復(fù)合地層中盾構(gòu)機(jī)刀具磨損的優(yōu)化研究

鄭強(qiáng)

（中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，西安710000）

1 刀具磨損對于盾構(gòu)機(jī)使用的重要影響

首先，盾構(gòu)機(jī)由盾構(gòu)主機(jī)和后配套設(shè)備共同構(gòu)成，其中，盾構(gòu)刀盤負(fù)責(zé)盾構(gòu)機(jī)的開挖作業(yè)，主要借助盾構(gòu)刀具對機(jī)體前方土體進(jìn)行切割，這意味著盾構(gòu)機(jī)的作業(yè)速率完全由刀具的鋒利程度來決定，只有刀具與土體結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，盾構(gòu)機(jī)才能較為快速地前行。由于復(fù)合地層土質(zhì)較為復(fù)雜，工作人員在選擇盾構(gòu)刀具時(shí)往往會(huì)比較困難，這就使得盾構(gòu)刀具容易在復(fù)雜多樣的土層作用下快速磨損，進(jìn)而在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)刀具老化問題[1]。其次，雖然在長期的探索實(shí)踐中，有關(guān)盾構(gòu)機(jī)刀具磨損規(guī)律的相關(guān)理論已初步完善，但針對不同土層的刀具磨損尚未得到完全掌握，其中，包括刀具負(fù)荷、磨損速率等要素在內(nèi)的相關(guān)研究仍處于相對匱乏狀態(tài)，這導(dǎo)致在實(shí)際盾構(gòu)機(jī)作業(yè)中，即使選用了較為負(fù)荷土層特點(diǎn)的盾構(gòu)刀具，但仍無法判斷刀具的更換周期，因此，刀具很容易在長期使用中，因更換不及時(shí)而徹底喪失作用，并影響地下作業(yè)的工作進(jìn)度。最后，由于我國盾構(gòu)刀具研究較少，大多數(shù)地下施工企業(yè)購買的盾構(gòu)刀具均來自國外，導(dǎo)致施工成本增加，使得國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)作業(yè)乃至整個(gè)地下交通施工事業(yè)的發(fā)展均受到制約。

2 工程案例分析

2.1 工程概述

基于盾構(gòu)機(jī)刀具磨損問題，本文以深圳地鐵5 號(hào)線工程為例。該工程全長1278m，主要地質(zhì)特征表現(xiàn)為礫質(zhì)黏性土和全風(fēng)化花崗巖，同時(shí)巖石強(qiáng)度處于較高水平，使用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行作業(yè)技術(shù)難度相對較大，干擾因素較多，作業(yè)過程有可能出現(xiàn)安全問題。

2.2 盾構(gòu)機(jī)刀具配置

由于該工程土層相對復(fù)雜，因此，為應(yīng)對不同土層情況，工程選用了滾刀、單刃滾刀、刮刀、邊緣鏟刀、超挖刀等幾種刀具，其中，滾刀安裝高度為175mm，作用在于能夠借助滾動(dòng)使巖石變?yōu)槠扑闋?，最終起到切削巖石的效果。

2.3 刀具更換情況

依照預(yù)期計(jì)劃，該工程全程經(jīng)歷2 次換刀，其中，第1 次換刀位置距離始發(fā)點(diǎn)約48 環(huán)，共計(jì)更換單刃滾刀9 把，其磨損情況如表1 所示，第2 次換刀位置距離始發(fā)點(diǎn)約174 環(huán)，共計(jì)更換單刃滾刀18 把（見表2），但由于此次換刀已經(jīng)相對較晚，部分刀具已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞，甚至盾構(gòu)機(jī)刀座也出現(xiàn)不同程度損壞，這使得刀具更換相對困難，必須借助帶壓方式予以進(jìn)行。

表1 第1 次更換刀具磨損情況

表2 第2 次更換刀具磨損情況

2.4 其他停機(jī)情況

除2 次換刀停機(jī)外，該工程盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)行過程中還經(jīng)歷過一次非正常停機(jī)，其位置距離始發(fā)點(diǎn)251 環(huán)，主要成因?yàn)榈侗P所致的溫度升高，具體刀盤泄露油溫達(dá)50℃，隔板溫度達(dá)60℃，已經(jīng)嚴(yán)重影響盾構(gòu)機(jī)正常運(yùn)行。同時(shí)，由于該問題出現(xiàn)位置處于居民區(qū)地下，更換刀具具有一定安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 刀具磨損原因分析

