大直径盾构复合地层常压刀盘刀具配置优化及管理技术探讨

2022-04-13杨明先

广东土木与建筑 2022年3期

宋冲，杨明先

（广州轨道交通建设监理有限公司广州 510010）

0 引言

随着大直径盾构技术的发展和成熟，具备常压刀盘的大直径盾构在地铁隧道工程、市政隧道工程和公路隧道项目中广泛采用。由于复合地层地质条件复杂多变，采用常压刀盘形式，盾构掘进容易造成滚刀快速磨损、滚刀偏磨、刀具结构损坏等问题，本文根据某在建大直径盾构隧道工程项目特点、地质条件和盾构机条件，对盾构始发段掘进情况问题进行总结分析，针对大直径复合地层常压刀盘刀具配置及管理技术进行探讨。

1 工程概况

该隧道工程是目前国内在建最大直径15.8 m 盾构隧道，工程线路先后穿越立交桥、地铁出入口通道、河道、高架桥、海关、小区、铁路股道、运营地铁隧道、口岸等。

线路全长5 078 m，其中盾构隧道长3 603 m，采用单洞双层构造，隧道内部设置有上下层车道、消防水管通道、疏散楼梯、电缆通道、烟道结构。

穿越地质情况：盾构掘进通过上软下硬及硬岩地层，其中硬岩段占80%以上，共穿过9 条断层破碎带和2 条次生断裂带，地质情况相对复杂、围岩破碎，隧道穿越地层自西向东依次为：花岗岩、糜棱岩、泥灰质砂岩、碎裂岩、片岩和变质砂岩。最硬岩层单轴抗压强度值最大为173.7 MPa，如图1所示。

图1 工程地质纵断面Fig.1 Engineering Geology of Longitudinal Section

2 大直径盾构掘进主要存在问题

盾构掘进前200 环隧道洞身范围内地层主要有：①砂卵石层、强风化花岗岩、中风化花岗岩，掘进长度114 m；②强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，掘进长度186 m；③强风化碎裂岩（黏土矿物含量11.8%）、中风化碎裂岩、微风化碎裂岩，掘进长度100 m。前200 环先后穿越F4、Fhl、F5-1 三条糜棱岩断裂带及F5、Fl201、Fl201-1三条构造角砾岩断裂带。

由于地层复杂变化快，强度高，常压滚刀内刀筒积渣严重，致刀圈、挡圈、刀体二次磨损严重，存在合金齿掉落、偏磨等情况，滚刀报废率高。常压滚刀快速磨损、滚刀偏磨和结构破坏等现象严重，如图2 所示。前200 环盾构掘进共抽检常压滚刀714 把，平均3.57 把/环，正面滚刀更换耗时2～3 h/把，边缘滚刀更换耗时4～5 h/把，如表1所示。

表1 滚刀抽检统计Tab.1 Cutting Tool Inspection Statistics

图2 滚刀磨损情况Fig.2 Cutting Tool Wear Situation

3 大盾构常压刀盘形式及刀具配置

本工程盾构机常压刀盘采用6 主梁+6 辅梁的结构形式。具备常压环境下进行滚刀、刮刀的刀具更换作业，盾构机配备中心滚刀12 把（双轴双刃）、正滚刀59 把（双轴双刃）、边滚刀12 把（9 把双轴双刃+3 把单刃）可全部进行常压更换。边刮刀36 把，切刀207 把，其中52 把常压更换切刀，155把带压更换切刀。

中心刀具采用17寸双轴双刃滚刀，滚刀高度225 mm，正滚刀和边滚刀采用19寸滚刀，滚刀高度225 mm，切刀高度185 mm，如图3所示。

图3 常压刀盘刀具配置Fig.3 Cutting Tools Configuration of Cutter Head under Atmospheric

常压刀盘刀筒内部配置有滚刀状态监测装置，用于实时测量滚刀转速、温度和磨损量数据。主控室可实时显示滚刀旋转状况、滚刀温度和滚刀磨损状况，可及时发现异常报警并进行处理，如图4所示。

