唐歡，趙榮輝

（株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司，湖南 株洲 412000）

1 工程概況

長(zhǎng)沙市地處湘中，位于湘江下游，濱臨洞庭，地貌上位于新華夏第二沉降帶之長(zhǎng)平斷陷盆地西南部， 在第四系以來的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響下，通過湘江侵蝕、堆積作用，造就了典型的丘陵地貌特征，其地質(zhì)以粉土、砂卵石、粗砂和全強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖泥巖地層，為典型的富水軟弱地層[1]。

本文以長(zhǎng)沙地鐵友誼路站-省政府站盾構(gòu)區(qū)間為例，闡述富水砂卵石和粉質(zhì)粘土共存地質(zhì)條件下刀具設(shè)計(jì)的一般原則。

友誼路站-省政府站起始于DK 26+654.900，終止于DK 27+813.900，全程1159 米。

1.1 地質(zhì)條件分析

隧道主要穿越地層為粉質(zhì)粘土、卵石層以及全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，局部有強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和粗砂侵入。

粉質(zhì)粘土：褐紅夾灰白色，硬塑狀態(tài)，含10%～30%的細(xì)砂，具有中等干強(qiáng)度中等韌性，隧道各處均有分布。

卵石層：褐黃，灰白色，飽和，中密狀態(tài)，石英質(zhì)，砂巖質(zhì)，亞圓形，含砂不均勻，礫石及粘土約30%，卵石粒徑2-5 cm，最大粒徑13 cm，場(chǎng)地均有分布。

全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：褐紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖礦物顯著風(fēng)化，巖石結(jié)構(gòu)已完全破壞，巖石風(fēng)化節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖芯呈土夾碎塊狀，遇水即化，巖體破碎，屬極軟巖。

強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：屬Ⅲ級(jí)硬土、Ⅱ類圍巖，呈堅(jiān)硬土狀或土夾碎塊狀，具較高強(qiáng)度及較低壓縮性，遇水浸泡易軟化甚至崩解，含一定地下水。

粗砂：褐黃，灰白色，呈飽和，中密狀態(tài)，成分為石英質(zhì)，混10%～30%的粘性土，局部含礫石，分選性較差，級(jí)配良好。

1.2 施工風(fēng)險(xiǎn)分析

盾構(gòu)機(jī)在該地層掘進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)如下：

（1）地層存在卵石層及粗砂，孔隙較多，造成砂卵石地層富水，加上隧道范圍內(nèi)砂卵石及粗砂分布廣泛，巖土塑流性差，螺旋機(jī)不易形成土塞效應(yīng)，易產(chǎn)生噴涌現(xiàn)象。

（2）地層較破碎，圍巖穩(wěn)定性差，卵石層松散，弱膠結(jié)，加上強(qiáng)風(fēng)化巖遇水易崩解，傳統(tǒng)欠壓掘進(jìn)的方式已經(jīng)不能滿足要求，需要盾構(gòu)采用土壓平衡工況掘進(jìn)，這樣一來將加劇刀具磨損。

（3）在粘性土地層中施工，盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)里的粘土在高溫高壓作用下容易結(jié)成泥餅，影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率，造成盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)異常。

（4）巖石呈現(xiàn)軟硬不均的現(xiàn)象，加上卵石層和破碎帶的存在，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制，很容易造成盾構(gòu)機(jī)偏離軸線，需及時(shí)調(diào)整各千斤頂?shù)耐屏?，以達(dá)到調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的目的，但姿態(tài)調(diào)整需要循序漸進(jìn)，不可過猛，防止對(duì)頂部及圍巖造成過大的擾動(dòng)。

（5）地層石英含量高，對(duì)刀具磨損較為嚴(yán)重，加上卵石和破碎巖的存在，造成刀具因碰撞產(chǎn)生大量的熱，造成刀具磨損加劇。

（6）該地層圍巖不穩(wěn)，加上水量大，對(duì)換刀來說是個(gè)巨大的考驗(yàn)，掌子面極容易坍塌造成意外事故，因而要求全程不換刀，對(duì)刀具是個(gè)巨大考驗(yàn)。