3.1 復(fù)雜的地形條件

我國大部分地下施工工程均為復(fù)雜地層，其中以本文研究的深圳地鐵5 號(hào)線工程為例，其擁有較多的微風(fēng)化花崗巖，而這種地質(zhì)巖石強(qiáng)度較大，僅采用風(fēng)鎬并不能有效破壞，因此，需借助風(fēng)鉆鉆孔同時(shí)配備膨脹炸藥進(jìn)行爆破，而此方法十分容易導(dǎo)致刀具磨損。除此之外，由于工程使用了大量的滾刀，而滾刀并不能破壞巖石礦物顆粒，因此，在滾刀作用過程中，刀具始終處于巖石礦物顆粒磨損作用下，且伴隨著礦物顆粒硬度的增大，磨損作用也會(huì)更加明顯。

3.2 刀具配置變化

除受復(fù)雜地層條件影響外，施工人員的錯(cuò)誤操作也會(huì)導(dǎo)致刀具磨損的加劇，其中以本文工程案例為例，因2 次換刀較晚導(dǎo)致刀具底座損壞，所以9 號(hào)滾刀在2 次換刀后并未安裝，這使得盾構(gòu)機(jī)在行進(jìn)一段距離后發(fā)生中心刀脫落問題，雖并未降低盾構(gòu)機(jī)巖石破裂效率，但加大了9 號(hào)相鄰刀具的側(cè)向壓力，最終造成整個(gè)刀盤的損壞。

3.3 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置

通常，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)推力應(yīng)控制在1200t 以下，但一些施工企業(yè)為追趕進(jìn)度，縮短施工周期，常常會(huì)將掘進(jìn)推力提至1200t 以上，而這種一味增加推力的方式不但不能有效提高施工效率，相反還會(huì)加劇刀具的損壞，其中最明顯的便是會(huì)導(dǎo)致刀具固定螺栓的崩裂。

4 復(fù)合地層盾構(gòu)機(jī)刀具磨損問題的優(yōu)化對策

4.1 巧妙選擇刀具配置

針對不同地層與盾構(gòu)機(jī)刀具的不同適應(yīng)性，可進(jìn)一步優(yōu)化刀具配置，選擇符合地層構(gòu)成特點(diǎn)的最佳刀具。其中，針對軟弱土地層，刀具配置應(yīng)以切刀、刮刀為主，同時(shí)刀盤應(yīng)采用面板式結(jié)構(gòu)，并在切刀及刮刀刃口處設(shè)置合金耐磨材料，從而起到增加刀具耐磨性、延長刀具使用周期的效果。此外，針對較為復(fù)雜的砂層，按照砂層特點(diǎn)合理選擇魚尾刀、仿形刀等特殊刀具，借助多種刀具的不同優(yōu)勢促使盾構(gòu)機(jī)作業(yè)有序完成[2]。

4.2 重視刀具參數(shù)設(shè)計(jì)

基于參數(shù)設(shè)計(jì)對于刀具磨損程度的影響，需就刀具及盾構(gòu)機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。一方面，針對滾刀磨損問題，可適當(dāng)增加滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，并在滾刀刀鼓上配以耐磨材料，進(jìn)而有效防止礦物顆粒對刀體造成磨損；另一方面，針對切削刀磨損問題，可進(jìn)一步改進(jìn)刮刀制作材料，并采用更加符合渣土流動(dòng)狀態(tài)的幾何形狀來進(jìn)行刮刀制作[3]。

5 結(jié)語

本文詳細(xì)論述了刀具磨損對于盾構(gòu)機(jī)作業(yè)的巨大影響，同時(shí)也基于現(xiàn)有工程案例分析了刀具磨損的主要成因和有效優(yōu)化對策。只有進(jìn)一步完善刀具配置，借助更加符合復(fù)雜地層土質(zhì)特點(diǎn)的刀具進(jìn)行施工，才能有效提高盾構(gòu)機(jī)作業(yè)的工作效率，才能在確保刀具使用壽命的同時(shí)，減少因刀具損壞所致的工程損失。