论文(盾构穿越半断面硬岩段掘进刀具磨损控制技术).doc

盾构穿越半断面硬岩段掘进刀具磨损控制技术作者：李强 摘 要：杭州地铁2号线沿线隧道主要穿越地层为粉砂、粉土、淤泥质地层，但受隧道线形、周边环境等因素，杭州地铁2号线杭发厂站人民路站上行线盾构于市心中路（靠近萧绍路）交通繁忙区域成功穿越了50m半断面岩层。由于该段岩层强度较大、地质较复杂，并且沿线隧道呈倒“V”形，盾构穿越半断面硬岩期间，出现刀盘刀具偏磨现象，在进行相关施工参数的优化及各项辅助措施下，盾构顺利穿越了50m半断面岩层。关键词：盾构掘进 半断面岩层引言：随着杭州地铁1号线工程的完工和2号线工程施工的开展，盾构法施工在杭州地区软土掘进领域积累了大量的施工经验，但对于盾构半断面硬岩段掘进施工缺乏相关的经验。目前，盾构在半断面硬岩段掘进施工是一项重大难题，如何合理配置刀盘刀具，在穿越半断面岩层过程中如何克服刀盘刀具磨损严重，并解决刀具磨损检测等问题是盾构施工需解决的核心问题。正文1、 工程概况杭发厂站民路站区间地质纵剖面图杭州地铁2号线杭发厂站人民路站区间盾构上行线由杭发厂站上行线始发推至人民路站，并在人民路站调头后返回杭发厂站。上行线掘进过程中，盾构由杭发厂站始发后先后穿越了425m粉砂性土层、50m半断面硬岩段、627m淤泥质土层，硬岩段表层0.5m为强风化石英砂岩、其余为中风化石英砂岩、中风化凝灰质岩，岩石侵入隧道最高处为5m,岩层强度等级为50Mpa。岩层取芯如下所示： 中风化石英砂岩芯样图（岩层存在细微裂隙、纹理）2、 适合软土、半断面硬岩段掘进的盾构刀盘、刀具配置设计鉴于软土区间盾构将局部区域穿越半断面硬岩段，盾构刀盘必须配置适合软土及硬岩掘进的刀盘、刀具。在盾构设计过程中进行了针对性进行研究分析，对刀盘结构进行有限元分析，使刀盘构架满足盾构硬岩掘进受力要求。刀盘为辐条式，挖掘直径为6510mm，面板开口率为48%。刀盘硬岩掘进受力有限元分析在进行刀具选用时，根据半断面岩层强度等级进行刀具配置，刀盘刀具由滚刀、仿形刀、齿刀、外周保护刀组成。刀具名称把数刃数中心贝壳刀816正面滚刀2020周边滚刀88超挖滚刀22仿形齿刀11标准切削齿刀150150磨损检测齿刀22外周保护刀1212 其中，滚刀主要用于硬岩段掘进切削岩层，齿刀主要用于切削软土地层，考虑到硬岩穿越段对齿刀的保护，正面滚刀刀刃高出齿刀80mm。刀盘构造及刀盘配置示意图3、 滚刀硬岩切削破碎原理刀盘切削岩层时，在盾构推力、刀盘旋转作用下刀盘盘行滚刀刀刃对岩层产生挤压、剪切、拉裂等综合作用，同时滚刀在岩层切向反作用力下产生自转扭矩，当该反作用力达到滚刀额定启动扭矩时开始自转。在刀刃作用下产生小块破碎体，继而被压密形成密实核，随后密实核将滚刀压力传递给周围岩石，并产生径向裂纹，其中有一条或多条裂纹向刀刃两侧向延伸，到达自由面或与相邻裂纹交汇，形成岩石碎片，在滚刀正常切削作用下岩层破碎主要呈小块破碎状，如下图所示。滚刀切削硬岩破碎原理图4、 盾构穿越半断面硬岩段时滚刀刀具产生偏磨的主要因素盾构穿越半断面岩层时滚刀易产生偏磨现象，导致这一现象主要是由于滚刀无法在切削时进行自转，造成单边刀刃磨损严重，无法正常进行硬岩切削，甚至导致滚刀破坏。如下图所示： 偏磨滚刀实物图造成滚刀偏磨的主要因素如下：（1）滚刀在穿越硬岩前软土层掘进时产生偏磨现象盾构刀具在粉砂性土层中磨损量相对较大，滚刀在穿越硬岩前长距离穿越粉砂性土层时，滚刀与粉砂土层产生摩擦，造成滚刀刀刃局部磨损。盾构穿越粉砂性土层时滚刀受土层切向反作用力相对较小，滚刀切向自转扭矩未达到设定值，无法进行自转，因此迎土面刀刃磨损相对较大。