兰州地铁砂卵石地层土压平衡盾构刀具使用寿命延长技术

刘　奇, 靳世鹤，2

(1. 兰州市轨道交通有限公司， 甘肃 兰州　730030； 2. 兰州交通大学， 甘肃 兰州　730070)



兰州地铁砂卵石地层土压平衡盾构刀具使用寿命延长技术

刘奇1, 靳世鹤1，2

(1. 兰州市轨道交通有限公司， 甘肃 兰州730030； 2. 兰州交通大学， 甘肃 兰州730070)

为了降低刀具的磨损，延长刀具的使用寿命，以兰州地铁工程施工案例为背景，对土压平衡盾构在砂卵石地层中掘进刀具磨损的问题进行了跟踪研究。通过理论计算与工程实际对比分析得出刀具的磨损规律，在刀盘设计和刀具组合等研究成果的基础上，对渣土改良、盾构掘进参数、盾构姿态和一般欠土压模式掘进等控制措施进行了系统的研究和实践，成功地延长了刀具使用寿命，减少了刀具更换的次数，加快了工程进度并降低了工程成本；同时，解决了土压平衡盾构在砂卵石地层掘进刀盘被卡、地面沉降控制等技术难题。

兰州地铁； 土压平衡盾构； 砂卵石地层； 刀具寿命

0　引言

土压平衡盾构在富水砂卵石地层中掘进，刀具磨损快，更换频繁。由于砂卵石会跟随盾构刀盘的旋转而转动，且粒径较大、强度较硬、石英含量较高，这就加大了对盾构刀盘、刀具的冲击破坏和磨损；同时卵石易在开挖舱大量积聚而“卡死”刀盘，造成盾构长时间停机，无法连续掘进。如何延长刀具的使用寿命以及减少刀具的更换频率是研究的重点。国外，R.Teale提出了比能的概念，阐述了盾构推力和扭矩对破岩的作用机制[1]，并提出了刀具刀刃角的改进意见[2]；文献[3-4] 研究了掘进过程中的法向力FN和切向力FR的操作关系，使得刀盘掘进达到最优的切削状态；F. F.Roxborough等[5]研究了岩体节理、开度及频度对切削的影响。国内，张明富等[6]对砂卵石地层盾构刀具动态磨损进行了研究分析，建立了刀具掘进的磨损量与掘进距离数学关系式；宋克志等[7]对盾构刀具切削机制进行了研究并提出了改进措施；欧阳涛[8]对盾构刀具组合破岩的力学特性进行了研究，为刀盘刀具设计以及研究刀盘刀具受力变化规律提供力学基础；杨书江等[9]依托成都地铁工程研究了富水砂卵石地层中刀具磨损的原因以及改进措施；管会生等[10]介绍了刀具寿命预测分析的方法，总结了刀具磨损的原因和影响因素，给出了提高刀具寿命和降低刀具磨损的建议；王振飞等[11]对砂卵石地层中的刀具磨损的原因进行了分析，并针对刀具材质、设计及工艺方面提出了刀具使用寿命延长的措施；郭玉海[12]从刀盘设计、渣土改良方面提出了土压式盾构在无水砂卵石地层中掘进提高刀具耐用性的措施。

由于黄河东西向贯穿，因而，兰州具有非常明显的砂卵石地层特点，地层中富含水，卵石含量达到 70%～80%，局部分布一定的漂石，并时常见直径达600 mm以上的大粒径块石。在兰州地铁工程盾构掘进中，刀具不断被砂、卵石及漂石磨损和撞击，刀具损害严重，使得盾构无法继续掘进，必须要进行刀具更换，但是受到地层及周边环境等因素影响，开挖面不利于加固并使之稳定，一般不具备常压换刀的条件，而压气作业因为砂卵石地层透气性强及土舱压力平衡难以建立等原因不易实施。另外，采用舱内潜水作业，因无法短期内培养相关技术人员故无法实施。因此，及时开展刀具磨损研究，延长刀具使用寿命，减少刀具更换频率显得非常必要和迫切。本文在前人对盾构刀盘以及刀具的耐磨设计研究的基础上，重点对盾构施工过程中，在盾构掘进参数控制、盾构姿态控制、渣土改良以及充分掌握地层的自稳能力、有效控制地表沉降的前提下，合理利用欠土压掘进模式来降低刀具的磨损性进行了系统的研究，取得了良好的效果。

