成都砂卵石地層刀具改進(jìn)技術(shù)研究

1、<p>　　成都砂卵石地層刀具改進(jìn)技術(shù)研究</p><p><b>　　摘要 </b></p><p>　　成都地鐵建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了大干時期，隨著1號線、2號線及4號線等線路的逐步開工，各參建施工單位在施工初期都遇到了程度不一的困難。具體表現(xiàn)為:刀具/刀盤磨損嚴(yán)重、刀具更換頻繁;地層不穩(wěn)定、刀具更換困難;局部粉細(xì)砂層刀盤結(jié)泥餅問題等。盾構(gòu)法施工在成都市場上占主

2、流地位，根據(jù)成都地鐵施工的各種經(jīng)驗，逐步探索并提出了刀具改進(jìn)方案并付諸于實踐，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 </p><p>　　關(guān)鍵詞 刀具改進(jìn)滾刀技術(shù)研究 </p><p>　　中圖分類號：TG71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A </p><p><b>　　前言 </b></p><p>　　成都地鐵4號線一期5標(biāo)盾構(gòu)段合計

3、5816m（含盾構(gòu)空推段），標(biāo)段盾構(gòu)施工難度大穿越房屋多，區(qū)間之內(nèi)換刀點設(shè)置相對較為困難。主要穿越地層有： 松散卵石、稍密卵石、中密卵石、粉細(xì)砂、松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密實卵石。根據(jù)成都施工經(jīng)驗來看，刀具的磨損性能很大幅度影響了盾構(gòu)施工的進(jìn)度。 </p><p>　　一、在砂卵石地層成都、北京地區(qū)盾構(gòu)施工中采用盤形滾刀， 其破巖機理與盤形滾刀在硬巖地層中的傳統(tǒng)破巖機理有著顯著的不同， 刀具的磨蝕情況也有較

4、大的區(qū)別。 該地質(zhì)對傳統(tǒng)的刀具磨損十分嚴(yán)重， 刀具消耗量大， 并存在大量的滾刀偏磨（特別是邊緣滾刀）、 刀圈斷裂等非正常磨損。 由此帶來頻繁的換刀、 地層加固、換刀安全等一系列問題，導(dǎo)致施工成本巨大。 因此，盤形滾刀的選擇與使用必須針對本地質(zhì)的特點做出相應(yīng)的調(diào)整。 </p><p><b>　　滾到的破巖機理 </b></p><p>　　如圖 1 所示， 巖石在滾刀

5、刀刃的壓力作用下， 形成壓應(yīng)力區(qū)域。 壓力超過巖石所能承受的應(yīng)力極限時， 巖石產(chǎn)生爆裂， 其裂隙向四周擴(kuò)散。 當(dāng)兩個刀刃的距離（ 刀間距） 達(dá)到適合的尺寸時， 其間的巖石呈片狀剝離； 若刀間距過小， 則形成巖石過度破碎， 造成不必要的磨耗和能量損耗； 若刀間距過大， 則無法達(dá)到有效破巖的效果。 </p><p><b>　　圖一滾刀破巖機理 </b></p><p>

6、　　二、滾刀在本砂卵地層的破巖與磨損情況 </p><p>　　在該地質(zhì)中施工， 滾刀的破巖機理與硬巖破巖有很大的不同。 由于開挖面整 </p><p>　　體抗壓強度不高， 此時已非傳統(tǒng)的破巖機理， 滾刀只是將卵石和漂石擊碎或擠碎。因此滾刀的磨損情況也有別于在硬巖地層中磨損。 相比硬巖而言， 滾刀受到更多的刮削磨損和沖擊磨損。 </p><p>　　在整體松散的砂

7、卵地層中掘進(jìn)， 刀圈深深地貫入到巖層中， 不但外圓（齒頂） </p><p>　　接觸巖層受到磨損， 刃口側(cè)面也受到極大的磨損； 刀圈受到磨損的同時， 石英含量很高的砂和卵石也會直接作用于滾刀刀體表面，從而對刀體也產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。 滾刀在此地質(zhì)中使用， 除了正常的磨損外， 還存在大量的非正常磨損（特別是邊緣滾刀），其主要形式是滾刀的偏磨、刀圈斷裂、刀體過度磨損等。 導(dǎo)致滾刀偏磨的原因主要有： </p>

