砂卵石地层盾构机刀盘磨耗分析及措施
摘 要：减小盾构机刀具磨损是保证盾构机能够长距离掘进的重要措施，对于砂卵石地层该项工作尤其受到重视。本文以北京地铁10号线石榴庄路到大红门区间盾构隧道施工为背景，依据刀盘的实际磨损情况，对盾构刀盘在砂卵石地层施工时导致刀具、刀盘磨损的因素进行了分析，给出了提高盾构刀盘耐用性的工程措施，为城市地铁盾构机长距
离掘进施工提供了经验。
关键词：土压平衡盾构机 刀盘磨损 刀盘寿命 耐用性
随着盾构法在国内地铁施工中的广泛使用，刀具磨损已经成为一个影响盾构隧道施工质量和进度的关键问题[1,2]。刀盘作为盾构机的一个关键部件，在地下掘进过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等，开挖过程中受力十分复杂，工作环境恶劣，特别是在砂卵石地层，盾构刀具往往磨损严重，容易破损、脱落，经常导致工程事故的发生，给整个工程的工期、造价带来严重的影响，甚至威胁人的生命。因此，研究如何减小盾构刀盘的磨损，探究引起磨损的各项因素对延长盾构机掘进距离，提高盾构机的工作效率具有重要意义。
1 工程概况
北京地铁 10 号线二期工程石榴庄路到大红门区间隧道呈东向西布置，其左线区间起讫里程为K32+214.251~K33+293.13，隧道全长 1 075.865 m，覆土厚度 6.5～23.8 m。区间隧道穿过地层主要为：卵石、圆砾③层、粉质粘土、重粉质粘土③1 层、细中砂③ 2 层、卵石④层和粘质粉土、粉质粘土④1 层、细中砂④ 2 层。盾构隧道截面下半部以卵石、圆砾为主，粒径大约为5 ～ 26.7 mm。
根据探测结果，施工区域的水文条件可分三层：第一层水位埋深 6.19～12.30 m，水位标高 22.52～26.70 m，为潜水 ；第二层水位埋深 6.00 ～ 22.10 m，水位标高 12.10～13.51 m，为潜水 ；第三层水位埋深24.00 ～ 32.70 m，水位标高 4.98 ～10.21 m，为略具承压性的潜水。第三层水埋深较深，对工程基本没有影响，工程主要受前两层潜水的影响。隧道开挖采用日本小松公司制造的土压平衡式盾构机施工。
2011 年 5 月，盾构机从大红门站顺利出洞，盾构机到达后，通过对盾构机的清理与检查，发现盾构机刀盘磨损严重，需要进行修复后才能实施下一区间隧道的施工要求。
2 刀盘形式及磨损情况
2.1 刀盘形式刀具布置
刀盘的形式和刀具的布置既要考虑工程地质条件，使之不影响盾构切削效果、出土状况和掘进速度，又要考虑刀具的耐用性以满足区间隧道的掘进要求[3]。鉴于石榴庄路到大红门区间隧道工程地质实际情况以及本公司设备情况，本工程盾构机采用了如图1 所示的辐板式刀盘。辐板式刀盘兼有面板式和辐条式刀盘特点，由较宽的辐条和小块幅板组成，刀具分别布置在宽辐条的两侧和内部。使用辐板式刀盘不仅土压平衡容易控制，土砂流动顺畅，不易堵塞刀盘开口，而且较大的面板有利于布置较多的刀具，同时由于辐条式刀盘开口率相对较小，有利于保护本工程中容易坍塌的砂卵石、砂性土围岩的稳定。本工程中盾构机刀盘标称直径 6 250mm，开挖直径 6280 mm，刀盘面板厚 475 mm，刀盘辐条为 6 条，刀盘开口率为 35％，刀盘上设置仿形刀 2把，可超挖 150 mm，正面切削刀 80 把，高出刀盘面板 80 mm，边缘单刃刮刀 12 把，边缘双刃刮刀 4 把，先行刀 56 把，高出刀盘面板 120 mm。
