广州“红层”地质盾构机滚刀磨损与掘进参数特性分析

董汉军，谭啸峰，杨钊，翟世鸿，杨擎

（1.中交第二航务工程局有限公司深圳分公司，广东 深圳 518067；2.中交第二航务工程局有限公司技术中心，湖北 武汉 430040）

城市地铁隧道施工中，盾构法因其施工对周边环境影响小而得到了广泛应用。基础地质和工程地质特征是确定盾构工法的先决条件。广州红层盾构施工取得了相当丰富的经验[1-2]，但是针对红层掘进参数特性分析与压柱式镶齿滚刀磨损的研究成果较少，难以实现对盾构掘进的精细化管理。本文以广佛地铁12标工程为依托，基于现场掘进参数与实测数据的统计分析，给出了红层地层掘进参数匹配关系和滚刀改造方案。

1 工程概况

广佛地铁12标包含2站2区间，菊西区间长为1 916 m，西鹤区间长为664 m。采用直径为6 260 mm的复合式土压平衡盾构机进行掘进，线路平面最小曲半径300 m。管片设计采用标准环+左转弯环+右转弯环，管片外径6 000 mm，管片环宽1 500 mm，管片厚度300 mm，采用错缝拼装。

盾构区间沿线表层分布较多软土，两个区间左右线隧道主要穿越的地层为全风化至微风化的泥岩、泥质粉砂岩，最大单轴抗压强度为33.9MPa。部分段线路经过一段约600 m的古河道，主要为淤泥、淤泥质粉细砂、蠔壳片中粗砂、中粗砂地层，以及上部砂层、下部泥质粉砂岩的上软下硬地层。隧道地质剖面图如图1所示。

图1 地质剖面图

2 滚刀磨损分析

2.1 滚刀破岩机理

在盾构机推力作用下，盘形滚刀紧压在岩面上，在刀盘扭矩作用下，盘形滚刀绕刀盘中心转动，同时也绕其自身轴自转。当盘形滚刀的有效推力超过岩石强度时，盘形滚刀贯入岩层，在岩层中形成压碎区和放射性裂纹。当盘形滚刀的间距满足一定距离时，相邻滚刀之间的放射性裂纹相互贯通，形成岩石碎片在自重作用下从开挖面剥离[3]。

2.2 滚刀允许磨损量确定

本工程滚刀采用Robbins公司生产的0.43 m（17英寸）滚刀。滚刀开挖直径为6 300 mm，刮刀开挖直径为6 290 mm，盾壳直径为6 260 mm，滚刀高出切削刀40 mm，如图2所示。

图2 滚刀与切削刀高差图

根据滚刀高出切削刀40 mm，拟定正面滚刀的最大磨损量为30 mm。根据滚刀开挖直径较盾壳开挖直径大30 mm，拟定边滚刀最大磨损量为15 mm。因为滚刀破岩采用多刃切削技术，即要求整盘滚刀协同作业，相邻滚刀刀刃高度相差不能过大，否则相邻滚刀之间的放射性裂纹不能贯通，根据经验确定相邻滚刀之间的磨损量之差不得大于15 mm。

2.3 刀具磨损情况统计

隧道区间主要穿越地层为中风化与强风化的粉砂质泥岩，掘进时采用空舱掘进，但由于泥岩中黏粒含量多，在刀盘中心区域、刀箱背面和主牛腿等区域易结饼泥，使得滚刀发生偏磨。刀盘中心结饼后，盾构机启动推力瞬间增长且在掘进过程中隔舱板温度较高，易判断，可以及时进舱处理。刀盘边滚刀刀箱结饼后，边滚刀的转动扭矩小于其启动扭矩而造成滚刀偏磨。边滚刀刀刃间距较小，单一滚刀偏磨后，难以从掘进参数上准确判断。只有当多把边滚刀均发生磨损，才表现出推力增大，掘进速度增长缓慢的现象。

在前550环，平均掘进速度为13 m/d，每掘进2个星期进舱查刀换刀，平均每次更换4.8把边滚刀，平均每次约有1.8把滚刀发生偏磨。刀具磨损情况及550环边滚刀磨损统计分别见图3和表1。