2 盾構(gòu)機(jī)及刀具介紹

本次工程采用的的盾構(gòu)機(jī)為海瑞克S521 復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)刀盤圖片見圖1。

圖1 原盾構(gòu)機(jī)刀盤

原刀盤刀具配置如表1 所示。原配盾構(gòu)機(jī)刀具見圖2。

圖2 盾構(gòu)機(jī)刀具

表1 原盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具配置表

3 刀具改進(jìn)措施

3.1 中心位置采用中心滾刀和中心強(qiáng)化型撕裂刀混裝的模式

1#、3#、5#、7# 刀位采用滾刀，2#、4#、6#、8#刀位將滾刀改為重型撕裂刀， 兩種刀具錯(cuò)開安裝。 這種設(shè)計(jì)基于以下幾點(diǎn)原因：

（1）該區(qū)間以粉質(zhì)粘土和卵石為主，局部有強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖入侵，若中心位置采用全撕裂刀是不合適的， 這樣會(huì)造成中心位置失去破巖能力。

（2）粉質(zhì)粘土粘性大，加上混合著大粒徑卵石，渣土的流動(dòng)性較差，排渣困難，加上刀盤中心位置空間有限，無法布置足夠多的切刀和設(shè)置更大的開口以利渣土的排出[2]，將部分滾刀改為撕裂刀，增加了中心位置的開口，能減少中心位置的渣土的堆積和粘附，防止泥餅的產(chǎn)生，中心撕裂刀的外形見圖3。

圖3 中心撕裂刀及刀頭

（3）中心位置因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)半徑小，相較于其他位置滾刀容易偏磨[3]，若因地層太軟無法為滾刀提供足夠啟動(dòng)力的情況下，相鄰位置的撕裂刀就能起到刮削掌子面的作用。

撕裂刀寬度為100 mm， 高度為高出掌子面175 mm。

這種撕裂刀安裝方式與滾刀完全一致，此外刀頭與底座采用螺栓連接， 以便能重復(fù)使用，刀頭部分采用中間高兩頭低的形式，能有效防止兩端的硬質(zhì)合金因沖擊過大而發(fā)生脫落。

中心滾刀采用強(qiáng)化型設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)滾刀整體的剛性，防止?jié)L刀進(jìn)泥和散架。

3.2 正面滾刀采用單刃滾刀，刀圈采用梯度硬度刀圈

該刀圈采用特殊熱處理工藝制作，確保內(nèi)孔部位的硬度保持在HRC 50～HRC 54， 刀圈的刃口部位硬度保持在HRC 59～HRC 61， 呈現(xiàn)梯度化漸變的趨勢(shì)（見圖4）。 它的內(nèi)圈硬度較低，易于吸收外界沖擊功，提高刀圈的柔韌性，外圈硬度遠(yuǎn)高于普通刀圈（HRC 55～HRC 57），刃口具備極高耐磨性，有效提高滾刀刀圈的耐磨性，從而實(shí)現(xiàn)了耐磨性和柔韌性的統(tǒng)一。

圖4 刀圈梯度示意圖

這樣的刀圈對(duì)付上軟下硬，軟硬不均等高沖擊地層具有極好的效果。 鑒于該區(qū)段地質(zhì)情況，石英含量高容易造成刀具巨大磨損，同時(shí)地層存在明顯軟硬不均的現(xiàn)象， 對(duì)刀圈產(chǎn)生的沖擊較大，這種梯度刀圈很好滿足了這個(gè)要求，其壽命較普通刀圈提高30%以上。