图4 刀具检测装置Fig.4 Cutting Tool Wear Detection

4 滚刀磨损的影响因素

影响滚刀磨损的影响因素很多，并且相互关联，错综复杂，包括地质因素、滚刀结构因素、施工技术参数控制因素、刀具管理因素［1］。

4.1 地质因素

滚刀磨损与岩层岩石特性间的重要关系主要表现为以下几方面：

4.1.1 强度

岩石强度与滚刀的磨损速度呈正比关系；岩石的强度是指岩石在各种外力（压缩、拉伸、剪切或变形等）作用下，抵抗破碎的能力。

4.1.2 研磨性

刀具磨损随岩石中石英的含量增大而增大，地层中粘粒和粉粒成分占比越多，容易使刀盘产生泥饼，滚刀糊死不转导致偏磨［2］。

4.1.3 断裂带及地层的层理、节理、裂隙发育程度

断裂带形成的硅铁质胶结角砾，极其坚硬，滚刀遇到这种岩层时，非常容易出现崩角，造成严重磨损。

4.1.4 开挖断面的地质均匀程度

软硬不均岩层过渡段，软硬差异度大，盾构通过时容易发生滚刀损坏。

4.2 滚刀结构功能因素

滚刀的磨损与滚刀本身的结构、对岩土的适应性以及破岩能力密切相关。

4.2.1 滚刀各部件质量

会对刀具磨损产生不利的影响［3］。

4.2.2 滚刀装配扭矩

装配扭矩过小，易导致滚刀轴承密封损坏；滚刀装配扭矩过大，会造成滚刀无法正常转动，引起刀具偏磨。

4.2.3 刀圈形式

滚刀刀圈有光面和镶齿两种形式，相同岩层中，光面滚刀和镶齿滚刀磨损形态有较大差异。在坚硬的岩层中，镶齿滚刀往往容易崩齿、掉齿，磨损更快；而在相对偏软的岩层中，镶齿滚刀切削效果更强，且不易发生偏磨。

4.2.4 滚刀直径

滚刀直径需因地制宜进行选择，本项目中心刀采用17寸，正面和边缘滚刀采用19寸；施工实践证明在相同地层条件下，滚刀随直径增大，破碎量逐渐减少，19寸的滚刀破岩能力更有效［4］。

4.2.5 刀刃的数量

本项目主要采用双轴双刃滚刀，仅边缘采用3 把单刃滚刀；软岩中掘进，单刃滚刀效果较好，硬岩地层掘进，双轴双刃滚刀效果较好。

4.3 施工控制因素

复合地层的施工技术控制是其最大特点是时常要建立土压平衡或泥水平衡，平衡的建立，使滚刀磨损的机理更复杂。施工技术控制涉及到滚刀磨损的具体因素有：有效推力、掘进速度、泥水压力、土仓内温度、开挖面动摩擦系数的变化、贯入度控制及刀具管理等［5］。

4.3.1 有效推力控制

滚刀转动必须有足够的有效推力作用于滚刀上，使滚刀与岩层产生足够的摩擦力，达到破岩作用。若有效推力不足，会造成启动力矩过小，刀具难以转动造成滚刀偏磨。

4.3.2 贯入度控制

硬岩中贯入度过大，造成滚刀与刮刀同时破岩，不仅对刮刀造成严重损害，滚刀破岩能力受刮刀影响，也会有所降低。

4.3.3 刀具管理控制

基于经济考虑和其他原因，同一刀盘有时会布置不同厂家，不同材质（即使直径、结构、功能相同）的滚刀或者没有对掘进中的刀盘、滚刀勤检查、勤更换，结果将会发生“骨牌效应”式的滚刀损坏，起先只有一把滚刀磨损较严重，没有更换，结果是陆续不断直至全部损坏［6］。

开挖面不平整常见于滚刀更换后或开挖面和盾构刀盘面不平行时，若设定刀盘转速快、掘进速度过快，导致刀盘转动时，瞬间会产生一个非常大的弯矩，造成滚刀刀圈崩裂或崩角。

5 关于大盾构复合地层常压刀盘刀具管理技术方面的思考

常压刀盘滚刀布置间距偏大，边缘滚刀线速度大［7］。开挖直径15.8 m 的盾构机刀盘每转动1圈最外侧滚刀行走轨迹为49.6 m。根据硬岩掘进刀具破岩机理，为更好的达到破岩效果，必须时刻谨记发挥每把刀具的破岩作用。由于刀具磨损和异常情况，会发生刀具异常损坏和偏磨，如未及时发现和更换，该轨迹上的刀具会先发生偏磨破坏，偏磨和磨损严重会在掌子面产生岩脊现象，当新换刀具后，因为岩脊的存在，该新换刀具最先接触掌子面进行破岩，极易发生刀具的异常损坏。

所以如何快速查找出最先损坏刀具——即零号刀具非常关键。大直径盾构机在复合地层中掘进，要时刻保持刀具轨迹线完整，通过刀具旋转检测、温度检测和磨损检测情况，结合同一地层刀具磨损规律，及时进行刀具抽检和更换，避免出现刀具的短板效应。

5.1 刀具检测装置要具有准确性和可靠性

大直径常压到刀盘盾构大多配置滚刀旋转、温度、刀具磨损检测装置，刀具状态监测中，旋转和温度检测最为重要，能够及时发现问题刀具并及时更换，如表2所示。为保证刀具监测装置的准确性和可靠性，需要做好以下3点：①滚刀检测装置需要具有足够的耐磨性；②检测装置发射器接头需要具有防水功能；③滚刀上镶嵌磁铁需要具有耐磨保护措施。

表2 刀具传感器常见失效形式及改进措施Tab.2 Common Failure Forms and Improvement Measures of Tool Sensor

