盾构施工斜井刀具磨损速率影响因素研究

杨俊哲（神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西榆林719315）

盾构施工斜井刀具磨损速率影响因素研究

杨俊哲（神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西榆林719315）

神华神东补连塔煤矿2#辅运平硐工程首次将盾构工法应用于煤矿斜井工程，本文介绍盾构施工原理及其在隧道施工中的应用情况，以盾构掘进过程刀具磨损速率为研究对象研究了盾构刀具磨损损率的影响因素及影响规律：围岩本身的物理特性，如岩石的强度、耐磨性等对盾构刀具磨损速率的影响规律；盾构运行参数、运行故障以及刀具材质对盾构刀具磨损速率的影响。通过对神华神东补连塔煤矿2#辅运平硐工程盾构施工过程中刀具磨损监测数据的研究分析，从工艺和设备的角度来探讨如何确保盾构掘进过程中刀具的稳定性，为盾构施工工艺的优化、盾构系统的稳定运行及成本控制提供参考依据和更加可靠的保障。

盾构；刀具；磨损速率；影响因素

1 引言

盾构施工工艺因其掘进速度快、环保效益好、综合性能高等优点在我国隧道施工行业中得到了广泛的应用。盾构掘进速率作为盾构施工工艺综合性能评价的唯一参数而备受关注。但由于刀具磨损速率导致盾构掘进速率偏低的原因以及如何解决运行中出现的这个问题一直没有得到解决。

2 盾构工艺的基本原理及应用

盾构本身是集气、电、光、机为一体的复杂施工系统。盾构工艺主要是利用盘形滚刀碎岩推进，是一种集掘进、出渣、支护为一体的流水线施工工艺，该工艺目前已经在国内隧道施工领域得到了广泛应用。

2.1 盾构掘进过程的基本原理

盾构掘进过程实际上就是岩石的破碎和推进过程。在推力作用下，随着刀盘的旋转，盘形滚刀紧压岩石表面[1]。当推力大于岩石的抗压强度时，盘形滚刀直接贯入岩石，将滚刀下的岩石直接破碎，进而在掌子面形成多道同心圆沟槽，随着沟槽深度的增加，岩石表面的裂纹不断加大，当超过岩石的剪切和拉伸强度时，相邻沟槽间的岩石成片状脱落，从而达到碎岩掘进的目的[2]。

2.2 盾构工艺的应用

目前国内投入运行的盾构工艺系统主要由刀盘、盾体、输送系统、液压系统、流体系统及电气系统等系统组成。其中根据不同的地质情况需要对盾构刀具布置进行针对性设计[3]。

3 评价盾构刀具磨损速率的主要参数

神华神东补连塔2#辅运平硐工程首次将盾构应用于煤矿斜井施工，该工程穿过主要包括沉积砂岩、砂质泥岩、泥岩等多个不良地质层。通过管片支护与盾构掘进相结合的方式形成为6.6m的辅助运输通道。刀具单周磨损量作为评价盾构刀具磨损速率的一个重要参数，然而盾构刀具磨损速率的监测与预控直接影响盾构掘进的速率与稳定性。因此，可以根据刀具单周磨损量的大小来评价盾构刀具的磨损速率[4]。

4 影响盾构刀具磨损速率的主要因素

盾构刀具磨损速率受多种因素的影响。围岩本身的物理特性、盾构系统的运行和工艺参数都会对盾构掘进速率造成较大的影响[5]。

4.1 围岩本身的物理特性

围岩本身的物理特性决定了盾构刀具磨损速率的大小。对内蒙神华神东补连塔项目盾构运行工况的研究表明，影响盾构刀具磨损速率的主要物理特性包括：围岩强度、耐磨性等，这些都是都是盾构施工工艺中应该掌握的重要参数。

4.1.1 围岩强度

盾构是利用岩石的抗拉强度和抗剪强度明显小于抗压强度这一特征而设计的，抗压强度的高低是影响盾构刀具磨损速率的关键地质因素之一[6]，表1是对神华神东补连塔煤矿盾构运行工况考察得到的数据。

表1 不同围岩强度下盾构刀具磨损速率

图1 不同围岩强度盾构刀具磨损速率趋势图

从表1的数据及图1的趋势可以看出，一定范围内围岩强度越低，盾构刀具磨损进速率越低，则掘进越快[7]；围岩强度越高，盾构刀具磨损速率越高，则掘进越慢[8]。但是，围岩强度太小，围岩稳定性差，严重影响掘进速度；围岩强度太大，盾构掘进困难，效率低下。

4.1.2 围岩耐磨性

国内外大量盾构施工隧道的工程实践表明，刀具的磨损情况对盾构掘进效率以及掘进的经济性影响很大；而对刀具的磨损判断和预测，仅根据岩石抗压强度是不够的。主要应结合岩石的硬度以及岩石所含石英颗粒的大小、数量来决定（见表2和图2）。

一般情况下，岩石的耐磨性越高，对盾构刀具、刀圈和轴承的磨损程度也越严重，刀具消耗和施工成本就越高，并造成停机换刀次数增加，影响盾构正常掘进，相应的盾构掘进效率也就越低。