8、<p>　　2.1啟動扭矩過大 </p><p>　　滾刀在該地質(zhì)中使用， 由于開挖面松散， 不能提供足夠大的反力克服滾刀本身的啟動扭矩以及土倉內(nèi)渣土的摩擦阻力力矩和刀箱內(nèi)渣土的阻力力矩， 造成滾刀不轉(zhuǎn)， 導(dǎo)致偏磨（圖2）。 </p><p>　　圖二 啟動扭矩過大造成的偏磨 </p><p>　　明顯特征： 刀圈其余部位幾乎沒有磨損， 刀體、 端蓋無明

9、顯受到撞擊和變形狀況，刀圈無斷裂，刀具沒有漏油和進(jìn)泥現(xiàn)象 </p><p><b>　　2.2 刀體變形 </b></p><p>　　在整體松散的砂卵地層， 不但刀圈的磨損， 而且刀體的表面也磨損嚴(yán)重， 特別是因富含石英的砂粒和堅硬的鵝卵石， 對刀圈和刀體都產(chǎn)生巨大的磨蝕。 而傳統(tǒng)的滾刀刀體材質(zhì)為42CrMo， 硬度約為HRC28～32，不具備很高的抗磨蝕性，很快被

10、磨薄而降低了強度。 當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速為2轉(zhuǎn)/Min時， 對于直徑為6.28M的刀盤， 邊緣滾刀的線速度約為0.65米/秒， 而對于直徑為12M的刀盤，邊緣滾刀的線速度高達(dá)1.25米/秒， 若撞擊上漂石或大塊的鵝卵石則造成刀體變形，導(dǎo)致滾刀不轉(zhuǎn)，形成偏磨（圖3） 。 </p><p>　　圖三刀體受撞擊變形造成的偏磨 </p><p>　　明顯特征： 刀圈已有一定程度的均勻磨損， 刀體已受磨損嚴(yán)重

11、并有明顯的受撞擊痕跡，刀體與端蓋之間卡死。 </p><p><b>　　2.3 刀圈斷裂 </b></p><p>　　傳統(tǒng)的硬巖滾刀刀圈， 多采用材質(zhì)相當(dāng)于美國標(biāo)準(zhǔn)的牌號 H13 合金工具鋼， 為了達(dá)到一定的耐磨性， 常見的熱處理硬度為 HRC56 ～ 58 。 如果對材料的成分、 鍛造工藝、 熱處理工藝等質(zhì)量控制出現(xiàn)偏差， 容易造成刀圈的脆性增加， 在大的卵石和

12、漂石的高速撞擊下， 造成刀圈斷裂， 特別是刀圈經(jīng)磨損到一定程度后強度變?nèi)?</p><p>　　圖四刀圈受撞擊后斷裂 </p><p>　　三、在砂卵地層提高滾刀使用壽命的對策 </p><p><b>　　3.1刀圈 </b></p><p>　　根據(jù)滾刀在砂卵地層中的破巖機理與硬巖中的區(qū)別， 刀圈的截面尺寸和性能指標(biāo)

13、應(yīng)作出相應(yīng)的調(diào)整： </p><p>　　A） 為了提高刀圈的耐磨性和使用壽命， 將刀刃寬由3/4吋增加到28MM或更大（圖5），同時提高其抗沖擊能力。 </p><p>　　B） 由于砂卵地質(zhì)中石英含量高， 其顯微硬度高、 磨蝕性高， 為了提高刀圈對付石英的抗磨性， 材料成分中適當(dāng)提高釩、鈮、鎢、鉬、鎳、鉻等合金元素的含量，同時控制好鍛造工藝和熱處理工藝，以達(dá)到細(xì)化晶粒、提高其抗沖擊 &