3.3 邊緣滾刀、刀圈硬度、基本材料作相應(yīng)改變

將邊緣滾刀由單刃改為雙刃，刀圈采用梯度硬度刀圈，刀圈基體采用我公司研發(fā)的高韌性材料HH 301。

邊緣采用雙刃滾刀替代單刃滾刀，刀圈間距為100 毫米，見圖5。 這樣做的理由如下：

（1）經(jīng)公式計(jì)算，在70 兆帕以下巖層掘進(jìn)，采用這種雙刃滾刀不會(huì)發(fā)生軸承過載。

（2）增加了一個(gè)刀圈，邊緣位置滾刀刀圈間距減小，軌跡線增加，邊緣滾刀的破巖能力和耐磨性明顯提升。

（3）將單刃改為雙刃，滾刀自轉(zhuǎn)過程所獲得的摩擦力為普通單刃滾刀的2 倍，由此僅需要原來一半的力就可以確保正常轉(zhuǎn)動(dòng)起來，偏磨幾率更小。

3.4 全部滾刀設(shè)計(jì)為內(nèi)部自帶壓形式

該區(qū)間為典型富水砂卵石地層，圍巖穩(wěn)定性差，易垮塌，需要采用土壓平衡模式進(jìn)行掘進(jìn)[4]，土倉(cāng)內(nèi)的壓力較大，在這種壓力作用下外界的泥沙和水容易進(jìn)入滾刀內(nèi)部。

出廠前根據(jù)地質(zhì)狀況，向滾刀內(nèi)部充一定壓力的干燥壓縮空氣（見圖6），一般為2～3 bar，具體標(biāo)準(zhǔn)是與土壓相等或者略高，這樣能使得滾刀內(nèi)部的壓力始終高于或者等于土倉(cāng)內(nèi)的土壓力，泥沙不容易進(jìn)入滾刀內(nèi)部。同時(shí)浮動(dòng)密封不至于承受過大的壓力而提前失效。

圖6 滾刀內(nèi)部圖及壓力裝置示意圖

3.5 對(duì)切刀和邊緣刮刀進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)，硬質(zhì)合金采用超粗晶硬質(zhì)合金

改變?cè)瓉淼毒吆辖鸬呐帕蟹绞?，將兩排合金變成三排合金，增加刀具的耐磨性，確保長(zhǎng)距離掘進(jìn)。 刃口合金由龜背齒改為平面合金塊的形式，刃口合金的形狀采用大圓角設(shè)計(jì)，減少合金受沖擊崩裂現(xiàn)象，此外在刀具兩端各加一條合金條（見圖7），因?yàn)榈毒邇蓚?cè)是渣土流經(jīng)的區(qū)域，磨損較其他位置更大，同時(shí)還可以防止刀具磨損形成條狀凹坑， 導(dǎo)致合金失去附著的場(chǎng)所而脫落。

圖7 強(qiáng)化型切刀和邊緣刮刀

盾構(gòu)機(jī)刮刀發(fā)生失效的主要原因是沖擊疲勞以及熱疲勞裂紋。 因此，對(duì)盾構(gòu)機(jī)用的硬質(zhì)合金提出的要求就是：硬質(zhì)合金具有較高導(dǎo)熱性和較低熱膨脹系數(shù)，以確保合金出現(xiàn)熱裂紋的幾率和速率最小，具備良好的抗疲勞沖擊特性。

硬質(zhì)合金采用特研的KC60A 超粗晶硬質(zhì)合金[5]，它的鈷含量為10%～11%，晶粒度6.0 μm。它的導(dǎo)熱性比盾構(gòu)機(jī)刮刀常用的YG13C 硬質(zhì)合金高28.4%，該牌號(hào)硬質(zhì)合金抵抗熱疲勞裂紋的能力更強(qiáng)； 同時(shí)該合金的彈性模量較YG 13C 牌號(hào)高約9%， 這種硬質(zhì)合金抵御復(fù)雜沖擊巖層的能力更強(qiáng);而其本身含鈷量?jī)H為10%～11%，決定了硬質(zhì)合金的耐磨性較YG 13C 會(huì)有明顯的提高。