图3 刀具磨损照片

表1 边滚刀磨损统计表

由表1可知，单把滚刀的有效掘进长度约为36 m，边滚刀的耐磨性和防偏磨效果不佳，需对边滚刀进行改进，降低换刀频率，从而保证盾构掘进的效率。

由图3可知，边滚刀发生了刀圈崩裂、轴承损坏、轴承进浆和刀圈偏磨等多种非正常磨损形式，因而说明需对滚刀的刀圈韧性、轴承的承载能力、轴承的密封性能进行改善。

2.4 刀具改进

在软土层掘进中，滚刀的启动扭矩过大，由于滚刀附着力不足以达到启动扭矩而引起滚刀偏磨；在泥岩层掘进中，由于滚刀刀箱被糊住，滚刀转动的阻力扭矩过大，滚刀的附着力不足以克服阻力扭矩而引起滚刀偏磨。主要原因为附着力提供的启动扭矩小于阻力扭矩，对于软土层，主要通过减小滚刀的启动扭矩来减少偏磨；对于泥岩层，主要通过增大滚刀的附着力来减少偏磨。

刀圈崩裂的主要原因是由于刀圈的冲击韧性不足，需提高其冲击韧性，增大材料裂纹的扩展，防止刀圈崩裂。

通过与刀具厂商沟通，决定采用压柱式镶齿滚刀，相比于Robbins滚刀作了如下改进：

1）采用镶球齿刀圈，增大滚刀附着力，减少滚刀偏磨；

2）球齿为钨钴硬质合金，硬度HRA86-87，耐磨性大大提高；

3）球齿与岩层为点接触，而普通滚刀刀刃为面接触，点接触使得岩体内应力集中，加大破岩工效；

4）为了提高刀圈的冲击韧性和方便球齿压入，刀圈本体材料选用了韧性更佳、强度较小的MD钢材；

5）为了加强本体材料的耐磨性，且更好地支撑球齿，在刀圈两侧堆焊耐磨层，硬度达HRC60以上；

6）采用平衡活塞调压装置，使其密封更为可靠；

7）采用TIMKEN轴承和优质合金钢及工艺，保证刀具有足够的承载能力。

压柱式镶齿滚刀如图4所示。

图4 镶齿滚刀图片

2.5 改造效果与换刀距离预测

在其后720环掘进中，经过数次开仓检查与更换边滚刀，只有两把单刃滚刀发生了严重的偏磨现象，更换边滚刀的数量约为前期平均值的一半。这说明压柱式镶齿滚刀的耐磨性与防偏磨效果显著，压柱式镶齿滚刀适用于广州地区的红层掘进。

根据已有的刀具磨损测量数据与经验，在未掘进之前确定合理的刀具检查与换刀距离是确保盾构机安全顺利掘进的重要指标。国内外学者基于理论推导、试验数据和现场数据分析等提出了诸多刀具磨损预测公式，张凤祥[4]提出的刀具磨损预测公式在工程界得到了最为广泛的应用，其预测公式为：

式中：δ为刀具磨损量，mm；L为掘进距离，km；k为地层的磨损系数，mm/km；N为刀盘转速，r/min；D为刀具轨迹直径，m；V为推进速度，mm/min。

由式（1）可知，刀具磨损系数为：

在实际工程中，一般根据已知刀具的磨损量由式（2）计算不同地层时刀具的磨损系数，用于预测合理的刀具检查与换刀距离。

在更换压柱式镶齿滚刀后，掘进65环后进舱检查，发现39号刀的磨损量为8 mm，此前刀盘的推进速度平均值为28 mm/min，刀盘转速为1.5 r/min，39号刀的刀具轨迹直径为6 300 mm。由式（1）可知，压柱式镶齿滚刀在微风化粉砂质泥岩的磨损系数为77.4 mm/km。

