盾构隧道穿越全断面硬岩地层刀具磨损分析及控制技术

盾构隧道穿越全断面硬岩地层刀具磨损分析及控制技术

徐相利1,2，宫云鹏1，2，张艺2，夏金枫1

（1.深地科学与工程云龙湖实验室 江苏 徐州 221116；

2.中煤隧道工程有限公司 江苏 徐州 221000）

摘要：在高强度硬岩地层中掘进，刀具磨损量大，换刀频繁。刀具磨损程度的判断、开仓位置的选定以及刀具磨损的控制是盾构施工面临的难题，也关乎施工安全及经济效益。本文以徐州市城市轨道交通3号线二期工程徐钢医院站~下淀站区间盾构掘进为例，研究了刀具更换条件、开仓换刀位置选择，提出盾构隧道穿越全断面硬岩地层刀具磨损控制技术。论文的研究对于全断面硬岩盾构开仓换刀施工、盾构推进控制具有一定的参考价值。

基金项目：深地科学与工程云龙湖实验室资金资助项目（104023006）

0 引言

近年来，随着我国城市地铁的快速发展，盾构法因安全、快速、环保、对周边环境影响小等诸多优点，在地铁隧道建设中得到广泛应用[1-2]。雍毅等[3]针对复杂地层条件下的盾构施工安全风险进行分析，进而合理配置刀具，通过分析盾构施工典型问题并提出了应对措施；赵鑫等[4]对针对上软下硬复合地层对刀具磨损特性进行分析，提出刀具减磨措施；王海峰[5]通过对富水复合地层中盾构刀具非正常损坏问题的研究，提出刀具损坏控制技术；李强等[6]以杭州地铁2号线杭发厂站—人民路站盾构区间隧道工程为背景，对盾构穿越上软下硬复合地层段的刀具磨损情况进行了分析，针对盾构刀具非预见性严重磨损的工况，提出了地基加固结合常压换刀的处理方法；韩冰宇等[7]对深圳地铁9号线区间隧道盾构刀具进行现场磨损监测，分析了不同类型刀具在复合地层中的磨损规律；李雪等[8]分析了南京某越江泥水盾构隧道施工过程中8次换刀刀具磨损情况，系统划分了切削刀具磨损类型，对刀具磨损规律进行了分析；包治强[9]对刀具磨损的现象和原因进行分析，总结了减少刀具磨损的刀具保护技术措施。现有研究多针对上软下硬的复合地层，针对全断面硬岩地层换刀条件判断以及刀具磨损控制研究较少。

本文以徐州市城市轨道交通3号线二期工程徐钢医院站~下淀站区间盾构掘进为例，通过掘进参数的变化分析刀具磨损情况，给出了刀具更换条件的判断及开仓换刀位置的选择，并提出了刀具磨损控制措施。

1 工程概况

徐州市城市轨道交通3号线二期工程徐钢医院站~下淀站区间为单圆盾构区间，盾构区间左线起讫里程为DK5+508.000～DK6+582.500，全长1077.618m，右线起讫里程为DK5+508.000～DK6+582.500，全长1078.074m。盾构管片外径6200mm，管片厚度350mm，盾构开挖直径6440mm。区间采用“V”字坡，线路出徐钢医院站后以21.075‰和10%的坡度下降至区间最低点，之后以10‰和25%的坡度爬升至下淀站，平面最小曲线半径为800m，线路中心距为14~23.31m，顶部覆土8.93m~18.15m。

掘进涉及的岩层主要为(8A)-3闪长斑岩、(13)-1-2强风化砂质石灰岩、(13)-1-3中风化砂质石灰岩、(12)-6-3中风化石灰岩、(12)-6B-3中风化泥灰岩、(12)--6C-3中风化泥岩。隧道主体位于(13)-1-3中风化砂质石灰岩中，其饱和单轴抗压强度17-127MPa，平均值为85.99MPa。

2 刀盘、刀具配置

工程采用中铁装备制造的直径为6440mm的复合土压平衡盾构机，刀盘采用6主梁+6副梁重型结构形式，刀盘中心区域开口率为38%，整体开口率为35%，刀盘结构图如图1。刀盘布置安装18寸中心双联滚刀6把，18寸单刃滚刀35把，刮刀42把，边刮刀12把，仿形刀1把。具体技术参数见表1。

