上软下硬花岗岩地层盾构刀具减磨措施研究*

黄和平

(深圳铁路投资建设集团有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

目前，地下工程施工方法主要包括明挖法、矿山法及盾构法，其中，明挖法施工较简单，但对城市环境及道路的影响较大，不宜在城市繁华地区施工；矿山法对施工技术的要求高，且工期较长、成本较高，同样不宜在城市繁华地区施工；盾构法因对地层适应性较好，且对周围环境干扰小、安全、高效，已成为城市地下工程施工首选方法。盾构作为盾构法施工主要机械，集切削岩土、输送渣土、衬砌拼装等功能于一体，具有良好施工便利性。

刀具作为盾构掘进破碎、切削岩土的关键，近年来，多位学者对刀具磨损问题进行了研究，如杨书江对盾构在硬岩地层中的施工适应性进行了专项研究，掌握了硬岩条件下刀具设计技术与布置方法；刘士铭等对现有各类刀具磨损监测方法工作原理进行了总结，并分析了磨损信息传递特点；刘招伟等提出了上部软土、下部极硬岩复合地层盾构快速掘进方法，解决了复合地层盾构推力大、易结泥饼、刀具易损坏和破岩效率低等难题；包建新通过分析刀盘、刀具选型和磨损问题,总结了上软下硬复合地层刀盘、刀具优化方案。但目前对于刀具磨损的研究主要集中在均质岩层，较少涉及上软下硬复合地层。实际上，城市地下工程施工过程中常遇上软下硬复合地层。因此，本文以深圳地铁6号线银湖站—八卦岭站区间盾构施工为例，对上软下硬花岗岩地层盾构刀具磨损情况进行分析评价，提出合适的刀具配置及参数，并给出刀具检查和更换频次。

1 工程概况

1.1 设计概况

深圳地铁6号线银湖站—八卦岭站区间隧道左线起讫里程为ZDK6+691.361—ZDK6+783.258，长91.897m；右线起讫里程为YDK6+685.104—YDK6+738.258，长53.154m。区间线路曲线半径为500m，线间距13～16.2m。隧道纵向坡度为28‰，轨面标高为-0.110～-2.674m，覆土厚17～19m。隧道采用马蹄形断面，净宽5 200mm，净高5 770mm。

1.2 工程地质条件

银湖站—八卦岭站区间存在80%上软下硬段，主要穿越①5素填土、④10粗砂、④13卵石、⑦1-2硬塑状砾质黏性土、⑧1全风化粗粒花岗岩、⑧2-1强风化粗粒花岗岩(砂土状)、2-1强风化碎裂岩(砂土状)、⑧2-2强风化粗粒花岗岩(碎块状)、⑧3中等风化粗粒花岗岩。掘进范围上部80%属于全、强风化粗粒花岗岩，岩层强度30～50MPa，受地下水影响易遇水崩解；下卧岩层为强度60～120MPa的中、微风化花岗岩地层。中风化花岗岩岩石质量指标为50%～75%，局部为15%～50%，微风化花岗岩岩石质量指标为75%～95%，属于典型的上软下硬地层。

2 施工难点

银湖站—八卦岭站区间地质条件复杂，上软下硬段下穿运营线，穿越长度达46m，最小净距仅1.83m，且上部岩层和下卧岩层强度差异较大，盾构掘进困难，施工难度大。

上软下硬地层属于不良地质，盾构掘进时，由于开挖面岩体强度存在差异，导致刀具作用力分布不平衡，造成刀具磨损、刀头阻塞、刀盘振动、地表沉降等问题，对盾构掘进不利。

3 刀具磨损特性

针对地层特点，采用φ6 280mm复合式土压平衡盾构，刀盘为六辐条+面板形式，可增加刀盘强度。通过受力分析对刀具进行合理布置，中心滚刀配置1把4联单刃滚刀(1～4号)，刀盘中心区域配置4把双联双刃滚刀(5～12号)，刀间距90mm；面板正面配置20把单刃正面滚刀(13～32号)，刀间距75mm；面板周边配置11把周边单刃滚刀(33～43号)和2把保径刀(44，45号)，刀间距16～70mm，可有效破岩。刀盘面及刀具编号如图1所示。刀盘驱动功率960kW，刀盘正面及周边焊接耐磨钢板，防止刀盘磨损。

图1 刀具布置示意

上软下硬地层中刀具普遍存在偏磨现象，且周边刀磨损尤为严重，部分刀刃甚至出现崩裂、脱落现象。由于最外圈滚刀切削轨迹线较长，故磨损量较刀盘中心位置刀具大。同时，刀具切削产生的高温热量使位于刀架上的黏土固结，导致滚刀无法自转，这是造成刀具偏磨的主要原因，刀具磨损情况如图2所示。

图2 刀具磨损情况

4 刀具配置优化

根据刀具磨损特性，分2个阶段进行刀具配置优化。

1)第1阶段 将1～28，41～43号刀具更换为刀圈洛氏硬度HRC为55～57、冲击功为30J的高韧性型刀具，将29～40，44～45号刀具更换为刀圈洛氏硬度HRC为60～64、冲击功为20J的重型刀具，采用土压平衡模式掘进54m(36环)后，到达主动开仓检查位置，带压开仓检查刀具，检测数据如表1所示。