3.6 對(duì)滾刀端蓋、刀轂和擋圈做耐磨堆焊處理

為了對(duì)抗強(qiáng)磨損地層， 增強(qiáng)刀基體耐磨性，確保達(dá)到長(zhǎng)距離掘進(jìn)，采用超耐磨鑄造碳化鎢進(jìn)行堆焊保護(hù)， 保證良好的抗沖擊性和耐磨性，硬度在HRC 59 以上。 采用鎳基作為粘接相，確保在遭受沖擊時(shí)耐磨層不會(huì)發(fā)生脫落。這樣能很好地保護(hù)滾刀刀體，防止因?yàn)槟p導(dǎo)致刀體提前失效。我們一般在刀轂上和端蓋上堆焊3～5 毫米硬質(zhì)材料（見圖8），防止?jié)L刀刀轂由于過度磨損而將端蓋暴露出來，增大進(jìn)泥沙的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 刀轂?zāi)湍ザ押甘疽鈭D

3.7 刀盤面板增設(shè)貝殼刀

增設(shè)貝殼刀11 把，安裝位置見圖9，刀具高度160 mm，焊接在刀盤面板上，刀間距160 mm。它高于正面切刀，在滾刀將風(fēng)化巖滾壓破碎后再次將掌子面進(jìn)行分隔撕裂， 提高刀盤破巖效率，同時(shí)還可以對(duì)正面切刀進(jìn)行保護(hù)，防止其過早受到?jīng)_擊而失效。

圖9 貝殼刀安裝示意圖及貝殼刀示意圖

這種貝殼刀采用中間開槽，兩端為大合金的設(shè)計(jì)，增加硬質(zhì)合金的抗崩性。

3.8 刀盤外周焊接外周保護(hù)刀進(jìn)行保護(hù)

在盾構(gòu)機(jī)外周焊接6 把外周保護(hù)刀 （見圖10），呈60 度均布，但需要避開滾刀位。它寬度為100 mm，高度為60 mm，當(dāng)滾刀及邊緣刮刀被超限磨損后， 它發(fā)揮保證盾構(gòu)開挖直徑的作用，防止刀盤繼續(xù)磨損直至刀盤外徑小于盾體外徑從而盾構(gòu)機(jī)被卡死。

圖10 外周保護(hù)刀

4 現(xiàn)場(chǎng)使用

在項(xiàng)目部精心施工下，改進(jìn)后的刀盤刀具始發(fā)到貫通，共歷時(shí)五個(gè)月，掘進(jìn)1157 米，全程一盤刀實(shí)現(xiàn)了全隧道貫通，一路上克服了地質(zhì)條件復(fù)雜多變(通過富水砂卵石地層和粉質(zhì)粘土)、施工技術(shù)難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高等諸多困難。 由于刀具使用效果出色，項(xiàng)目部特邀我公司參加其貫通儀式。

隧道貫通后滾刀、中心撕裂刀、中心滾刀、切刀、貝殼刀、雙刃邊緣滾刀的照片見圖11、圖12、圖13、圖14。

圖11 貫通后鉆石牌滾刀照片

圖12 貫通后中心撕裂刀，中心滾刀及切刀照片

圖13 貫通后貝殼刀照片

圖14 貫通后雙刃邊緣滾刀照片

5 結(jié)語

一個(gè)項(xiàng)目的盾構(gòu)機(jī)施工掘進(jìn)是否順利與諸多因素有關(guān)，包括盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)、地質(zhì)狀況、刀具設(shè)計(jì)、材料選用及推進(jìn)技術(shù)等。 哪個(gè)環(huán)節(jié)出了問題都將造成盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)困難。先期將地質(zhì)狀況勘探準(zhǔn)確，針對(duì)地質(zhì)特性進(jìn)行刀具布置，選用性能優(yōu)良、針對(duì)性強(qiáng)的刀具材料，才能達(dá)到事半功倍的掘進(jìn)效果。