14、lt;/p><p>　　能力。圖五 刀圈截面尺寸 </p><p>　　C） 由于滾刀在本地質(zhì)中使用， 受到較大的撞擊， 因此不宜為了提高其耐磨性而片面的提高其硬度，必須兼顧其抗沖擊能力。 </p><p>　　3.2 刀體 由于刀體在本地質(zhì)中使用， 會受到嚴(yán)重磨蝕和撞擊， 故刀體應(yīng)具備較強的耐磨性和抗沖擊能力： </p><p>　　A） 刀體

15、應(yīng)采取耐磨處理， 如表面堆復(fù)耐磨材料、 提高刀體的硬度（淬火至HRC46以上，或表面滲碳、碳氮共滲等處理）。 </p><p>　　B） 提高刀體的厚度和強度，以便提高刀體的抗沖擊變形能力。如圖6、圖7 </p><p><b>　　圖六加厚耐磨刀體 </b></p><p>　　圖七加厚與普通刀體對比 </p><p>

16、;<b>　　3.3啟動扭矩 </b></p><p>　　嚴(yán)格控制好滾刀的啟動扭矩， 單刃滾刀不宜超過25N-M； 如果在特別松軟的地 質(zhì)， 對于單刃滾刀， 開挖面無法提供足夠的反力來克服啟動扭矩和阻力扭矩， 可適當(dāng)考慮采用雙刃滾刀，以便提高轉(zhuǎn)動力矩。 </p><p><b>　　3.4 刀具改裝 </b></p><p&

17、gt;　　對于海瑞克盾構(gòu)機， 通常使用的滾刀規(guī)格為17吋（刀圈外徑431.8mm）， 極限磨損量為： 正面滾刀約25～30mm， 邊緣滾刀約15mm。 為了提高其使用壽命， 可適當(dāng)增加極限磨損量，但必須對滾刀的安裝做適當(dāng)?shù)母难b，具體方案如下： </p><p>　　A ）加大刀圈的外徑 </p><p>　　若單純的加大刀圈的外徑將導(dǎo)致滾刀無法安裝入刀箱， 必須對裝刀 U 形塊尺寸進(jìn)行改造

18、， 如圖 8 所示， 按此方案可將刀圈外徑加大至 448mm 。 由此， 極限磨損量為：正面滾刀由原來的 25mm 增加至 33mm ，提高使用壽命約 1/3 ，邊緣滾刀由原來的 15mm 增加至 23mm ， 提高使用壽命 53% ， 效果非常顯著， 只是略微增加刀圈的成本。 按此改裝會導(dǎo)致一些問題，必須引起注意： </p><p>　?、俑淖兞嗽械毒叩氖芰η闆r， 即滾刀的側(cè)向力（軸向力） 會有所增加。 但考

19、慮到滾刀在砂卵地層受力不大，不會因此導(dǎo)致滾刀的異常損壞。 </p><p>　?、谒淼篱_挖直徑增大了 16mm ，導(dǎo)致出渣量和注漿量相應(yīng)增加，這點在掘進(jìn)施工中必須加以注意和重視。 </p><p>　　B ）滾刀前突安裝 </p><p>　　對 U 形塊尺寸進(jìn)行改造，如圖 9 所示，可根據(jù)實際情況確定前突安裝量。以前突安裝 10mm 為例， 則極限磨損量為： 正面

20、滾刀由原來的 25mm 增加至 35mm ， 提高使用壽命 40% ， 邊緣滾刀由原來的 15mm 增加至 25mm ， 提高使用壽命 67% ， 并且刀具的成本沒有任何的改變。 按此改裝會導(dǎo)致一些問題，必須引起注意： </p><p>　?、偎淼篱_挖直徑增大了 20mm ，導(dǎo)致出渣量和注漿量相應(yīng)增加，這點在掘進(jìn)施工中必須加以注意和重視。 </p><p>　?、?U 形塊向前突出 10m

21、m ，前突外露部分會加快磨損，應(yīng)做相應(yīng)的耐磨處理（表 </p><p>　　面堆焊耐磨層） 或加焊耐磨塊 </p><p>　　四、 在砂卵地層降低滾刀使用成本的有效方法 </p><p><b>　　4.1 刀具維修 </b></p><p>　　A) 及時對可再利用的滾刀進(jìn)行維修， 可以提高刀具的利用率， 減少刀具的