4.2 盾构系统的运行

不同的运行参数也影响着盾构刀具磨损速率。通过对比神华神东补连塔项目不同运行参数情况下的盾构刀具磨损速率，总结出不同运行参数下盾构刀具磨损速率的运行规律。

4.2.1 刀盘转矩

刀盘转矩主要受主要受隧道线性与施工地质条件影响。神华神东补连塔煤矿斜井采用-5.5°斜井施工，在一定程度上影响着刀盘转矩，表3列出了不同刀盘转矩下盾构系统的运行特性。

表2 不同围岩耐磨性下盾构刀具磨损速率

图2 不同围岩耐磨性盾构刀具磨损速率趋势图

表3 不同刀盘转矩下盾构刀具磨损速率

图3 不同刀盘转矩盾构刀具磨损速率趋势图

从表3数据及图3趋势可以看出，其他因素一定时。刀盘转矩在452.62kN·m时，盾构刀具磨损速率最大，随着刀盘转矩的加大或减小盾构刀具磨损速率呈下降趋势。

4.2.2 刀盘转速

围岩强度、耐磨性遗迹刀盘转矩一定的情况下，刀盘转速对盾构刀具磨损速率有显著的影响[9]。对给定的刀盘转速，在一定的范围之内，刀盘的转速越快，盾构刀具磨损速率越大，但刀盘转速超过一定范围时，盾构刀具磨损速率减小，表4列出了神华神东补连塔煤矿在不同刀盘转速下盾构的运行特性。转速在4.45rpm时盾构的掘进速率最大，随着刀盘转速的增大或减小，盾构的掘进速率呈下降趋势。

表4 不同刀盘转速下盾构刀具磨损速率

图4 不同刀盘转速盾构刀具磨损速率趋势图

4.2.3 主驱动电机电流

主驱动电机电流是运行中的一个重要参数，其大小反映了主驱动电机的运行工况。电流大时，盾构刀盘的负载大，刀具受到的阻力就越大；电流小时，盾构刀盘的负载小，刀具受到的阻力就越小。因此，施工过程中主驱动电机的电流应该与盾构刀具磨损速率相对应，需控制在一定的范围之内[10]。

4.2.4 推力

盾构推力主要由破岩力、摩擦力与牵引力三部分构成。其他因素一定时，调整盾构推力的大小，一定范围之内，随着盾构推力的不断加大，盾构刀具磨损速率呈上涨趋势，当推力超过一定值时，盾构刀具磨损速率减小。

4.3 其他因素

盾构刀具磨损速率受诸多因素影响，除围岩本身的物理特性与盾构运行参数的影响之外还受到工序衔接、设备定期维护保养等因素的影响。

刀具的更换顺序：

刀具的更换主要由刀具的磨损情况以及地层的稳定性决定。合理的换刀顺序能够将盾构刀具磨损速率控制在一定范围之内，加快盾构的掘进速率，运行中因根据不同的地质条件和刀具磨损情况分析报告实时调整刀具的更换顺序。

5 结论

盾构在隧道施工中主要适用于硬岩隧道的施工。对盾构运行工况的研究表明：①盾构刀具磨损速率主要受围岩物理特性和盾构系统运行操作的影响；②综合上诉因素的影响，在实际的盾构系统运行中，可以从如下几个方面来调整最佳的运行参数以获得盾构刀具最佳磨损速率，进而获得较高的盾构掘进速率：a.盾构系统应在最佳掘进速率下运行，不应轻易调整掘进速率；b.运行过程中应该密切关注围岩物理特性分析报告；c.应保证电机电流、刀盘转矩、刀盘速度与推力在设计的允许范围之内；d.运行中应该时刻关注地下含水及可燃气体检测报告；e.刀盘应定期更换刀具，以保持刀具的最佳状态。

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[2]罗辉平.关于砂卵石地层盾构刀具磨损测试分析[J].城市建设理论研究（电子版），2015，22：8500～8501.

[3]李建斌，王 锴.无刀盘土压平衡盾构概念性设计[J].隧道建设，2014，10：1001～1004.

[4]陈 振.ZrTiN涂层刀具的制备及切削性能研究[D].济南：山东大学，2011.

[5]袁兴泽，李文富，等.盾构掘进速度及影响因素浅析[J].水利建设与管理，2009，4：75～77，82.

[6]侯志友，陈 浩.不同掘进参数对盾构掘进机掘进效率的影响[J].城市建设理论研究（电子版），2011，31：0.

[7]陈 浩.盾构掘进效率与围岩相关性研究[D].成都：西南交通大学，2010.

[8]姜 曦.盾构隧道围岩稳定分析与施工优化理论研究[D].绵阳：西南科技大学，2006.

[9]郭志强.秦岭特长隧道施工关键技术研究[D].天津：天津大学，2002. [10]蒙先君.复合式土压平衡盾构机刀盘常见故障（损坏）原因分析及解决措施[J].隧道建设，2004，2：61～66，73.

从表4数据及图4趋势可以看出，其他因素一定时。刀盘

TD263

A

2095-2066（2016）35-0217-02

2016-11-8

杨俊哲（1964-），男，博士，教授级高工。