砂卵石地层盾构掘进的刀具磨损和改善措施

郭家庆

(中铁隧道集团成都地铁2号线盾构项目部,610041,成都∥工程师)

成都地铁砂卵石地层的石英含量高,致使盾构刀具磨损快。据施工统计,刚开始用普通标准刀具时,每掘进130～200 m就需进行刀具的检查与更换。因此,如何延长刀具的使用寿命、减少更换刀具的时间,以缩短施工工期、节约施工成本、减少换刀的施工风险、减少因换刀对城市交通的干扰,已成为成都地铁盾构施工企业的重点研究课题。成都地铁各盾构施工企业通过多方面的努力,刀具使用水平已有了较大的提高。本文主要是将成都地铁1号线盾构4标段有关刀具使用的一些经验与同行共同探讨。

1 成都地铁1号线4标段工程概况

成都地铁1号线盾构4标段起于省体育馆站南端,止于火车南站北端,共分为省体育馆站—倪家桥站—桐梓林站—火车南站站3个区间。左线隧道长2 328.20 m,采用1台德国海瑞克土压平衡式盾构施工;右线隧道长2 572.23 m,采用1台德国海瑞克泥水加压平衡式盾构施工。2台盾构均从火车南站站始发。

本标段内地表多为第四系全新统人工填土覆盖,其下为全新统冲积层黏性土、粉土、砂土、卵石土,再下为第四系上更新统冰水、冲积层(为卵石土夹砂层),下伏基岩为白垩系上统灌口组紫红色泥岩。

据初勘钻探及探井揭露,漂石最大粒径为270 mm,一般体积分数为5%～10%,局部富集成层漂石体积分数高达20%～30%;漂石分布随机性较强,但主要分布于卵石层中下部,一般埋深大于6.5 m;漂石单轴抗压强度最大为 94.3 MPa,最小为92.8 MPa,平均值为93.7 MPa。

2 盾构的主要施工参数

2.1 推力

盾构所需的理论总推进摩擦阻力为:

式中:

Fm——盾构推进总摩擦阻力;

F1——盾壳和土层的摩擦力;

F2——正面土压形成的阻力;

F3——盾构机前体与水压形成的阻力;

F4——盾尾密封形成的摩擦力;

F5——推拉拖车的力。

在本工程的隧道工况条件下,计算得到φ 6 280 mm盾构的总推进阻力为Fm=19 017 kN。考虑盾构掘进时的推力安全系数为1.5,故推力F=1.5 Fm=28 525 kN。

盾构机实际配备推力为34 210 kN,能够满足工程实际需要。

2.2 扭矩

按照土压平衡式盾构的扭矩估算公式:

式中:

T——扭矩;

α——土压平衡式盾构系数,根据盾构直径的大小不同一般取值14～23 kN/m2;

D——盾构直径。

在同样或类似地质条件下,小直径盾构α取大值,大直径盾构α取小值。

研究认为,在砂卵石地层中盾构掘进时,盾构刀盘扭矩一般较大,而且施工中常会出现刀盘瞬间扭矩过大的现象,故有必要结合砂卵石地层的特点对α值进行调整。现取 α=20 kN/m2,D=6.28 m,由式(2)计算得T=4 953 kN·m。此扭矩值应为盾构机的脱困扭矩值。盾构机实际配备扭矩为 6 000 kN·m,能够满足工程实际需要。

3 盾构刀具的磨损和管理

3.1 刀盘结构

土压平衡式盾构刀盘按照工程地质条件和施工控制要求可分为面板式和辐条式两种形式。根据成都地区的地质条件,选择面板式刀盘(刀盘结构见图1)。面板式刀盘不但具有支撑掌子面的功能,同时具有泥土搅拌功能。此刀盘直径为6 280 mm,是带有轮廓的封闭钢结构件,4条辐射臂连接到主驱动;刀盘上装有4把432 mm(17英寸)中心双刃滚刀、32把432 mm(17英寸)单刃滚刀、28把宽齿刀、8把周边耐磨刮刀;单刃受力刀具的最大间距为100 mm;刀盘开口率为24%。

