上海地區(qū)超大直徑盾構(gòu)刀具磨損分析-以虹梅南路隧道盾構(gòu)機為例

1、       上海地區(qū)超大直徑盾構(gòu)刀具磨損分析以虹梅南路隧道盾構(gòu)機為例                     摘要：刀盤刀具磨損對盾構(gòu)推進效率會產(chǎn)生很大的影響，在上海地層中推進，砂性地層對刀具磨損情況較為嚴(yán)重，針對盾構(gòu)穿越土層特性，如何選擇合適的刀具進行施工是非常重要的一環(huán)。本文將以上海虹梅南路隧道為例，針對推進過程中刀盤產(chǎn)生的磨損問題進行分析并介紹相應(yīng)的解決措施。

2、關(guān)鍵詞：超大直徑盾構(gòu) 刀具磨損 虹梅南路1 引言盾構(gòu)施工在軌道交通、公路、地鐵、輸水等各領(lǐng)域的地下隧道施工中占據(jù)極其重要的地位。盾構(gòu)施工是利用刀盤上的刀具對前方土體進行切削并向前推進的一個過程，刀具按照一定力學(xué)規(guī)律以及幾何學(xué)規(guī)律布置于刀盤上。一般來說，盾構(gòu)直徑越大，刀盤與土層的接觸面越大，就更容易出現(xiàn)同時切削不同地層的情況，從而出現(xiàn)刀片崩斷、脫落等現(xiàn)象。刀盤上的刀具與土體直接接觸，勢必會造成刀具的磨損。就上海地區(qū)來說，不僅存在軟土地層，在埋深較深的地層也存在砂性地層，在砂性地層中施工會加劇刀具的磨損速度，嚴(yán)重的磨損將會影響盾構(gòu)的施工效率。于此同時，處理刀具磨損將對施工的成本、進度產(chǎn)生較大影響。

3、迄今為止，在上海使用超大直徑泥水盾構(gòu)進行施工的案列中，虹梅南路隧道盾構(gòu)機刀盤的磨損情況最為嚴(yán)重。虹梅南路圓隧道采用一臺14.93m全新泥水平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)機在東線隧道推進至1118環(huán)時，刀盤磨損檢測裝置報警，經(jīng)檢查，刀具出現(xiàn)了大范圍的嚴(yán)重磨損。施工人員進行了帶壓換刀后順利使隧道貫通。本文就整個施工過程中刀盤的磨損情況進行說明，并對造成刀盤磨損的原因進行初步分析，并介紹了相應(yīng)的解決措施。2 工程概況2.1 工程概述虹梅南路金海路通道越江段新建工程位于上海市閔行區(qū)和奉賢區(qū)，全長約5260m，其中圓隧道長約3390m，隧道管片外徑為14.5m，每環(huán)管片寬度為2m。隧道為雙洞雙向6車道，西線隧道由奉

4、賢推進至閔行，在閔行工作井調(diào)頭后進行東線隧道的推進。2.2 土層情況虹梅南路隧道岸上段埋置深度為25.2m52.2m，水上段埋置標(biāo)高為-46.6m-51.2m；江中最低點設(shè)置泵房，中心里程為wk14+225.52，位于隧道內(nèi)。隧道主要在層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、層灰色淤泥質(zhì)粘土、1層灰色粉質(zhì)粘土、1-1層灰色粘土、3層灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土、41層灰綠色粉質(zhì)粘土、層暗綠草黃色粉質(zhì)粘土、1-1層草黃色粘質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土、1-2層草黃灰黃色砂質(zhì)粉土、2層灰黃灰色粉砂中掘進。盾構(gòu)穿越深度范圍內(nèi)土層變化較大，有軟粘土、粉土和砂土，且同一層內(nèi)存在土性不均現(xiàn)象，土層的強度差別大。具體斷面詳見圖2.2-1。圖2

5、.2-1 盾構(gòu)穿越地層情況示意圖2.3 刀盤設(shè)置情況針對虹梅南路隧道推進涉及土層特性，盾構(gòu)刀盤設(shè)置主、副條幅各8個，刀具共設(shè)置周邊鏟刀144把，刮刀266把。具體詳見圖2.3-1。圖2.3-1 盾構(gòu)刀盤刀具示意圖其中，周邊鏟刀位于1#刀臂16#刀臂最外側(cè)，順時針及逆時針方向各1組，每組9把。正面刮刀按照一定規(guī)律布置，確保刀盤在順/逆時針旋轉(zhuǎn)時刮刀的運動路徑可以覆蓋整個刀盤面板，確保在正常推進時，刀盤面板與開挖面不會發(fā)生直接接觸。在刀盤旋轉(zhuǎn)時，位于面板外側(cè)的刀具的運動軌跡較長，線速度也較大，與開挖面的“摩擦量”也較多。為此，考慮到不同位置上刀具的“摩擦量”的不同，刀具的布置數(shù)量由刀盤中心向外逐步