22、庫存成本； 還可以減少零件的報廢（如漏油進(jìn)泥的滾刀， 不及時維修會造成軸承銹蝕而報廢）。 </p><p>　　B） 對于能修復(fù)再使用的零件盡量修復(fù)，并對其改善性能，更適合使用要求。 如 </p><p>　　圖10為未經(jīng)耐磨處理的刀體使用一次后嚴(yán)重磨損， 圖11為經(jīng)堆復(fù)耐磨層修復(fù)后， </p><p>　　圖 圖10 刀體修復(fù)前 </p><p

23、>　　圖11 刀體經(jīng)堆復(fù)耐磨層修復(fù)后 </p><p><b>　　4.2 刀具管理 </b></p><p>　　完善刀具的管理體系，對每把滾刀編號登記，記錄每次使用的掘進(jìn)里程、 地 </p><p>　　質(zhì)情況、裝在刀盤的位置、 磨損情況（磨損量、有無偏磨和漏油、 有無受到 </p><p>　　撞擊、啟動扭矩

24、變化等）、維修更換的零件、掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良情況等， </p><p>　　通過對其磨損情況和各種參數(shù)的分析，可以獲得很多有用的信息，便于改善 </p><p><b>　　滾刀的使用。 </b></p><p><b>　　4.3 刀具選配 </b></p><p>　　根據(jù)水桶定律，決定木桶盛水

25、量多少的關(guān)鍵因素不是其最長的板塊，而是其 </p><p>　　最短的板塊。 對于整個刀盤上的滾刀，邊緣滾刀的行程軌跡最長、線速度最高， 受到的沖擊力最大， 磨損最嚴(yán)重， 也就是水桶定律中的最短板塊。因此，最長的換刀里程取決于邊緣滾刀的使用壽命。 為了提高開倉換刀的里程，減少開倉換刀次數(shù)，降低施工風(fēng)險和施工成本，有必要選用高性能的邊緣滾刀（刀圈）， 正面滾刀可選用相對經(jīng)濟(jì)的， 以獲得較高的經(jīng)濟(jì)性和實用性的效果。

26、提高邊緣滾刀使用壽命的方法： </p><p>　　A) 使用耐磨性更好的重型刀圈； </p><p>　　B) 增加破巖的刀圈量，即以雙刃滾刀替代單刃滾刀； </p><p>　　C) 加大刀圈的極限磨損量（加大刀圈或前突安裝）。 </p><p><b>　　五、實例應(yīng)用 </b></p><p&

27、gt;　　成都地鐵4號線5標(biāo)采用本案所提到的施工技術(shù)，并獲得了成功。所有刀具在掘進(jìn)到250環(huán)處（約325米處）是檢查刀具整體刀具磨損均在4-5mm，當(dāng)盾構(gòu)達(dá)到預(yù)定換刀點360環(huán)（約540米處）整體刀具磨損在10-12mm之間，以上措施部分已在成都地鐵4號線5標(biāo)的盾構(gòu)施工中廣泛采用，并獲得非常顯著的效果， 因而為各施工單位節(jié)約了大量的刀具使用成本和其他間接成本， 同時也提高了掘進(jìn)效率和施工安全性，社會效益非常明顯。 </p>

28、<p><b>　　六、結(jié)束語 </b></p><p>　　在成都砂、卵石地層盾構(gòu)施工中通過對刀盤、刀具和螺旋輸送機采取預(yù)防磨損和提高耐磨性的措施并選用適合的刀具，就能實現(xiàn)盾構(gòu)施工的長距離掘進(jìn)、減小磨損和降低消耗的目標(biāo)。尤其在對刀具的耐磨性能得到大量提高后，投入施工生產(chǎn)所產(chǎn)生的效益更是壯觀。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </

29、b></p><p>　　[1］竺維彬，鞠世?。?地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險源及典型事故的研究M］． 廣州: 暨南大學(xué)出版社，2009． </p><p>　　［2］竺維彬，鞠世?。?廣州地鐵三號線盾構(gòu)隧道工程施工技術(shù)研究［M］． 廣州: 暨南大學(xué)出版社，2007． </p><p>　　［3］竺維彬，鞠世健，復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)［M］． 北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，