5.2 及时更换问题刀具

通过滚刀旋转和温度检测装置，可以及时掌握刀具的状态，但在日常盾构掘进过程中，为满足生产进度要求，有时设备管理人员会受生产管理人员约束，发现问题刀具后不能立即做出停机更换刀具的指令，而会等到掘进完成再进行检查换刀作业。这样常常会造成刀具过度磨损或偏磨损坏，而且在该轨迹上形成岩脊现象，严重的会加剧相邻刀具的磨损和损坏，这种方法不利于盾构掘进施工，春风隧道项目前100环过程中，当发现刀具报警后，需等到推进完成后再进行换刀，造成大量刀具过度磨损和偏磨，影响相邻刀具的破岩效果。

盾构在中、微风化碎裂岩掘进过程中，由于刀盘振动较大，经常会发生常压滚刀螺栓松动、甚至脱落的现象，刀具受到轴向力作用导致端盖间隙增大，导致金属浮动密封失效，造成刀具轴承漏油损坏。需要采取防止刀具螺栓松动和掉落的改进措施。

5.3 盾构掘进参数控制

5.3.1 刀盘转速的控制

大直径盾构在上软下硬地层中掘进时，适当减小刀盘转速，建议值为1.2～1.5 r/min，减少刀具受到的冲击载荷，避免刀圈断裂，结构变形。

在全断面岩层中掘进，可以根据同一地层盾构掘进参数的变化进行分析判断，通过对比推力、扭矩和掘进速度的变化，来保证刀具轨迹线连续、完整。

5.3.2 掘进效率控制

为提高掘进效率可适当提高刀盘转速，建议刀盘转速控制在1.5～2.0 r/min。反之，若掘进参数变化比较大，渣样粒径大小不一，则应降低刀盘转速，保护刀盘刀具。当掘进一段时间，盾构掘进参数稳定后，可再进行调整。

5.3.3 推力扭矩调整

复合地层地质变化较快，大直径盾构在不同地层中，所采用的推力、扭矩也不相同，同样条件下，盾构机在岩层中掘进所用推力、扭矩较大，当推力、扭矩超出滚刀设计最大负载时，会造成刀具的异常损坏［8］。根据地层变化、岩层强度，完整性适当控制刀盘挤压力，调整掘进推力和扭矩，是提高刀具寿命的重要保证［8］。

根据刀盘刀具布置情况，中心滚刀12 把滚刀为17寸，设计最大推力为250 kN，正面和边滚刀77把滚刀为19寸，设计最大推力为315kN，按89把滚刀来计算刀盘的推力，即刀挤压力设计值F=12×250+77×315=27 255 kN。

根据本项目盾构掘进施工经验：花岗岩地层掘进参数宜控制在：贯入度5～10 mm/r，掘进速度10～15 mm/min，挤压力1 200 t以下，刀盘扭矩12 000 kN·m以下。碎裂岩地层参数宜控制在：贯入度8～12 mm/r，掘进速速15～25 mm/min，刀盘扭矩10 000 kN·m 以下，挤压力1 000 t以下。

5.4 地质岩样和掘进渣样分析

盾构掘进前要通过各种勘察手段清楚掌握地质状况，包括岩性、岩石强度，完整性等参数。盾构掘进过程中，对分离出的渣土进行取样分析，查明渣样粒径大小、形状，节理发育情况，和实际地勘资料进行对比分析，必要可做颗粒分析和强度检测，以指导盾构掘进施工，根据地层变化情况，及时调整各项盾构掘进参数。

5.5 可以尝试辅助气压掘进模式［9］

辅助气压平衡是利用自然空气注入到舱内来平衡固相与液相分离的开挖面，固相与液相混合的渣土、盾构密封三大系统的油脂（液相）。

自然空气均匀、比重轻、流动快，无孔不入，自然空气注入到土舱内与土舱中下部渣土达到平衡，并与渣土共同平衡开挖面，进入盾壳和地层的开挖间隙，平衡盾壳周围土体和地下水，同时平衡盾构密封系统-主轴承密封、盾尾密封系统。

根据实践经验表明，辅助气压掘进有以下显著优点：

⑴减轻盾构掘进负荷，可采用辅助气压掘进模式掘进，以减少舱内渣土量，降低刀盘扭矩，减小掘进总推力，增大有效推力。

⑵降低刀盘刀具磨损，辅助气压掘进可以有效降低舱内渣土高度，有效减轻开挖面同舱内渣土对刀具及刀盘的磨损。

⑶提高掘进效率，减轻盾构掘进负荷后可提高有效推力，可有效提升掘进速度，提升盾构总体掘进效率，同时改善盾构掘进循环内部环境。

5.6 刀具结构优化改进

大直径常压刀盘盾构在复合地层中掘进，要不断摸索和总结规律，不同改进和优化刀具形式和结构。在不同岩性、不同强度地层中掘进，合理选用刀具类型非常必要，根据以往经验，在岩石强度低于60 MPa，可选用镶齿合金刀，岩石轻度高于60 MPa，宜选用光面盘型滚刀［10］。通过不断改进和优化，提高刀具寿命，本项目采用在滚刀刀圈和刀毂上喷涂耐磨陶瓷涂层，有效改善刀筒积渣带来的刀具二次磨损问题。