6、增加。刀具的布置如下表所示。其中，#30#22位置：每個位置各有8組刮刀，每組順時針及逆時針各1把。#21#10位置：每個位置各有4組刮刀，每組順時針及逆時針各1把。#8#4位置：每個位置各有2組刮刀，每組順時針及逆時針各1把。#3#1位置：每個位置各有1組刮刀，每組順時針及逆時針各1把。詳見表2.3-1。表2.3-1 盾構(gòu)刀具配置表3 刀盤磨損情況虹梅南路東線隧道共穿越1400環(huán)2粉細(xì)砂土層，其中包含近200環(huán)全斷面2粉細(xì)砂土層。從950環(huán)起盾構(gòu)全斷面進入土層（上部1-1, 1-2，下部2），此時隧道頂覆土為28m，隧道軸線為豎曲線變坡；1020環(huán)后，出現(xiàn)刀盤扭矩逐環(huán)升高，推進速度不斷降低的

7、現(xiàn)象。同時發(fā)現(xiàn)正轉(zhuǎn)扭矩較反轉(zhuǎn)扭矩大。隨著刀盤扭矩的上升，總推力也在不斷上升，在1090環(huán)開始，盾構(gòu)起始推力突破140mn，超過了最初的設(shè)定的允許推力140mn。圖3-1 換刀前盾構(gòu)扭矩及推進速度示意圖從1100環(huán)起盾構(gòu)全斷面進入2灰黃灰色粉砂土質(zhì)，此時隧道頂覆土約為32.7m，隧道豎曲線為-30的下坡，平曲線為直線。至1118環(huán)時，刀盤磨損檢測裝置報警。施工人員開艙檢查后確認(rèn)刀盤正面的刮刀存在數(shù)量較大的刀具已出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，部分刀片出現(xiàn)了崩斷、脫落的情況。如下圖所示，刀具中的耐磨刀合金片已完全磨損，部分區(qū)域的刀座磨損嚴(yán)重。圖3-2 刀具磨損示意圖后續(xù)，待盾構(gòu)接收后，可發(fā)現(xiàn)刀盤周邊耐磨圈部位

8、也出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的磨損，如下圖所示。 圖3-3 刀盤耐磨圈磨損示意圖4 刀盤修復(fù)過程為了保證刀盤每個軌跡、旋轉(zhuǎn)順逆時針方向上至少存在2把情況良好的刀具，根據(jù)刀盤勘驗的結(jié)果，編制了刀具更換方案。正面刮刀：更換2#、5#、6#、9#、10#、13#、輻條上磨損嚴(yán)重的刀具，總計22把刮刀； 圖4-1 正面刮刀更換示意圖周邊鏟刀：更換3#，7#，11#，15#條幅上的所有鏟刀，總計32把周邊鏟刀；圖4-2 周邊鏟刀更換示意圖此次換刀過程歷時45天，換刀后刀盤扭矩下降、推進速度上升，均有明顯改善，扭矩及推進速度變化如下圖所示。圖4-3 換刀后扭矩及推進速度示意圖5 刀盤磨損原因分析5.1 正面刮刀磨損分

9、析至今為止，在上海使用超大直徑泥水盾構(gòu)的施工案列中，虹梅南路隧道盾構(gòu)機刀盤的磨損情況最為嚴(yán)重。上海地區(qū)類似的施工案例，如上海長江隧道與上海長江西路隧道，同樣使用超大直徑泥水平衡盾構(gòu)，單臺單次推進距離分別為7.5km及3.4km。在盾構(gòu)完成接收后，刀盤正面的刮刀以及周邊的耐磨條均中未發(fā)生明顯磨損。可見，推進距離并非造成刀盤磨損的主要因素。長江隧道主要穿越灰色淤泥質(zhì)粘土、2灰色粘質(zhì)粉土、3灰色粉質(zhì)粘土。長江西路隧道主要穿越灰色淤泥質(zhì)粘土、1灰色粘土、3灰色粉質(zhì)粘土、灰色粉質(zhì)粘土、草黃灰色粘質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土。與上述兩條隧道相比，虹梅南路隧道穿越大量2粉砂土層。上海地區(qū)2粉砂土層的比貫入阻力ps要遠大

10、于其他軟土地層，這與刀具上刀片崩壞、脫落的現(xiàn)象相匹配；另一方面，2粉砂土層中石英等高硬度物質(zhì)加劇了刀盤的磨損速度。另外，在盾構(gòu)推進的過程中，盾構(gòu)機泥水艙內(nèi)2臺攪拌機先后發(fā)生無法正常旋轉(zhuǎn)的故障，左側(cè)攪拌機故障發(fā)生于35環(huán)，右側(cè)攪拌機故障發(fā)生于1092環(huán)。盾構(gòu)接收后，施工人員對盾構(gòu)機泥水艙進行了清理，進而發(fā)現(xiàn)泥水艙中攪拌機附近存在大量的鋼筋混凝土塊。由于盾構(gòu)機在始發(fā)及接收過程中對地下連續(xù)墻中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鑿除是非常徹底的，所以大量鋼筋混凝土塊極有可能來自于盾構(gòu)推進區(qū)內(nèi)的不明地下障礙物，對大量高硬度物質(zhì)的切割可能造成該型盾構(gòu)刀具的額外損壞，這在刀具刀頭的折斷現(xiàn)象上也得到了印證。5.2 周邊耐磨圈磨

