砂卵石地层土压平衡盾构的刀具适应性改造设计

时间：2024-07-28

（成都轨道交通集团有限公司，四川成都 610041）

罗杰

（成都轨道交通集团有限公司，四川成都 610041）

以成都地铁三号线为施工背景，针对土压平衡盾构机在长距离以及砂卵石层掘进盾构设备磨损较快，刀具频繁出现更换的问题，通过盾构机在砂卵石地层中的掘进机理及现场实践，分析研究了土压平衡盾构机刀具的主动适应性改造。研究得出：在刀盘上按照阿基米德螺旋线的规律排列进行布置滚刀或撕裂刀，采用滚刀距离刀盘面板比刮刀距离刀盘面板高30mm的设计，将中心刀具由中心双联滚刀组合改为中心单刃撕裂刀+中心双刃撕裂刀组合等改造措施，得到较好的掘进效果，验证了研究成果的可行性和实用性，可在类似工程中推广。

土压平衡盾构机；刀具改造；砂卵石层

1 前言

相对于砂卵石地层的顺利掘进，土压平衡盾构机特别是在长距离以及砂卵石层掘进初期出现诸多机械上的问题[1]，其中盾构设备磨损较快，刀具频繁出现更换的问题尤为突出。针对目前存在的难题，在成都地铁三号线施工中，我们将改造既有盾构机的刀盘刀具配置，我们就盾构隧道施工实际掘进情况得出，改造后的盾构机[2]可达到长距离掘进、降低刀盘刀具磨损和提高掘进效率的目的。

2 盾构刀具分析

（1）刀具形式

盾构刀具[3-4]是根据本区间地层的不同强度和地质特点，根据刀具在该地层中不同的破岩机理来进行设计和选择的。刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层的开挖，主要刀具类型为滚刀、刮刀，根据不同的地质类型刀具可以互换。盾构机刀具形式见表1。

表1 盾构机刀具形式

2）滚刀受力分析

在硬岩地层滚刀受刀盘向前的推力，在开挖面滚动，根据推力大小，直接由开挖面提供可大可小的转动力矩，而同时几乎没有阻力力矩。在富水砂卵石地层中，滚刀前方和“松散带”的渣土接触，同时渣土在刀箱里挤满，经过压密结块，产生阻力力矩阻止了滚刀滚动。

要使滚刀转动，必须满足滚刀转动力矩T转大于阻止滚刀转动力T阻。因此，如果滚刀在硬岩地层，由于没有T土仓和 T刀箱，因此只要满足转动力矩 T转大于启动力矩，滚刀即可以转动，因此，在硬岩地地层掘进，滚刀不会发生偏磨。

在砂卵石地层中的滚刀掘进，由于在开挖工作面前方形成了一个“结构松散带”，也改变了刀具的作用方式.由于该松散带的存在，主要有以下作用特点。

1) 由于结构松散，不能给滚刀提供足够的转动力矩T转；

2) 松散带渣土直接和刀鼓接触，而且接触力大，甚至出现撞击，因此，对刀鼓的破坏、磨损加大，造成T启动增大；

同时，土仓内的渣土也使得刀箱内的阻力力矩T刀箱增大，便造成在砂卵石地层中滚刀的滚动失效，从而造成偏磨，掘进效率低下，致使滚刀在盾构刀盘转动掘进中不能发生转动。由硬岩地层中的滚刀摩擦变成了滑动摩擦，造成了滚刀的严重偏磨、以致报废。

2 刀具适应性改造

刀具磨损影响因素主要有地质条件、刀具配置、刀盘开口率及渣土改良状况，其中地质条件为外在客观因素，具不可更改性，砂卵石地层其地质条件决定了刀盘刀具磨损非常严重，下面就刀具方面的改造进行论述。

2.1 刀具布置

根据文献[5-7]中叙述，由于土仓中间容易产生“应力凸起”，为提高渣土的流动性，一方面应该提高开口度，另一方面中部不应布置密集的滚刀，应布置有利于渣土分流的先行刀和刮刀。

在刀盘上按照阿基米德螺旋线的规律排列布置的滚刀或撕裂刀，如图1所示，不同类型的刀具设计，考虑了全断面卵石土层掘进时对滚刀的保护，而采用滚刀距离刀盘面板比刮刀距离刀盘面板高30mm，从而达到保护刀具的目的。