2.2 刀具、刀盘磨损情况
盾构机到达大红门站后，对盾构机刀盘进行了清理、检查，发现盾构机刀盘外周磨损非常严重，尤其以刀盘与盾壳的间隙位置磨损最为严重。从整体上看，刀盘及刀具呈现出外周及边缘侧板磨损大，中心及圆周中部磨损小的特点，其损坏情况具体表现在以下几个方面。
（1）刀盘辐板外圈上的 4 把周边刮刀及其安装基座损坏，8 把切刀损坏（如图 2 所示）；
（2）刀盘辐板上有 5 把先行刀损坏，3 把先行刀安装基座损坏，并且磨损严重 ；
（3）刀盘外周在堆焊硬质合金的情况下磨损量最大达 25 mm，最小也有 10 mm ；
（4）刀盘面板磨损 5～20 mm，部分地方有明显凹陷。
3 刀具、刀盘磨损因素分析
在盾构机推力作用下，刀具对开挖面土体会产生一定的压力，随着刀盘的转动，刀盘与刀盘前方土砂之间会有摩擦，从而产生了磨损[4]。刀具的磨损与地质条件( 砾石粒径、密度 )、刀具材质及其在刀盘上的安装位置、盾构机刀具受刀片的材质、硬度、刀片上作用的推力、刀具切入深度、速度、时间等有关，并且随着刀具掘削里程的增加而增大。布置在刀盘周边的刀具由于线速度大，切削路线长，因而磨损快、易折断、寿命短，当周边刮刀及外周刀具被磨损破坏后，就会使得刀盘外周边及边缘侧板受到磨损。另外在开挖过程中，盾构刀盘刀具受力复杂，工作环境恶劣，其磨损程度与盾构刀具所穿越的地层密切相关。淤泥质粘土、粉质粘土、粘质粉土等地层对刀具的磨损很小，而砂土、砂卵石地层对盾构刀具的磨损十分严重，甚至会使盾构刀具折断。由于本隧道区间盾构穿越地层主要为砂卵石地层，其中夹杂有大粒径块石、卵石，因此对刀盘和刀具的磨损都很大。
4 提高刀盘耐用性的对策
4.1 合理选择刀盘形式
不同的刀具，其切削机理不同，盾构刀盘结构形式与工程地质情况有着密切的关系，刀盘类型选择是否合理关系到盾构的掘进效果。因此，盾构机应根据不同地质及水文地质情况采用不同的刀盘型式，配备不同类型的刀具并进行合理地组合。软土地层只需要切削型刀具 ；软岩地层除配置切削型刀具还需要配置双刃滚刀或齿刀 ；硬岩地层除配置切削型刀具还需要配置单刃滚刀或齿刀。在配置刀具时可考虑增加刀具的数量，即增加刀具（特别是先行刀）的行数或增加每一行的刀具数量，或是采用长短刀具并用法切削土体，利用长短刀具不同的切削高度差（高差值约为 20～30 mm），来延长刀具使用寿命。当长刀具磨损后，短刀具开始接替长刀具掘削，这样就大大提高了刀具整体抗磨损能力。对于北京这种砂卵石地层，可考虑配置切削型刀具、双刃滚刀，也可适当增加刀具的数量。
4.2 改善刀盘的耐磨性
刀盘在砂、卵石地层中极易磨损，特别是辐条式刀盘外周环的前面、外周表面和后面最易磨损，因此提高刀盘耐磨性也是提高刀盘耐用性的关键。刀盘耐磨性的提高一般是采用在刀盘面板堆焊格栅状特殊耐磨材料的工艺措施，在刀盘面板外周、刀盘边缘侧板等处焊接格栅状耐磨条（堆焊效果如图 3 所示），增加加强钢板，增强刀盘外周及相关部位的强度和硬度，提高其耐磨性 ；另外刀具的刀刃上应使用硬度大、抗剪性好的超硬钢材，特别是在切削砂卵石地层时，可沿刀具表面实施硬化堆焊，提高刀具自身的耐磨性。
