全断面硬岩盾构刀具磨损机理分析及控制措施

周静增，赖金辉，王建华，戴敏泽，谢逢之

（1.杭州市建设工程质量安全监督总站，浙江 杭州 310005；2.上海地铁咨询监理科技有限公司，上海 200032；3.杭州市地铁集团有限责任公司，浙江 杭州 310003）

当前我国地下空间建设已进入高潮，在城市快速路和城市轨道交通隧道建设施工中，盾构法施工工艺占有重大比例。在实际工程施工过程中，因为盾构机刀盘刀具磨损过快，不仅增加了施工成本，而且更换刀具过程中安全生产事故时有发生。特别是在一些跨江过湖越海隧道施工中，因水压较高，地质复杂，频繁更换刀具将面临更大工程施工风险，因此刀具配置与地层之间的适应性研究显得尤为重要。

盾构刀具的磨损是岩体与刀具相互作用的结果，刀具磨损的影响因素复杂，地质、参数设定、地下水、刀具配置、姿态控制、泡沫使用、刀具自身材料及形状等都对刀具磨损有影响。为真实反映刀具破岩过程，夏毅敏等［1］使用有限元建立非线性弹塑性本构模型岩体和刀具相互作用三维模型并进行分析计算，真实地反映了刀具磨损和岩石碎裂动态过程，结果表明岩石破碎主要由拉伸裂纹和裂纹延伸构成。

利用摩擦学原理，吴俊等［2］结合CSM模型，基于理想岩体模型［3］，通过力学分析和理论推导，得出滚刀和切刀磨损量预测计算公式，通过工程验证，结果精度较高。王旭等［3］考虑刀具受力和地质因素，对刀具磨损进行分析，并认为建立预测分析模型应综合考虑地质和机械因素等不可控因素。竺维彬等［4］认为刀具磨损主要分为均匀磨损和单边磨损、多边磨损、刀圈崩裂等非均匀磨损，综合考虑岩石硬度、强度、研磨性节理发育、石英含量对刀具磨粒磨损进行定性分析，对不同岩层下滚刀间距和刀具高差给出了建议值并提出了磨损的工程控制措施。张照煌［5］将滚刀运动分解为三个方向，得出侧向位移对刀具磨损影响最大，同时也给出了破岩点弧长与磨损量之间存在一定的正比关系。张厚美［6］从刀具设计制造、维修装配、掘进使用等阶段提出减少滚刀磨损的控制措施。

本文综合分析盾构机在岩层地层掘进过程中，盾构刀具磨损的机理基础之上，对采用两种不同计算模型对杭州某区间的盾构刀具磨损进行计算分析，根据计算结果，分析影响刀具磨损的各种因素，提出工程施工过程中各种控制措施，为刀具选型、设计和施工控制刀具磨损提供依据。

1 刀具磨损机理分析

1.1 岩体破碎机理

滚压刀具的工作原理主要是依靠刀具推力来冲击挤压岩层；再加上刀具旋转扭矩连续滚压破岩，这类刀具在掘进过程中会随刀盘一起公转，同时自身还绕刀轴进行自转。刀具磨损是刀具与岩体相互作用的结果，盾构刀盘施加一个压力在刀具上，刀具在这个压力的作用下，挤压岩石，当岩石受到其拉应力和剪应力超出岩石材料力学指标时，岩石碎裂，刀具挤压岩石过程岩石也对刀具施加一个反作用力，导致刀具磨损。

岩石破碎过程分为两种机制：第一种为切削机制；第二种为挤压破碎机制。

切削过程中，刀盘施加一个垂直刀盘的压力和一个沿着刀具轨迹线切向水平分力，刀尖下端岩石因应力集中产生多条裂纹，刀尖前端因应力集中在岩石最大主应力方向产生裂纹，随着刀具前进，最大剪应力超出岩石抗剪强度时，出现剪切裂纹，裂纹扩展至岩石表面时岩石断裂，刀具对岩体完成一次切削过程。

