本文结合成都地铁１号线盾构２标的施工实践，考虑盾构刀盘、刀具在特定富水砂卵石地层中的选择对施工的影响，经多次实践与研究，最终实现了符合成都地铁富水砂卵石地层的刀盘、刀具配置设计。
１、刀盘、刀具磨损情况及原因分析
１．１ 刀盘、刀具磨损情况
鉴于成都地铁特殊的富水砂卵石地层，最初刀盘采用辐条－面板式结构，配有６个主辐臂和６个副辐条臂，开口率约３５％，刀盘由４０把滚刀、５６把刮刀、１６把先行刀、６对周边大铲刀、６对焊接式小铲刀和２把仿形刀组成，刮刀高出面板２００ｍｍ，先行刀高出面板２５０ｍｍ，先行量为５０ｍｍ，刀盘结构见图１。上述刀盘配置设计［１］面对特殊的富水砂卵石地层会发生两个问题：一是出现结泥饼现象；二是刀盘、刀具发生严重磨损。刀盘磨损主要发生外周和中心部位，尤其以大直径滚刀磨损最为严重，如图２所示。
１．２ 磨损原因分析
盾构进入富水砂卵石地层约１４０ｍ时，掘进速度、刀盘转矩、推力等均发生异常变化，根据经验判断为刀盘、刀具发生严重磨损［２］，故停机检查，并从以下几个角度进行刀盘、刀具磨损原因分析：
（１）从中心滚刀磨损情况分析。２－４号和６－８号双刃滚刀使中心区域的开口率减少，增加了单位时间摩擦率与摩擦作用面；中心区域发生结泥饼现象，使中心刀具失去机动性；掘进过程中曾向土仓内添加黄泥粉，增加了渣土黏度，降低了渣土流塑性，导致中心滚刀磨损量较大。
（２）从刀盘背板磨损情况分析。满仓掘进过程中，由于地层含砂量大以及土仓保压设定参数值偏高，使土仓内渣土与刀盘及滚刀相互作用时间过长、作用力过大，导致刀盘背板磨损严重，平均磨损量为４０ｍｍ。
（３）从滚刀刀毂损坏情况分析。由于卵石与砾砂在滚刀与刀箱之间的开口中挤压进入土仓，在挤压的过程中卵石、砾砂与刀毂发生强烈碰撞，造成刀毂磨损严重，同时刀具设计上刀毂自保功能不足。
（４）从结泥饼现象分析。由于土仓内中心部分强大的推进力、离心力较小、开口率较小［３，４］、渣土无流塑性和刀具需求起动力矩过大，造成刀具无法转动，再加之高温高压状态而出现结泥饼现象。
（５）从偏磨现象分析。起初刀盘设计采用全断面滚刀，当滚刀接触到较硬的卵石或漂石时，由于刀具本身起动力矩过大，加之开口率较小，造成刀具无法转动；卵石或漂石在没有完全切碎之前不能与添加剂形成流塑状态被挤走，而是在刀盘的中心区域反复与滚刀研磨；富水砂卵石地层无法提供使滚刀转动的摩擦力，滚刀停滞使刀具发生单边磨损即严重偏磨，而在此基础上逐渐形成多边偏磨。
２、刀盘、刀具配置设计及改进
（１）刀盘布置总体原则：刀盘中心采用羊角刀和正面齿刀相结合；刀盘边滚刀采用双刃滚刀；面板部分采用空轴异型刀和滚刀相结合；刀盘背板加焊耐磨钢板与耐磨网。改进后采用的部分刀具如图３所示。
（２）中心部分应用羊角刀和正面齿刀，增加开口率，改变中心动态性。
（３）采用硬度更高、耐磨性更好的齿型刀，使盾构能够在砂、砂砾地层连续长距离掘进，确保盾构的施工效果。
（４）先行刀全部采用专用于切削砂砾的贝壳型先行刀，增加外周贝壳型先行刀数量，并适当提高贝壳型先行刀的先行量，以更好地适应砂砾层掘进。
（５）采用堆焊硬质合金技术，刀盘的外部轮缘设计了３道高和宽都为６０ｍｍ的耐磨合金环；刀盘开口部位的渣土通道上堆焊耐磨层；进出料口及易磨损的刀座处堆焊耐磨层，在刀盘背板上加焊耐磨钢板堆焊耐磨焊丝，重新设定保压参数，从而增强了刀盘、刀具的强度和硬度，提高其耐磨性。
（６）用双刃滚刀替换大径边缘单刃滚刀以减少刀毂裸漏面积，增加滚刀刀毂自保功能。
（７）掘进时减少使用黄泥粉，适当加注泡沫或在停机时加水浸泡，从而疏化中心部位渣土。
（８）掘进参数的设计如表２所示。
３、改进设计的成果