11、損分析刀盤耐磨環(huán)出現(xiàn)磨損，在盾構(gòu)機切口環(huán)側(cè)出現(xiàn)了弧型的磨損現(xiàn)象，而盾構(gòu)切口環(huán)側(cè)并未有明顯磨損。經(jīng)分析，其發(fā)生的過程大致可為三個階段。第一階段：由于刀盤半徑略大于耐磨環(huán)半徑，刀盤周邊鏟刀未發(fā)生磨損時，在刀盤旋轉(zhuǎn)時刀盤周邊的耐磨條與土體幾乎不發(fā)生摩擦。、圖5.2-1 一階段施工狀態(tài)示意圖第二階段：當(dāng)?shù)侗P周邊鏟刀的磨損量等于15mm時，刀盤的開挖半徑等于耐磨環(huán)的半徑，周邊刀與耐磨條同時與土體發(fā)生摩擦。圖5.2-2 二階段施工狀態(tài)示意圖第三階段：刀盤周邊刀與耐磨條繼續(xù)發(fā)生磨損。當(dāng)?shù)侗P外徑小于切口環(huán)外徑后，在盾構(gòu)推進時，土體因擠壓被迫進入刀盤與切頭環(huán)之間的通道內(nèi)。由于盾構(gòu)推進時刀盤處于持續(xù)旋轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)

12、，按照推進速度40毫米/分鐘來計算，則每推進1環(huán)隧道（環(huán)寬2米），刀盤與土體之間持續(xù)摩擦?xí)r間約為50分鐘；刀盤直徑為14.93米，按照刀盤旋轉(zhuǎn)速1轉(zhuǎn)/分鐘來計算，則每推進一環(huán)隧道，刀盤與周邊土體之間的摩擦距離約2344米。而刀盤的切口環(huán)在推進時不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，每推進一環(huán)隧道，與土體的摩擦距離為2米，因此出現(xiàn)了刀盤周邊單側(cè)磨損情況較嚴(yán)重的現(xiàn)象。6 思考與小結(jié)1）隨著上海地區(qū)淺層地下空間利用的趨近飽和，軌道交通、公路、市政等領(lǐng)域的隧道深度正在日益增大。往后的盾構(gòu)法施工將更多地涉及砂性地層，盾構(gòu)機刀盤、刀具等部件的選型也需考慮復(fù)合地層帶來的影響。對于施工周邊環(huán)境保護要求較高的工程，可考慮選用具備常壓換刀

13、功能的刀盤。2）在長距里涉及砂性地層的工程中，應(yīng)考慮安裝刀盤正面可視化勘測設(shè)備，以便于更高效、經(jīng)濟地確認(rèn)刀具磨損情況，同時減少人工進艙所帶來的安全問題。3）通過施工數(shù)據(jù)中的變化可以對刀具磨損情況做一個初步判斷。刀盤扭矩與推力的不合理增大，刀盤正反轉(zhuǎn)扭矩差異大等，都是刀具磨損的信號。應(yīng)盡早確認(rèn)是否存在刀具磨損，以便于施工技術(shù)人員根據(jù)周邊環(huán)境、后續(xù)地質(zhì)條件等因素提前籌劃更換刀具的時機。4）針對砂性地層，應(yīng)綜合安全、進度、成本等因素，綜合考慮泥水指標(biāo)的改良方式，從而通過增加潤滑，減少刀具的磨損速率。參考文獻：1屈小軍,劉龍,莫振澤,劉海,張建峰,閔凡路.盾構(gòu)刀具磨損破壞行為與新型刀具研究j.建筑機械化,2019,40(05):42-46.2閔凡路,柏煜新,劉來倉,陳健.盾構(gòu)刀具切削研究進展及非正常磨損實例分析j.中國公路學(xué)報,2018,31(10):47-58.3李超,孫昊,李慶黨.盾構(gòu)機刀具磨損檢測技術(shù)研究j.機械制造,2018,56(12):105-107.4閆玉茹,黃宏偉,程知言,王鉅,周欣,呂亞林.盾構(gòu)切削刀具的布置規(guī)律及優(yōu)化研究j.隧道建設(shè),2010,30(05):508-512+599.5李強,甘鵬路.復(fù)合地層盾構(gòu)刀具磨損控制技術(shù)研