挤压切削过程就是刀盘施加垂直作用力将刀具压入岩石自由面的过程（即盾构掘进过程中的贯入度），根据岩石破碎过程分为以下三个阶段：1）挤压阶段。刀具刚接触岩体表面时，岩体表面弹性变形，随着刀具压入，弹性变形变为塑性变形，岩石破坏，刀具下方形成破碎区域，超出贯入度，即贯入度范围内岩石破碎。2）开裂阶段。破碎区周围形成一个应力过渡区。过渡区外侧由于岩石碎裂变形卸荷应力减小，受影响区域岩石仅产生裂纹。3）破碎切削阶段。当相邻刀具压入岩体周边裂纹相互连通形成断裂面时，岩体脱落。岩体破损过程见图1。

图1 岩体在刀具左右下破裂过程

1.2 刀具磨损机理

工程实践中刀具磨损主要表现为均匀磨损和偏磨、弦磨、刀圈崩裂等非均匀磨损，见图2。

图2 刀具磨损主要形式

刀具磨损过程主要是刀具和岩体相互作用的结果，表现为岩石破碎和刀具磨损，本质是荷载反复作用下能量转换和能量消散的过程。基于摩擦学理论，磨损机制分为磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损。刀具实际磨损过程通常不是单一形式出现，是几种磨损相互作用的结果。

刀具的磨粒磨损主要表现为刀具与岩体相对位移过程中，刀圈贯入岩体时，岩体由弹性变形过渡到塑性变形，岩体隆起脱落，刀圈在贯入过程中承受刀圈正面岩体中硬粒的嵌入作用和来自隆起岩体中硬粒在刀圈上的作用，在刀圈上形成犁沟，反复作用导致刀具磨损。粘着磨损是指刀具贯入岩体时，硬粒压入刀具表面并形成黏着点，刀具旋转或者运动时，硬粒在切向应力作用下黏着点脱落，刀具磨损。刀具在岩体应力的反复作用下，刀具承受岩体反作用力产生疲劳磨损，刀圈断裂。

2 刀具磨损预测计算模型

2.1 刀具磨损预测模型共性分析

2.1.1 预测模型共性分析

由表1可知，各种预测模型均考虑了岩石的强度和磨蚀值。磨蚀值采用CERCHAR实验仪测定值或者挪威磨蚀测定AV，在一定程度上考虑了岩石的节理发育。由于刀具磨损影响因素很多，相互作用受力较复杂，目前没有成熟的理论计算公式，刀具磨损量预测只是根据经验统计处理后的结果，每种模型都有严格的假设条件，对于相同条件下的预测结果相对准确，适应条件苛刻。见表1。

表1 各种刀具磨损预测模型

2.1.2 预测模型适用性分析

1）模型中的人为因素。

刀具破岩的动力由盾构刀盘施加，贯入度即每次刀具入岩深度都是人为控制，由磨损机理分析可知，岩石破碎隆起对刀具两侧的磨损速度有着重要影响，同时刀具正面压力大小直接决定粘着磨损的速度。因此盾构掘进过程中的人为控制的参数如贯入度、转速、掘进速度等对刀具磨损预测而言是个不可控因素。进一步说明经验公式的局限性和理论计算公式的适用范围。

2）岩体的不均匀性。

岩体的不均匀性反映在岩体的节理发育和岩体硬粒含量。岩石破碎是交界面的破碎，颗粒本身不碎，颗粒硬度、尖锐度、尺寸、塑性和耐磨性对刀具的磨损都有影响。工程实践中岩土均匀性不可控，故在一定程度上限制了经验公式的适用范围。

3）刀位的影响。

刀盘旋转过程中，刀位不同导致刀具线速度不同，每个刀位破岩点运动弧长就不同，刀位越大破岩点弧长越大，刀具磨损就越大。

4）刀具各部件质量。

滚刀有刀圈、轮毂、轴及轴密封等构成，密封失效、轮毂变形都会造成刀圈磨损，磨损量预测需首先排除此类因素影响。同时装配扭矩和刀具直径、刀具数量（刀间距）也对刀具磨损影响较大。

3 模型的工程验证及影响因素分析

3.1 工程验证思路

结合杭州某地铁隧道区间现场实测，对刀具磨损数值进行预测计算，改变各个计算参数，对比实测和不同参数取值计算结果找出影响因素，为工程控制提供依据。

3.2 区间概况

区间采用铁建重工两台ZTE7180土压平衡盾构机，中心开口率45%，中心滚刀4把，正面滚刀30把，边缘滚刀12把，切刀36把，边缘切刀12把。盾构穿越地层为全断面中风化凝灰岩，室内岩石天然单轴抗压强度范围值为17.70～94.9 MPa，平均值为35.57 MPa，标准值为35.0 MPa，属较硬岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为Ⅳ级。管片型号6900／6100-1500 mm。选取其中10把，掘进环号为89环～189环。现场实测刀具磨损统计见表2。