3.2 滚刀

3.2.1 滚刀起动扭矩的控制

在成都砂卵石地层中,滚刀的起动扭矩是决定一把滚刀能否正常工作的最关键因素之一。如果起动扭矩过大,砂卵石地层无法给滚刀足够的自转反作用力,滚刀就会产生偏磨(在成都地铁1号线施工前期,这是滚刀产生偏磨的重要原因之一);如果刀具的起动扭矩太小,用于密封刀具的浮动密封预紧力太小(指普通标准尺寸的刀具),造成滚刀轴承的刀具密封性差。

图1 土压平衡盾构面板式刀盘图

在成都地铁1号线某盾构机刚施工时,采用通用的432 mm(17英寸)滚刀的起动扭矩(50 Nm)。盾构机掘进130 m后进仓检查刀具,发现所有的32把正滚刀有13把偏磨(比例达40%)。该工地将起动扭矩下降后,每次检查刀具时发现偏磨的刀具不到10%。

成都地铁1号线盾构4标段在开工前就对滚刀进行了起动扭矩的分析,并初步确定滚刀的起动扭矩为20～25 Nm。盾构4标段的海瑞克泥水加压平衡式盾构机共有13把正滚刀,第一次检查发现有一把正滚刀偏磨(因为刀具与刀箱之间卡了一块大卵石,分析认为偏磨是因为大卵石卡住刀无法转动而造成),没有发现因为扭矩太大而发生自转困难的情况。但是,因采用的是标准密封,故密封的效果有所下降,有三把正滚刀进了泥浆,造成刀具损坏。

从以上实例可知,起动扭矩直接关系到刀具的使用情况。成都地铁1号线盾构4标段将滚刀的起动扭矩调到30～40 Nm后,基本上未发生偏磨的刀具,也很少发生刀具轴承进泥沙的情况。

3.2.2 滚刀刀体的选择与二次保护

从刀具工厂采购的新刀都是标准件,对刀体只要求有足够的强度与刚度,但并无特别的耐磨性要求。而在本工程中,除了砂卵石以外的其它地层对滚刀的刀圈都有较高的耐磨性要求,因刀体的加工量比较大,且硬度太高加工困难,故各厂家的刀体硬度都很低。有些厂家的刀体硬度只有H RC 35～40。因此,在采购新刀时,要选用硬度较高的刀体,以保证第一次使用时不会使刀体报废。如刀体硬度达不到使用要求,应在使用前增加保护,防止新刀的轴及轴承受损害,使其能二次使用。在第二次使用时,可以在刀体外加焊耐磨焊层,如图2所示。

图2 滚刀的刀体外加焊耐磨层

3.2.3 中心滚刀的替代

中心滚刀可用重型撕裂刀来替代,其有以下几个优点:①成本比中心滚刀要低;②重型撕裂刀的寿命可以估算,不会有中心滚刀偏磨的风险;③更换方便。

3.3 边刮刀及齿刀

3.3.1 边刮刀的配置

在成都的砂卵石地层中,因为砂卵石的比重大,故其相对滑动能力差,致使边刮刀受力比较大。为防止其脱落,要加强边刮刀的固定。

海瑞克泥水加压平衡式盾构机的边刮刀与海瑞克土压平衡式盾构机的边刮刀在配置与选型上有着很大的区别:泥水加压平衡式盾构机使用的是2种边刮刀,都是3孔的扇形刮刀;土压平衡式盾构使用的是3种边刮刀。两种盾构的边刮刀外型差别也比较大。土压平衡式盾构的刮刀比泥水加压平衡式盾构的刮刀要“强壮”,使用效果要好。外型尺寸的差距使土压平衡式盾构机的边刮刀比泥水加压平衡式盾构机边刮刀的使用寿命长;泥水加压平衡式盾构机的边刮刀是3孔,固定螺栓有3颗,其固定效果比土压平衡式盾构机边刮刀螺栓的固定效果要差,在使用过程中由于刀盘的转动对刀具有一定的冲击,会使螺栓断裂、边刮刀脱落。