1　土压平衡盾构在砂卵石地层施工难点

兰州地铁1号线土压平衡盾构在砂卵石地层中掘进时，刀盘不仅受到开挖面卵石的摩阻力，同时也受到开挖舱集聚的卵石和漂石的摩阻力，如图1所示。刀盘时常被卡难以转动，土舱难以建立土压平衡，开挖面难以稳定，造成地表沉降[13]，危及地面建筑物的安全，施工难度极大。

图1　刀盘“肉夹馍”示意图

兰州地铁1号线1期工程盾构隧道开挖面卵石成窝状堆积。现场随机抽取1 m3渣土进行分析，结果见表1。

表1　隧道开挖面渣土分析结果

隧道开挖面的卵石、漂石有横向分布的(1类型)，也有纵向分布的(2类型)，见图2。在盾构掘进时，1类型卵石、漂石易被滚刀压断和扰动脱落，跟随刀盘转动；2类型卵石、漂石因为纵向分布在开挖面，在开挖面镶嵌牢固，不易被开挖且造成刀具冲击破坏比较严重。正是因为1类型和2类型卵石、漂石的大量存在以及在刀盘舱的大量堆积，使得土压盾构掘进功效低，月进尺不到100 m，严重影响了工程进度。

图2　开挖面分布的卵石、漂石

2　土压平衡盾构砂卵石地层掘进刀具磨损量计算

盾构掘进过程中，刀盘最外圈的刀具处于最不利的位置，磨损最为严重，外圈刀具磨损严重或失效后，刀盘开挖直径变小，推进速度会明显减小。因此，对刀盘最外圈的刀具磨损量的及时掌握，对盾构掘进至关重要。刀盘最外圈的刀具磨损量的推测值

δ=(k×π×D×N×L)/v。

式中：k为磨损系数，取0.035 mm/km；D为盾构外径,6.48 m;N为刀盘转速，1.7 r/min；L为刀具切削长度，0.38 km；v为掘进速度，0.02 m/min。

根据计算,得δ=23 mm。在砂卵石地层中，当盾构掘进完成380 m时，刀盘边缘的滚刀磨损量达到23 mm，这与试验段盾构掘进刀具磨损情况基本吻合。当刀具的磨损量超过20 mm时，必须进行更换。而此时地层是不稳定的，必须进行地层降水和加固处理才能进舱更换刀具，这不仅耽误工期，同时增加了工程成本，因此开展砂卵石地层盾构掘进刀具的使用寿命延长措施研究显得非常必要。

3　砂卵石地层土压平衡盾构掘进刀具寿命延长措施研究

3.1刀盘开口率设计

为了让刀盘前方的卵石、漂石不产生堆积和撞击刀具，及时地进入到土舱，需要设计较大的刀盘开口率，但是由于螺旋机设计最大直径为900 mm，最大通过的卵石粒径为450 mm，因此为了保证砂卵石的出碴顺畅，并考虑到刀盘开口率对掌子面稳定性的影响，兰州地铁土压盾构的刀盘开口率设计为35%，刀盘开口位置在最宽为600 mm处，刀盘开口位置不设置格栅，见图3。这样有利于开挖面长条形的卵石尽快进入到土舱，避免在刀盘前方集聚并影响刀盘顺利掘进，也减少了卵石对刀盘的撞击和磨损，延长了刀具的使用寿命。

图3　1/4刀盘

3.2刀具的设计和组合

合理的刀间距设计，能够使开挖下来的渣土合理流动，并及时进入到土舱内。在土压盾构刀盘上不仅安装了一定数量的耐磨损切刀、刮刀和贝壳刀，同时增加了滚刀的数量。通过滚刀、切刀和刮刀的组合(见表2)增强了刀具的耐磨性，延长了刀具的使用寿命。

