成都地铁盾构刀盘刀具的磨损和改进方法
2011-05-15 00:14
成都地铁盾构刀盘刀具的磨损和改进方法
1、概述
成都轨交1号线盾构1标红花堰站－火车北站区间段采用土压平衡盾构机施工。盾构穿越的地层大部分为3～7卵石土(中密)和4～4卵石土(密实)层，该类土层含水量大、渗透性强、卵石强度高。此外，隧道沿线将穿越大量建筑物的基础。
目前，国内尚无在该类复杂地层中掘进隧道的实例和经验。在欧洲和日本的盾构隧道工程中，也很少见到类似成都地铁卵石地层的施工实例。
因此，在2台盾构最初穿越红花堰站－火车北站区间段时，我们着重对盾构刀盘、刀具的适应性技术进行了跟踪分析，尤其对盾构切削刀具的形式和磨损情况进行了分析研究，通过刀具改制及实际掘进应用分析，力图寻找适合在卵石层施工的盾构刀具，摸索出盾构刀具合理的换刀方法，使盾构能顺利穿越河流及建筑物基础。同时，也为盾构进一步顺利穿越火车北站－人民北路站市区线路时积累经验。
2、盾构机刀盘、刀具磨损情况
2．1刀盘
其结构为面板式，有利于维护刀盘正面的土体，开口率为26%左右。在盘体的面板和外圈上堆焊硬质合金，其中心区域几乎为封闭式。
盾构在始发状态时，其刀具均采用原海瑞克刀盘刀具的形式，为盘形滚刀，主要配置情况见表1，其刀具布局形式见图1。
2．2刀具
单把盘形滚刀破岩是以载荷由小到大逐步增加的方式进行，在盘刀逐渐切入的过程中，首先是盘刀对岩石进行压碎挤压，产生粉末状石渣，同时，岩体内部产生裂纹，在到达一定切深后，岩石达到其剪应力强度极限，因剪切与压碎裂纹的相互作用，被切下的岩石以块状及粉末状石渣出现，见图2。
刀具的磨损形式多为平磨。其磨损状况对破岩机理的分析有一定影响。随着刀具的磨损，其压碎破坏要早于剪切破坏，但其切割效率降低，此时，同样的切深将需要更大的推进力，且粉末状石渣的比例提高，掘进效率降低。
盾构始发掘进首先要切削人工挖孔桩，因此，配备的切削刀主要是盘形滚刀。其滚刀配置为:12把周边滚刀、20把正面滚刀、4把中心羊角刀、28把小刮刀和8组扇形刮刀等。共掘进1～63环。
掘进63环后，从现场刀具磨损量测统计结果看，刀具磨损量分布十分离散，总体趋势是滚刀越离开中心，磨损量越大;近中心滚刀偏磨严重;中心羊角刀磨损严重;正面分散滚刀越离开中心，磨损量越小，磨损量大多在10～15 mm，保证切削半径的2把周边刀磨损量尚可。
上述情况说明在成都轨交1号线土质下，滚刀很难形成自转，且容易形成偏磨，因此，滚刀不适合在这种地层中使用。
3、改进方法
3．1滚刀部分更换成羊角刀
在完成盾构穿越切削人工挖孔桩以后，盾构主要在2～3层、3～4层、3～7层的粉细砂、卵石层中掘进。在64～117环施工中，刀盘刀具的主要配置为12把新17”周边滚刀、20把新羊角刀、外部2把更换新的中心羊角刀，8组扇形刮刀和28把小刮刀未更换。
在掘进64～117环后，为了检查刀具的磨损情况，摸索不同刀具配置对地层的适应性，同时为穿越口径1 m的供水管做准备，进行了第1次开仓检查。检查结果是滚刀均匀磨损达10～15 mm;部分滚刀磨损量约为6 mm。若按磨损类型统计，羊角刀的磨损情况较严重。滚刀磨损:安装半径较小的滚刀磨损平均较小，安装半径大的滚刀磨损大，周边滚刀均匀磨损为10～15 mm。
在掘进118～166环后，进行第3次开仓检查以及更换刀具，刀具检查结果:滚刀、周边刮刀、盾构机本体(局部)磨损十分严重。
刀具磨损情况表明:羊角刀由于其合金刃口比较小，因此磨损严重，不适合在成都的地层中使用。
外围滚刀由于未能形成很好的自转而造成严重磨损，因此也不适合在成都的地层中使用。
周边刮刀的磨损直接导致刮刀附近刀盘本体的严重磨损，导致滚刀的刀毂、刀轴以及挡块直接暴露，本体的磨损量超过7 cm。此外，刀盘周边耐磨环的磨损也十分严重。
因此，采取羊角刀替代滚刀的效果并不理想。
3．2滚刀更换成贝壳刀
在隧道左线施工过程中，从90环开始将滚刀更换成贝壳刀后进行施工。施工完第143环后进行刀具检查，其结果是:拆除15号、23号和30号共3把贝壳刀。其中，15号先行贝壳刀的磨损为40 mm(新刀高155 mm，磨损后测量值115 mm);23号先行贝壳刀基本没磨损，但是耐磨合金块有脱落的情况，这表明刃口合金含量高的贝壳刀比较适合在成都沙砾地层中使用。
4、结论
(1)盾构面板式刀盘开口率过低，容易导致粒径较大的砂卵不能通过刀盘。因此，在粒径较大的砂卵地层应适当增加开口率。
(2)盘形滚刀不适合成都砂卵石地层，因滚刀存在严重的偏磨现象，甚至出现了滚刀磨至刀轴、整把刀报废以及刀圈脱落等现象。
(3)羊角刀的强度和刚度不能满足卵石的切削功能，因此，不适合成都砂卵石地层中使用。对于成都特殊的地质情况，应设计加强型羊角刀，或采用形式更为适宜的贝壳刀。
(4)贝壳刀作为砂卵石地层中盾构的主要刀具较为适宜，但应将贝壳刀设计成具有一定宽度、高强度、耐冲击的刀，且整个刀具上的硬质刀片必须能坚固地焊于刀座内。
参考文献:
[1]宋克志，袁大军，王梦恕．大盘形滚刀与岩石相互作用研究综述[J]．铁道工程学报，2005(6)．