图1刀盘结构图

表1 刀盘、刀具主要技术参数

3刀具更换条件分析

盾构掘进遇下列情况时，应考虑开仓检查换刀：在硬岩段掘进，渣土明显呈现粉碎状；掘进过程中刀盘在掌子面的切割声音出现异常；渣土温度明显比正常情况下升高；推力明显增大，但是推进速度却很慢，刀盘扭矩增大，贯入度小；盾构机铰接压力突然增大；盾构机身抖动增大；盾构机掘进姿态异常，不易控制。

以徐钢医院站~下淀站区间盾构左线为例，区间左线第二次开仓换刀位于切口123环。盾构机在13-1-3中风化砂质石灰岩正常掘进推力为800T，刀盘扭矩波动范围为1500-2000 KN.M，刀盘转速基本稳定在2.0rpm，推进速度正常设置为15~20mm/min。随着下坡段的盾构推进，岩层强度逐渐从83.3mpa上升至113mpa，推进至117环时，掘进推力超过1000T且呈持续增长趋势，刀盘扭矩较之前已有上升趋势；掘进至123环时，刀盘部位传来异响，空转扭矩达1800-2300KN.M。综上表明，推断掘进参数异常的原因与刀具磨损有密切关系。

于123环开仓检查，12把边缘滚刀磨损值为2~15mm，其中磨损值超过8mm的有2把，占比25%；23把正面滚刀1-35#磨损值为5~18mm，其中磨损值超过15mm的有4把，占比17%，见表2；6把中心双联滚刀中有两把刀具脱落，2把楔块脱落。并且经冲洗刀盘检查发现存在少量结泥饼和部分刀箱堵塞情况。刀具磨损如图2。

图2刀具磨损图

2号边缘滚刀磨损较严重，为15mm，其他磨损情况较好，是因为掘进至65环时，已经对其余11把边缘滚刀进行更换。正面滚刀磨损值自刀盘中心向刀盘边缘递增，即刀具距刀盘中心越远，磨损越严重。

表2 刀具磨损情况表

4开仓换刀位置选择

为保证开仓施工安全，开仓位置选择应综合考虑围岩性质、地质构造、地面环境特点等因素。选择在自稳能力强、渗透系数小，不易发生坍塌的地层中；穿越重要周边建（构）筑物、断层破碎带位置前；尽量避开溶洞、建筑物、城市主干道、管线下方及湖泊水道等位置，如不能避免的应做好地面或隧道加固处理。

本次开仓点位于切口123环，岩层为全断面(13)-1-3中风化砂质石灰岩，岩层强度为113mpa，拱顶以上为厚度8.3m的(13)-1-3中风化砂质石灰岩，地下水位高1.3m，周围无重要建（构）筑物，周围地质条件稳定，具备常压开仓条件。

5刀具磨损控制措施

（1）刀具定期检查

制定刀具检查计划，将开仓检查纳入日常管理，利用管片安装等停机时间对刀具检查，确保刀具工作正常。

在硬岩地层中推进，当出现推力过大、推进速度小、空转扭矩增大，盾构机姿态难以纠偏纠时，需考虑刀具是否磨损严重，并进行开仓检查刀具；当连续出现刀盘或螺旋输送机被卡住，应立即停机进行检查，同时还需注意观察螺旋输送机出渣情况，如果出渣不是均匀的碎片石，而是伴有大块的石头出现，可能为刀圈掉落，要立即停机检查是否有刀圈磨损超限、刀圈断裂、刀圈变形、固定刀圈的螺帽是否松动或掉落、刀座是否有裂纹等现象，如果一旦发现应立即采取补救措施。

通过重要建（构）筑物前，应提前对刀具磨损及盾构机设备进行检查，避免穿越过程中出现问题。在硬岩地层中不能只片面追求进度，应该在保证刀盘和刀具不被严重磨损的前提下合理安排生产进度，必要时应限制推进速度。

（2）掘进参数控制

掘进参数包括盾构总推力、刀盘转速、扭矩、推进速度、切削量等，影响刀具磨损的最直接参数是盾构总推力，推力的大小直接决定了刀具所承受的荷载，推力过大，虽然短期内掘进速度很快，但长时间刀盘刀具所承受的载荷也比较大，过大的载荷会使滚刀轴承受挤压产生变形，继而影响滚刀的自转最终造成滚刀刀圈的偏磨或断裂。硬岩段掘进应根据围岩强度变化情况及时优化调整掘进参数，岩石强度大幅上涨地段应降低推力，减小贯入度，加大泡沫使用量，减小刀盘转速，缓步掘进；刀盘空转扭矩过大或在推进过程中前方异响时应停止掘进，及时进行开仓检查。