本工程边滚刀的最大磨损量为15 mm，由式（2）可知39号刀的一次最长掘进距离为182 m。

3 盾构机主要工作参数之间的关系

盾构机掘进的主要工作参数有推力、扭矩和刀盘转速，其中推力与刀盘转速为主动参数，而扭矩为被动参数。

3.1 贯入度

贯入度是把盾构机在岩层掘进时，其掘进速度与转速之比，表示每转岩石的切入深度。贯入度为岩层掘进时预先确定的值，贯入度确定后再根据推力与扭矩的额定值，调整推力与转速的大小，使推力与扭矩达到合理的比例关系，可以将机械能最大限度的传递，从而使刀盘达到最优的切削状态。

贯入度与岩层的抗压强度有关，贯入值大，滚刀破岩所需推力大，贯入值小，滚刀破岩所需转速增加。当作用于单把滚刀上的推力超过其轴承的抗剪强度时，将导致轴承的损坏。当破岩所需转速增加，滚刀磨损轨迹增长，会加速刀具的磨损。

3.2 刀盘转速

在硬岩地层，由于地层的抗压强度较大，其贯入度值较小，因此，滚刀切削时切向阻力也较小，因而刀盘扭矩也不大，为了加快掘进速度，一般采取提高刀盘转速的方法。

在提高刀盘转速时，还需注意以下几个问题：1）刀盘转速的提高，会在刀盘转动时，产生较大的冲击力（特别是在软硬不均地层交界面），这将使得刀圈产生裂缝[5]；2）刀盘转速提高后，扭矩与推力的变异系数较大，即掘进时扭矩与推力值不稳定，且波动较大，这将加剧刀盘刀具及液压系统的疲劳破坏。

在软岩地层掘进时，由于地层较软，滚刀容易贯入，因此，掘进速度主要受扭矩控制。此时转速有两种选择：选择较小推力，贯入度较小，加大刀盘转速；选择较大推力，贯入度较大，扭矩大，此时减小刀盘转速，以免刀盘过载。

为了验证上述分析结果，选择572—581环为试验段，该地层为全断面微风化泥岩层。572—576环刀盘转速设定为2.0 r/min，刀盘推进速度控制在40～50 mm/min，其贯入度与掘进扭矩之间的关系曲线如图5(a)所示。扭矩平均值为1 400 kN·m，扭矩曲线较为平稳。577—581环刀盘转速设定为3.6 r/min，刀盘推进速度控制在40～50 mm/min，贯入度保持在10.8～13.9 mm，其贯入度与掘进扭矩之间的关系曲线如图5（b）所示。扭矩平均值为1 250 kN·m，扭矩曲线波动较大。虽然低转速、高贯入度平均扭矩值较大，但其不超过总扭矩的50%，能保持盾构的正常掘进。高转速、低贯入度，虽然平均扭矩较小，但由于贯入度值较小，且刀具磨损轨迹变长，增大了滚刀的磨损，且刀盘转速加快，刀圈在软硬不均地层所承受的冲击力大，增加了刀圈发生崩裂的频率。因而根据上述分析，在红层段掘进应以高贯入度，慢转速为掘进原则。

图5 贯入度与掘进扭矩之间关系曲线

4 结语

结合广佛地铁12标工程，分析了广州“红层”这种特殊地质条件下掘进参数特性和滚刀磨损状况。

1）压柱式镶齿滚刀的耐磨性和防偏磨效果优于普通滚刀，其换刀量约为普通滚刀的一半，适应于在红层中应用。

2）压柱式镶齿滚刀在红层中的刀具磨损系数为77.4，边滚刀一次最长掘进距离可达182 m。

3）在岩层中掘进，需先根据岩层性能确定合适的贯入值，再根据推力与扭矩的额定值，调整推力与转速的大小，使刀盘达到最优的切削状态。

4）在红层中掘进，推荐使用高贯入度，慢转速掘进方案。

[1]竺维彬，鞠世健.广州地铁三号线盾地隧道工程施工技术研究[M].广州：暨南大学出版社，2007.

[2]张厚美.盾构隧道盘形滚刀损坏的原因分析与对策[J].现代隧道技术，2010，47（6）：40－46.

[3]吴起星.复合地层中盾构机滚刀破岩力学分析[D].广州：暨南大学，2011.

[4]张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5]宋克志，王梦恕.复杂岩石地层隧道掘进机操作特性分析[J].土木工程学报，2012（5）：176－182.