表2 杭州某地铁盾构区间滚刀磨损统计

3.3 计算模型

3.3.1 经验公式

刀具磨损量经验公式见式（1）。

式中：δ为磨损量，mm；

K为摩擦系数，mm／km，中风化凝灰岩取值75×10-3，mm／km；

D为盾构刀盘外径，7.18 m；

N为刀盘的转动速度，1.7 rad／min；

L为掘进距离，150 m；

V为掘进速度，1.5 cm／min。

代入式（1）计算刀具磨损量为：28.7 mm。

3.3.2 半经验半理论公式

式（2）预测分析受力模型见图3。根据表2数据，代入相关数据进行回归计算得出a=0.76，b=0.20，c=0.04，计算结果和文献［3］基本一致，磨损值误差在20%以内。由此可以看出，刀具磨损中，磨粒磨损在刀具磨损中占比重最大，粘着磨损占比次之，疲劳磨损占比最小。

图3 模型计算受力简图

3.3.3 影响因素分析

1）式（2）计算结果更接近实测值，主要是式（2）中考虑破岩点弧长，并细化磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损。式（1）中没有考虑岩体多样性，是根据数据统计分析的经验公式，相对精度较低，见图4。

图4 实测值与理论值对比

2）式（2）中改变刀间距S由100 mm变为75 mm，计算结果为a=0.71，b=0.25，c=0.04，结果表明，刀间距变小，磨粒磨损对刀具磨损占比减小，粘着磨损对刀具磨损占比增加，疲劳磨损对刀具磨损占比基本不变。

4 刀具磨损的应对措施

4.1 刀具设计制造

4.1.1 合理控制刀间距

根据磨损机理分析，破岩点破岩弧长越长，刀具磨损越大，刀间距越小，越有利于减少刀具磨损，故建议刀位数值较大位置采用较小的刀间距以弥补破岩点弧长较大产生的磨损。

4.1.2 保证加工材料和精度

保证刀具加工使用的材料，各个部件之间的尺寸配合等。在刀具装配时采用合适的紧固扭矩，防止启动扭矩过大而导致偏磨。

4.2 施工阶段

4.2.1 全断面硬岩掘进参数

采用敞开模式掘进，刀盘转速1.5～1.7 r／min，扭矩2 000～2 500 kN·m，掘进速度8～12 mm／min，总推力1 500～1 700 t。停止掘进后恢复掘进时，控制掘进速度在10 mm／min以内，防止刀圈崩裂。

4.2.2 刀具管理和刀具更换

刀具主要检查拉杆是否松动，根据磨损规律，可以将边缘刀具向较中位值更换，合理利用刀具。

4.2.3 渣土改良

适当加注泡沫剂，有助于降低刀盘扭矩和刀具温度，便于出渣。

5 结 语

刀具磨损过程受力状况较复杂，并且认为控制因素对刀具磨损影响较大，各种经验公式或者理论公式都有严格假设条件，因此只能通过修正接近实测值，通过刀具磨损机理分析和预测磨损计算得出以下结论：

1）通过理论计算分析，刀具磨损中，磨粒磨损占比最大，粘着磨损占比次之，疲劳磨损占比最小。刀间距减小有助于相邻刀具产生的裂纹交叉，形成破碎面，提高掘进效率，减少刀具磨损。

2）刀具磨损计算中刀具贯入度、转速和盾构掘进速度等为人为控制，且对刀具磨损影响较大，因此刀具应根据岩体力学性质计算后配置，主要包括刀间距、刀圈厚度。刀号大的刀具适当减少刀间距，刀号小的位置适当增加刀间距，这样就可以减少换刀次数，节约工期和工程成本。

3）全断面硬岩段控制措施主要为：设置合理的掘进参数以及合理加注泡沫剂保护刀具，减少人为原因导致刀圈磨损。掘进期间设定合理刀具检查和更换周期，防止岩体不均导致个别刀具偏磨而加速相同位置刀具的磨损。