表1 第1阶段刀具磨损情况

2)第2阶段 将第1阶段磨损量较大的15～23，25～28，41～43号刀具更换为刀圈洛氏硬度HRC为60～64、冲击功为20J的重型刀具，将29～40，44～45号刀具更换为刀圈洛氏硬度HRC为55～57、冲击功为30J的高韧性型刀具，采用土压平衡模式掘进60m(40环)后，到达主动开仓检查位置，带压开仓检查刀具，检测数据如表2所示。

表2 第2阶段刀具磨损情况

由表1，2可知，各刀具均为正常磨损，正面刀磨损量随着切削轨迹的增加呈递增趋势，在变轨迹处达最大；周边刀受刀间距影响，磨损量随着切削轨迹的增加呈递减趋势，但总体磨损量差距较小。

由表1可知，对于第1阶段，中心区域滚刀(1～12号)和面板正面滚刀(13～32号)最大磨损量为20mm，其中磨损量>10mm的刀具共16把，占比达50%；满足更换条件(磨损量达15mm)的共7把，占比达22%。面板周边刀具(33～45号)最大磨损量为15mm，其中磨损量>10mm的刀具共3把，占比达23%；满足更换条件的刀具1把，占比达8%。受刀圈硬度影响，高韧性型刀具磨损量较重型刀具大2～3mm。

由表2可知，第2阶段更换的15～23，25～32号刀具最大磨损量为20mm，其中磨损量>10mm的刀具共4把，占比达24%；满足更换条件的刀具共4把，占比达24%。刀圈硬度提高后，刀具磨损量明显降低，但在变轨迹处，刀圈硬度变化对刀具磨损量的影响较小。第2阶段更换的33～45号刀具最大磨损量为17mm，其中磨损量>10mm的刀具共8把，占比达62%。随着刀圈硬度的降低，周边刀磨损量增大2～3mm。

未出现刀圈偏磨情况，说明在掘进参数基本相同的情况下，刀圈韧性、密封性、启动扭矩均较合适。

5 刀具更换与检查

5.1 更换标准

盾构掘进时，主要依靠滚刀破岩，刮刀以滑动式碾压开挖参与掌子面切削，周边刀起控制开挖轮廓线的作用，保径刀主要起扩挖、保径作用。

1)刮刀

如果盾构掘进速度超过滚刀与刮刀高差，易造成正面刮刀直接接触掌子面，在阻力、摩擦力等作用下，增加了仓内温度，出现结泥饼、刮刀异常磨损或失效等现象，阻力过大时可能导致刮刀掉落，影响滚刀正常使用。因此，需严格控制滚刀与刮刀高差，并考虑刀圈磨损后性能参数变化、掌子面凸凹不平等因素的影响。本工程滚刀与刮刀高差为45mm，可将中心单刃滚刀、中心区域双刃滚刀理论磨损量设为35mm。

2)周边刀

周边刀磨损主要表现为滚刀破岩沉渣造成较严重的刀身二次磨损。因周边刀与正面刀功能不同，且未直接接触开挖掌子面，其最大磨损量与正面刀不同，根据切削轨迹，可将周边刀理论磨损量设为15mm。

3)保径刀

为保证刀盘顺利通过，防止卡盾或刀盘磨损，可将保径刀理论磨损量设为10mm。

在刀具理论磨损量的基础上，还应考虑掘进参数对刀具磨损量的影响，经研究，得到刀具控制磨损量，如表3所示。

表3 刀具控制磨损量 mm

5.2 检查与更换频次

遵循“勤开仓、勤检查”原则进行刀具检查，本工程最短检查距离为15m，最长检查距离为70.5m，检查距离多为37.5～45m。

本工程盾构连续掘进40～50m时，正面刀磨损量达控制值的80%，周边刀、保径刀磨损量达控制值的80%～100%，部分刀具已达更换标准。如果继续掘进，将影响掘进效率，甚至造成卡盾等严重后果。经研究，建议盾构连续掘进40～45m时进行刀具检查与更换，同时，应结合沿线地质条件和地面建筑物情况，设置合理的主动检查、换刀点，减少被动检查、换刀作业，以降低施工风险，提高施工效率。

6 结语

本文通过对上软下硬花岗岩地层盾构掘进施工中刀具配置、刀具磨损特性的研究，得出以下结论。

1)确定刀具控制磨损量时，需综合考虑刀具工作特性、磨损后性能参数变化、接触地层形状、岩层质量等。刀具磨损量达到控制值后，应及时更换，避免增大盾构机电系统和相邻刀具的负担。

2)通过对刀具磨损情况进行动态分析，发现正面刀磨损量随着切削轨迹的增加呈递增趋势，在变轨迹处达最大；周边刀受刀间距影响，磨损量随着切削轨迹的增加呈递减趋势，但总体磨损量差距较小。

3)通过对实际施工情况进行总结分析，为适应上软下硬花岗岩地层，建议盾构连续掘进40～45m时进行刀具检查与更换，同时，应结合沿线地质条件和地面建筑物情况，设置合理的主动检查、换刀点，减少被动检查、换刀作业，以降低施工风险，提高施工效率。