设计改进后的刀盘、刀具在成都地铁１号线盾构２标区间隧道施工中，连续掘进２５０ｍ刀盘磨损正常，且掘进效果良好，达到了设计改进目的，磨损情况见表３。刀具更换后实测的磨损数据说明刀盘、刀具的改进设计较成功。中心羊角刀的应用一方面增加了中心区域的开口率，同时提高了中心动态化性能，并且没有发现结泥饼现象，羊角刀的磨损也在正常范围之内；齿型刀最大磨损量１３ｍｍ，与改进前计算的数值相差不多，属于正常设计范围之内，达到２０ｍｍ磨损量的刀具非常少，仅占刀具总数的２％左右；先行刀由于耐磨性好，最大磨损量仅有１５ｍｍ，说明很好地起到了先行切削的作用；外周先行刀同样只发生了合理性的磨损，磨损量相对较小，从而起到了“保径”的作用；由于使用了多刃刀，与之前的刀毂损坏程度相比，明显有了很大改善，几乎没有发现刀毂达到不可修复的损坏程度；刀盘面及外周的磨损程度与之前未堆焊硬质合金时的情况相比，得到了很大改善。改进设计的刀具在掘进２５０ｍ后的磨损情况见表３和图４。
经过了长期的研究与实践，在盾构刀盘、刀具配置设计方面得出了如下结论：
（１）从掘进参数方面，盾构提供的推力和刀盘装置的驱动力应不超过刀具所能承受的极限力，同时设定适当的初始转动力矩。故成都地铁施工在保证地表不沉降的前提下，选择大的贯入度、适中的推力、中等驱动转矩。
（２）从刀具结构方面，要求刀具具有良好的机械性能、抗压强度及耐磨性，保证刀具的刀体、刀毂、轴承、轴等主要部件寿命基本匹配。
（３）从刀盘结构方面，结构上增设中心主轴搅拌棒改善中心动态化；大直径边缘化刀具及边缘结构需要耐磨加强型；依据实际地质地况的特性选择合适的开口率。
（４）从外部添加剂方面，添加剂的适量应用可保证良好的流塑性，促使中心呈流塑态。
（５）从刀具机理方面，对刀盘、刀具配置以及整盘刀具切岩机理进行分析，要充分考虑多样化刀具轨道协调配置，从而形成有效的切岩机理，多样化刀具组合可增强整盘刀具的适应性。尤其针对复合地层，需要广泛应用异型刀（齿刀、刮刀、羊角刀）多样化破岩功能。
４、综合效益及推广应用前景
通过对成都地铁富水砂卵石地层盾构刀盘配置设计的研究，在经济效益方面，仅用２０余万元的维修改造费用，就将盾构刀盘刀具修复更新，节省了购置新刀具所需的近百万元费用；在社会效益方面，最大化地实现了工程的进度，保质保量完成了既定目标任务；在技术方面，促进了盾构制造、施工技术的发展，使地铁盾构在有效更换刀具的情况下长距离施工得以实现。地铁盾构刀盘、刀具的设计研究，是盾构研制、施工的重要组成部分，本文对盾构施工过程中刀具配置的研究，对于今后在类似岩土地层进行盾构施工中的刀具更换以及刀盘选型具有实用的参考意义，也为今后盾构的国产化积累了经验，具有一定的推广和应用价值。
［参考文献］
［１］宋克志．无水砂卵石地层盾构推力及刀盘转矩的计算［Ｊ］．建筑机械，２００４．
［２］ＦＡＲＭＥＲ Ｉ Ｗ，ＧＡＲＲＩＴＹ Ｐ，ＧＬＯＳＳＯＰ Ｎ Ｈ．Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｆｕｌｌ ｆａｃｅ ｔｕｎｎｅｌ ｂｏｒｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｓ
［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｒａｐｉｄ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｎｅｗ Ｏｒｌｅａｎｓ，ＬＳ，１９８７．
［３］宋克志，潘爱国．盾构切削刀具的工作原理分析［Ｊ］．建筑机械，２００７．
［４］Ｍａｉｒ Ｒｏｂｅｒｔ，Ｍｅｒｒｉｔｔ Ａｎｄｒｅｗ．Ｓｏｉｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｆｏｒ ｃｌａｙ ｓｏｉｌｓ［Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌｓ ａｎｄ Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００３．