表2　刀具数量、类型统计

在盾构刀具设计时，科学的刀具布局，合理的刀具高度差设置，使得刀具分层次作用于开挖面，充分发挥了滚刀的破岩、防撞击作用，使得切刀的开挖寿命得以延长。

以刀盘正面的宽切刀刀高为基准面，配置了边缘刮刀、贝壳刀、中心(正面)滚刀，刀具高度差分别是+5、+20、+44 mm，见表3。

表3　刀具高度差配置

3.3掘进参数设计

在盾构掘进中，刀盘转速控制在1.7 r/min以内，掘进速度控制在35 mm/min，刀盘扭矩控制在3 000～4 000 kN·m。若刀盘扭矩大于该范围，必须停止掘进，增加泡沫和膨润土的注入量，空转刀盘，降低扭矩后再掘进；若刀盘的转速和掘进速度设定的太快，大粒径卵石和漂石很容易撞落刀具，卡住刀盘，甚至损害盾构设备。因此，采取“刀盘慢转速，推进慢进尺”的指导思想，不仅能较好地保护刀具，同时可以防止刀盘被卡。

3.4盾构姿态控制

控制好盾构姿态，让刀盘均匀受力，可防止滚刀发生偏磨。若盾构姿态控制的不好，在曲线纠偏的过程中，滚刀在不同的位置受力不均，在受推力大的位置容易被卡死，发生偏磨[14]，见图4。尤其是边缘滚刀，由于线速度大故更容易被磨损，严重时甚至会造成刀毂被磨穿，使得刀具的使用寿命大大降低。

图4　滚刀偏磨

3.5一般欠土压模式掘进

目前不可能通过大幅度地提高盾构的设计扭矩来解决砂卵石地层盾构刀盘被卡的问题，因此，采用欠土压模式掘进同时把地表沉降控制在要求的范围之内，是工程建设的实际需要。如果不采用欠土压模式，而是采用传统的土压平衡模式，在高含量砂卵石地层中盾构掘进时，刀盘正反两面同时受到卵石和漂石的摩阻力，很难转动，致使刀盘被卡而无法掘进，如果盲目推进，易使刀盘主驱动齿轮箱保险轴损坏。

通过在砂卵石地层土压盾构掘进试验，得到不同盾构土舱压力下地表沉降曲线如图5所示。当盾构伪压(也称无压)掘进时，地表沉降最大，达到41 mm左右；其次为严重欠压掘进时，地表沉降达到35 mm；再次为一般欠压掘进时，地表沉降达到26 mm；而保压掘进时地表沉降最小，为14 mm。

图5　不同盾构土舱压力下地表沉降值

通过分析土压盾构土舱压力与地表沉降的关系可知，当盾构采用一般欠土压掘进模式时，可以把地表沉降控制在规范要求的30 mm以内，这充分说明，砂卵石地层的稳定性较好，成拱效应明显。尽管采用欠土压模式掘进，但是在卵石地层，只要充分掌握地层的自成拱效应，不仅能够较好地控制地表沉降，也能解决刀盘被卡的技术难题，同时也降低了刀具的磨损量，延长了刀具的使用寿命，经济和技术效果明显。

3.6利用泡沫和膨润土进行渣土改良

渣土改良是一项成熟的技术，渣土改良效果的好坏，直接影响着盾构掘进的功效[15]，对延长刀具使用寿命至关重要。

泡沫。向刀盘前方注射泡沫，泡沫在刀具表面形成一层润滑膜，使得渣土的流动性明显增强，减小了刀具与开挖面渣土的摩阻力。

膨润土。在盾构掘进时，向土舱及时注射膨润土，使得土舱内的渣土具有更好的和易性和流动性，防止渣水分离造成土舱内渣土固结堆积并对刀具造成磨损和碰撞。

通过向土压盾构开挖舱注射1∶5的优质膨润土浆液(见图6)，使得渣土的黏性、和易性和流动性明显改善。膨润土浆液对盾构刀具起到降温、润滑的作用，减少了刀具的磨损，延长了刀具的使用寿命。