目前边刮刀的的结构都是耐磨面镶高强度合金齿,在砂卵石地层中使用时,合金齿的损坏大部分不是磨损,而是掉落。这与边刮刀母体的硬度有很大的关系。因合金齿之间有一定的间隙,使用时细砂会把母体磨损,导致合金齿的掉落。

3.3.2 齿刀的配制

泥水加压平衡式盾构机与土压平衡式盾构机的齿刀如图3所示。

在实际使用中,发现泥水加压平衡式盾构机用的齿刀比土压平衡式盾构机用的新型边刮刀寿命要少一半。经分析,其原因为:①泥水加压平衡式盾构机的齿刀比较小,抗卵石冲击能力差;②泥水加压平衡式盾构机的齿刀前角太大,不适用于砂卵石地层。

图3 盾构机的齿刀

4 盾构机刀具的保护措施

4.1 齿刀的保护

在盾构机出洞到站对刀盘面板修理时,要在刀盘、刀座周围焊上足够的耐磨层,以保护刀具。

加焊耐磨层时应注意刀盘面板渣土的流动性,如果耐磨层突出部分的位置不正确,就易在刀盘上结饼,造成盾构无法正常推进。刀盘、刀具的具体保护方案要根据前方施工地层的情况(如渣土的含泥量、大小卵石的比例等)来确定。但刀盘的中心部分要少作堆焊,以减少结泥饼的风险。

4.2 优化掘进参数,减少刀具磨损

在对刀盘、刀具的耐磨性进行加强的同时,应优化掘进参数,这是延长刀具使用寿命的重要措施。在砂卵石地层中,刀盘的结构与开口、刀具的配置确定后,应选用大的贯入度,这是减少磨损的一个重要方法。

4.3 改良渣土

在加强刀具耐磨性、提高滚刀可靠性、合理布局刀具的同时,改良渣土以减少掘进磨损是提高刀具使用寿命的重要措施。

常用的渣土改良方法可分为以下几种:

1)加水改良。这种方法比较经济,但是效果一般,在渣土改良要求不是很高的地层可以使用。

2)加入化学添加剂(如泡沫剂、肥皂液等)。这种改良渣土的方法针对性特别强,如果选用正确都能达到较好的效果,但其价格比较昂贵。

3)加入黏土(如澎润土等)进行渣土改良。这种方法的施工过程比较麻烦,在用量大时会影响施工速度。

在成都砂卵石地层施工中,应高度重视渣土改良工作。在成都地铁1号线盾构4标段的施工过程中,主要采用泡沫与泥浆改良相结合的方法。

5 结语

在成都砂卵石地层,渣土对盾构机刀具的磨损非常严重。为减少盾构刀具的磨损,首先要选用耐磨性好的刀具材质;其次要合理选择刀具的外形尺寸,以减少磨擦;同时要合理利用各种添加剂对渣土进行改良。

[1] 晁焕清,王汉音.盘形滚刀的改进及应用[J].隧道建设,2007,27(6):79.

[2] 陈建,张宁川,吕建乐.S259号泥水平衡盾构机改造[J].隧道建设,2007,27(6):71.

[3] 郭家庆.成都砂卵石地层盾构刀盘与刀具的选择[J].建筑机械化,2009(2):56.

[4] 袁大军,胡显鹏,李兴高,等.砂卵石地层盾构刀具磨损测试分析[J].城市轨道交通研究,2009(5):48.

[5] 鞠世健,竺维彬.复合地层盾构隧道工程地质勘察方法的研究[J].隧道建设,2007,27(6):10.

[6] 何川,晏启祥.加泥式土压平衡盾构机在成都砂卵石地层中应用的几个关键性问题[J].隧道建设,2007,27(6):4.