图1 刀盘上滚刀与撕裂刀位置布置图

（2）不同粒径的卵石的处理

当粒径低于290mm的卵石可通过刀盘开口直接进入土仓并通过螺旋输送机输出；当粒径大于290mm的卵石需进行刀具剥落处理。

2.2 刀具改造

通过对地铁3号线驷～驷盾构区间的刀具开仓检查情况分析，右线10#盾构机已经掘进463.5m（309环），刀具无严重磨损，目前刀具能够满足右线剩余271.5m（181环）的正常掘进，于是采取了开仓不更换刀具办。直至驷～驷区间右线贯通，未出现盾构因刀具磨损问题导致的盾构掘进困难现象。根据对磨损刀具的位置、磨损的程度和刀具配置的分析，尤其是相近切削轨迹发生较大磨损的情况下对后期掘进是否产生不利影响等方面的综合判定：为保证盾构施工安全，驷～驷区间左线开仓对偏磨的11#刀，磨损量较大的29#、31#、32#、34#刀进行更换。

通过对驷～驷区间左右线刀具磨损分析，产生较大磨损的轨迹主要集中在27#～34#刀范围内，刀盘正面区磨损较小，发生最大磨损的刀具属于刀盘正面区向边缘区过渡的部位，即处于刀盘弧部的滚刀磨损量最大；在盾构机出洞时发现盾构机刀盘中心处仍有结泥饼现象，并且伴有部分中心滚刀偏磨的现象。

分析上述现象，总结原因认为：

1）盾构机推力过大，刀盘前方土压力变大，土体容易糊刀盘；

2）盾构掘进并伴有多次长时间停机的现象，掌子面压力不稳，由于施工采取的保压措施会造成掌子面前方土体固结，盾构机恢复掘进时，刀盘前方土体盾构出土不畅，其刀盘中心部位的滚刀被杂物和泥土包裹住；

3）中心滚刀的开口率未达到施工要求，造成出土不畅；

4）在实际掘进施工中，中心滚刀随着刀盘的转动，其滚刀的线速度非常小，不能给滚刀提供足够的转动力矩，同时，土仓内的渣土也使得刀箱内的阻力力矩T刀箱增大，便造成在砂卵石地层中滚刀的滚动失效，由硬岩地层中的滚刀摩擦变成了滑动摩擦，造成了滚刀的严重偏磨、以致报废。

经过研究讨论得出：将刀盘中心部位的4把中心双联滚刀改成中心撕裂刀，即先行刀。改变刀盘中心部位的出渣环境，将中心部位的削切土体随着先行刀的转动，向周围移动进入土仓，避免了刀盘被泥土包裹；使用中心撕裂刀还提高了材质的耐磨性能及允许磨损量。

鉴于以上的分析和刀具磨损的实际情况的验证，在盾构的设计中需对刀具进行改进及提高。改进后的刀具情况如表2所示。

表2 改造后刀盘刀具情况统计表

边刮刀 8 把焊接撕裂刀 29 把保径刀 8 把

3 案例验证

在施工过程中必须观测分析盾构穿越地层的特性，在推进过程中应充分了解施工速度、盾构掘进性能、泥土温度之间的能量转换关系及其对“泥饼”形成的影响。控制好推进速度，减少“泥饼”产生的机率。在后续的区间施工中使用改造后的刀具配置，再结合渣土改良、设置合理的构掘进参数、控制循环水温度以及要求盾构达到“连续、快速、稳定”施工。如驷～李区间左线538m、右线529m，李～马区间左线790.8m、右线1046.4m，区间均未换刀，顺利完成贯通，达到了良好的效果。

盾构机的自身设计制造要合理，刀具的配置和刀盘结构参数需优化；盾构长时间的停机会导致土舱内土压逐步升高、流动性减弱、刀盘及刀具板结泥饼的可能性增加，盾构掘进要求“连续、快速、稳定”施工；施工中的盾构掘进参数的设定相当关键，在容易出现泥饼的地层中尤其要注意土压力、千斤顶推力及刀盘转速等参数的设定，当遇到刀盘的扭矩比较大时，可以通过向掌子面和土舱内加注泡沫、膨润土以及聚合物等添加剂来降低刀盘的扭矩，以实现刀盘的较高转速；将整个盾构施工当成一个系统工程来对待，各种因素，如地层地质、盾构机状况、隧道内通风及外界温度应做到有机结合。