3.7注射膨润土辅助建立土压

在富水砂卵石地层掘进时，如果采用土压平衡模式，盾构刀盘极易被卡而无法脱困[16]，因此，采用一般的欠土压模式掘进。当盾构掘进中临时停机安装管片或因其他特殊情况需要较长时间停机时，虽然砂卵石地层稳定性较好，但是由于长时间停机，开挖面在地下水渗流的作用下，极易发生失稳塌陷，造成地表沉降难以控制，极易引发安全事故。

图6　膨润土浆液

因此，在盾构停机前向土舱内注射一定量的膨润土(膨润土数量根据地层的微颗粒数量以及地下水量的多少来确定，本工程通过试验确定7 m31∶5的膨润土浆液为最佳，而注射太多膨润土则会造成螺旋机喷涌，出渣困难)，补充欠土压模式下的土舱压力不足，辅助提高土舱的压力，以便平衡开挖面；同时也有效降低了停机后刀盘重新启动时的高扭矩需求[17]，减缓了对刀具的瞬间冲击，延长了刀具的使用寿命。

4　结论与讨论

1)通过盾构掘进参数和姿态控制、渣土改良以及合理利用欠土压模式掘进等措施，使得刀具的磨损系数降为0.03 mm/km。在掘进速度为35 mm/min、盾构掘进长度为500 m时，刀盘的边缘滚刀的磨损量平均为16 mm。这说明对刀具的减摩效果明显，证明采取的技术措施是可行的。

2)在盾构刀盘设计之前，必须要对工程地质勘探清楚，因为地质是盾构设计的基础，只有这样，盾构刀盘的设计和刀具的配置才有针对性。

3)渣土改良对刀具的减摩作用，在不同的工程实践中，因水文地质状况不同，应通过试验来确定渣土改良的配方。采用科学的施工措施对延长刀具的使用寿命是很有帮助的，该项研究还需要进一步深入。

4)合理地设定盾构掘进参数、控制好盾构掘进姿态，会使得盾构掘进中刀具受力更加合理，尤其是滚刀转动顺畅，防止滚刀偏磨效果比较明显。

5)在砂卵石地层中大幅度提高盾构的掘进扭矩，是解决盾构连续掘进的最有效措施，但是提高盾构掘进扭矩的同时，对盾构自身结构设计将会提出更高的要求，这方面的研究应该及时开展。

6)在砂卵石地层中，盾构采用欠土压模式掘进，如何有效利用地层的自稳性来控制地表沉降，在应用于工程实践之前，需要根据不同的工程地质情况开展试验研究并取得相关的参数。

7)在富水砂卵石地层中，由于受到目前盾构整体设计尺寸限制，无法设计安装更大直径的螺旋机，这也限制了盾构不能设计更大的刀盘开口率或者采用辐条式刀盘形式。这个问题需要及时开展研究，尤其是研究螺旋机的结构形式并进行设计优化。

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Increasing Technologies for Service Life of EPB Shield Cutting Tools Boring in Sandy Cobble Stratum in Lanzhou

LIU Qi1, JIN Shihe1, 2

(1. Lanzhou Rail Transit, Lanzhou 730030, Gansu, China;2.LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,Gansu,China)

The wear of cutting tools of EPB shield boring in sandy cobble stratum in Lanzhou is studied, so as to reduce wear of cutting tools and increase the service life of cutting tools.The wear rules of cutting tools are obtained by making comparison between theoretical calculation results and actual practice. Study is made on technologies, i.e. ground conditioning, boring parameter optimization, shield altitude control and shield boring under inadequate soil stress, on basis of study results of cutterhead design and cutting tool arrangement. The service life of cutting tool has been increased; the cutting tool replacing times have been reduced; the construction schedule has been shortened; and the construction cost has been reduced.

Lanzhou Metro; EPB shield; sandy cobble stratum; cutting tool service life

2015-06-03;

2016-07-27

刘奇(1981—)，男，陕西富平人，2006年毕业于南昌航空大学，土木工程专业，本科，工程师,主要从事地铁土建工程管理工作。E-mail：136865185@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.018

U 455.3+1

B

1672-741X(2016)08-1011-05