4.3 对开挖土体进行改良
刀盘在一定转速和压力条件下进行地下挖掘，刀具要承受非常高的工作压力和温度，恶劣的工作条件会降低刀具的使用寿命[5]。选择合适的土体改良剂（如常用的泡沫、膨润土等），并根据地质情况，进行科学的动态施工管理，改善土体的流塑性，使之切屑成流动型，不仅可以减少对刀盘面板和刀具的磨损，而且还可以防止切下来的泥沙和碎石对刀盘以及螺旋输送机的堵塞，同时改良剂的添加对刀具起到一定的润滑和冷却作用[6-8]，延长了刀具使用寿命。图 4 给出了土体经过泡沫的改良后，对盾构的总推力以及刀盘扭矩的改善效果，实践证明，渣土经过泡沫的改良后，大大降低了刀盘在砂卵石地层中的磨损。
4.4 合理选择掘进参数
盾构机掘进时，掘进参数的正确选择对延长刀盘及刀具的寿命是非常重要的，掘进参数选择不合理会导致刀具过早的损坏，不能达到隧道掘进长度的要求。根据大量的统计资料，可采用下列公式计算盾构机刀盘外圈刀具磨损量[9，10]：
δ=1/10×K×π×D×N×L/V
式中 ：δ—磨损量 /mm ；
K—磨耗系数 /(mm/km) ；
D—盾构刀盘外径 /m ；
N—刀盘的转动速度 /(r/min) ；
L—掘进距离 /m ；
V—掘进速度 /(cm/min)。
从刀具磨损量公式中可以看出，刀具磨损量 δ 与刀盘转数 N 成正比、与掘进速度 V 成反比。因此降低盾构刀盘转数 N 或提高盾构机掘进速度 V 都可减小刀具磨损量 δ，从而增加掘进长度使其满足隧道掘进要求。在 N 一定时，可采取提高 V 的方法减小 δ，而盾构的掘进速度取决于开挖土体的塑流化改良效果，所以为提高掘进速度，可适当增加改良剂用量对开挖土体进行改良。图 5 给出了刀盘转速与总推力及刀盘扭矩的关系。从图中可以看出，在盾构掘进施工阶段，盾构机的掘进参数的合理选择对延长刀盘刀具的使用寿命具有重要作用。对于北京砂卵石地层，刀盘转速取 1.1～1.2 rpm 对盾构机的正常掘进及刀盘保护较为合适。
4.5 交替使用刀盘正反转
盾构机在掘进时应适时交替使用刀盘正、反转，并尽可能使正、反方向切削刀的切削长度相同。盾构机刀盘经常在一个方向长时间转动不仅会产生偏磨现象，而且会导致参与切削的刀具磨损到一定程度后，用于相反方向的刀具与开挖面的摩擦加剧，而导致剧烈磨损。因此通过刀盘顺时针和逆时针方向的切换，使对称布置的主切削刀具均匀使用，可避免边缘刀具磨损量相差过大，从而达到延长主切削刀具使用寿命的目的。
5 结 语
盾构机掘进过程中，盾构机刀盘的磨损不可避免，但由于盾构刀盘是盾构机掘进的重要设备，因此必须采取各种措施减小其在掘进过程中的磨损。因此在盾构隧道施工时，盾构机应根据不同地质及水文地质情况采用不同的刀盘型式，选用不同类型的刀具及刀具组合，在盾构掘进前改善盾构刀盘的耐磨性，在掘进过程中通过对土体进行改良，采用合理的掘进参数并根据地质变化及时调整掘进参数，交替使用刀盘正反转可以避免刀盘磨损过大，提高刀盘刀具的耐用时间，延长刀盘刀具的使用寿命，达到土压平衡盾构在砂砾地层中长距离掘进的目的。
参考文献
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