（2）滚刀刀架受土体阻塞作用，影响滚刀液压轴承密封，无法进行自转由于半断面岩层掘进时不同于全断面岩层掘进，在全断面岩层掘进时滚刀刀架基本处于悬空状态无异物阻塞，但在半断面硬岩段掘进过程中滚刀在进入岩层前及在岩层掘进过程中周边土体受扰动进入刀架形成阻塞作用，影响滚刀液压轴承密封，并对滚刀形成包裹作用，使滚刀无法自转。刀盘滚刀受土体阻塞图（土仓内向迎土面方向拍摄，迎土面刀刃已偏磨）（3）滚刀自转启动扭矩设定不符合岩层切削要求在进行滚刀安装前，滚刀必须根据穿越岩层情况合理设定自转启动扭矩，设定启动扭矩是否合理直接影响滚刀磨损量，如设定不当将产生滚刀偏磨现象。滚刀启动扭矩的设定应综合考虑岩层强度、软土阻塞作用等因素。（4）盾构半断面硬岩段掘进参数不合理，造成滚刀偏磨、崩裂半断面硬岩段应按照贯入度进行掘进速度控制，刀盘转速按1转/min控制，贯入度按3mm10mm/min控制。进入半断面硬岩段后应及时调整盾构掘进施工参数、盾构姿态，盾构进入硬岩段后刀盘扭矩将呈递增现象，由于盾构下部受岩层阻力作用，下部千斤顶推力较大，推进速度受岩层阻力影响将减速至310mm/min，各盾构施工参数变化如下图所示。盾构进入半断面硬岩段时盾构参数变化曲线图盾构340环开始进入硬岩段后刀盘扭矩变化曲线图（刀盘转速为1.15转/min） 盾构进行半断面硬岩段掘进时主要进行贯入度控制，贯入度不可过大造成滚刀单次切削量较大导致刀具崩裂，贯入度不可过小造成滚刀磨刀效应。如下图所示： 贯入度控制过小造成滚刀刀刃磨损图 贯入度控制过大造成刀刃崩裂破坏图5、 盾构刀具产生偏磨后的不良后果（1）滚刀偏磨后岩层切削原理产生变化，单边刀刃受切向力作用下易产生崩裂或严重磨损现象（2）滚刀偏磨后刀盘切削面温度较高，岩层切削粉末易在高温下重新凝结，形成高强度硬块，在土仓内形成凝结，使土仓内土压计读数异常，螺旋机输送机无法正常出土。（3）滚刀偏磨后刀刃磨损严重，无法继续进行岩层切削，总推力较大，刀盘扭矩较大，油温高，推进速度较小，甚至无法继续推进。6、盾构半断面硬岩段掘进过程中减少刀具磨损的改进措施（1）对刀盘、土仓采用泡沫剂进行土体改良，增加土体流动性，必要时在进入半断面硬岩段时对刀盘注入泡沫剂浸泡，减少滚刀刀架软土阻塞效应。（2）对周边等切削易磨损部位滚刀增加刀刃厚度，达到刀刃耐磨损的要求。（3） 合理控制盾构掘进参数，以合理岩层贯入度进行盾构掘进控制。（4） 合理调整滚刀启动扭矩，使滚刀在切削硬岩过程中产生自转。（5）加强隧道内通风、降温措施，减少盾构掌子面温度。7、刀具磨损的检测及原理考虑到硬岩穿越段对刀具的磨损，通常在刀盘预计磨损量较大区域刀具安装检测装置，通常半断面岩层掘进时周边滚刀磨损相对较大，但受技术条件限制，目前尚未有效方法进行滚刀刀刃磨损检测，主要通过对滚刀框架、齿刀进行磨损检测，间接判断滚刀磨损量。油压式磨损检测刀检测原理：在构造上通过后续台车上的油管配管，通过中心回转节、D辐条直至检测槽上，可以将油供到刀中，刀的磨损没有达到所设定的磨损量时，油压显示为设定压力。但随着刀的磨损，并超过设定磨损量时，管内的油会泄漏，从而可以检测磨损量。结束语：在总结了上行线半断面硬岩段前30m掘进施工经验后，在进行换刀作业后按合理施工参数及各项辅助措施进行了后20m半断面硬岩段掘进施工，刀具磨损明显减少，可见，半断面硬岩段掘进施工时盾构合理的施工参数、土体改良、周边滚刀刀具加强措施、合理设置滚刀启动扭矩将直接改善盾构刀具的磨损量控制。参考文献：1、盾构技术理论与实践 鲍绥意主编 中国建筑工业出版社出版日