13-1-3中风化砂质石灰岩地层中推力一般在700~900t，最大推力不超过1150t。刀盘转速也是影响刀具磨损的另一个主要因素，过大的刀盘转速在硬岩地层会造成盾构机振动颠簸，加剧刀具的磨损。硬岩地层中，刀盘转速建议设置为1.5~1.8rpm。

（3）切削面土体改良

盾构掘进过程中，通过泡沫喷嘴往掌子面注入相应量的泡沫剂，调节和改良切削面土体的性能，可有效减少土体颗粒与刀盘、刀具之间的摩擦，从而降低磨损程度和开仓换刀频率，提高施工效率。实际施工过程中，本区间以13-1-3中风化砂质石灰岩为主，岩石强度高，刀具在切削土体时切削温度越高对刀具的磨损也越大，而在合理的注入泡沫后，出渣则较为松散，出土也较为顺畅。表明泡沫剂的合理使用对刀具具有一定的保护作用，可有效减小其磨损量。

（4）换刀控制

在全断面硬岩层、软硬不均等地层中，应做到勤开仓检查，并及时更换刀具。左线在261-308环穿越8A-3闪长斑岩期间，由于地质条件软硬不均，产生偏磨，导致仅57环就更换了10把单刃滚刀；同样情况发生在右线347-383环，该地段洞身主要为13-1-3中风化砂质石灰岩，顶部位置中风化砂质石灰岩破碎带侵入，地质条件的不均匀变化对刀具磨损产生了较大的影响，在347环更换完成20把刀的情况下，仅推进36环又进行了13把刀具的更换。

在综合考虑地质情况、刀具磨损情况及经济效益的情况下，可将磨损量不大的边缘滚刀更换在未达设计磨损量的正面滚刀的位置继续使用。根据施工经验，中风化砂质石灰岩地层中，刀具在正常磨损情况下，其更换频次推荐为70~80环/次。

6结论

本文依托徐州市城市轨道交通3号线二期工程徐钢医院站~下淀站区间工程，文中仅以单次换刀进行示例说明，在实际操作中通过全线硬岩段的施工，以及对以往推进硬岩段的大数据分析，对盾构刀具开仓换刀条件及开仓换刀位置选择进行具体研究，提出以下刀具磨损控制措施，为类似施工地质因素提供参考。

（1）硬岩地层掘进，刀具的定期检查可有效保护刀具，减少磨损程度。当掘进速度变慢、刀盘扭矩加大、同等地质条件下推力变大，刀盘或螺旋输送机连续出现卡盾，通过重要建（构）筑物前，应开仓检查刀具。在定期检查的同时可以进行清仓，以减少刀具结泥饼的现象，延长刀具使用时间。

（2）中风化砂质石灰岩地层中推力一般在700~900t，最大推力不超过1150t；刀盘转速建议设置为1.5~1.8rpm。同时应综合控制贯入度、转速和出土量，根据实际地质情况，达到最佳状态为宜。

（3）泡沫剂的合理使用对刀盘和刀具具有一定的保护作用，可有效减小刀具的磨损。硬岩地层中掘进应重视渣土改良和对刀盘、刀具的保护。

（4）中风化砂质石灰岩地层中，刀具在正常磨损情况下，其更换频次建议为70~80环/次。可将磨损量超过边缘滚刀要求但未超过正面滚刀磨损量要求的边缘滚刀，更换至正面中间滚刀位置继续使用，降低滚刀报废率，以提高经济效益。

    （5）在通过上软下硬地层，软硬不均地层，多夹层地层，过溶洞，卵飘石地层及含泥量大的地层，要控制推进速度，防止刀盘接泥饼造成偏磨，或刀盘旋转至分层界面时造成磕刀现象。

参考文献：

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[5]王海峰.富水复合地层掘进盾构刀具损坏控制技术[J].城市道桥与防洪,2023(03):171-174+182+25.

[6]李强,甘鹏路.复合地层盾构刀具磨损控制技术研究[J].现代隧道技术,2020,57(01):168-174.

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