極端軟硬不均段地層盾構(gòu)刀具磨損及解決措施

極端軟硬不均段地層盾構(gòu)刀具磨損及解決

措施李小龍（中交四航局第一工程有限公司，廣東廣州510510）1工程概況此次以珠機(jī)城際一期工程作為研究案例，其中金融島-橫琴站設(shè)計(jì)為雙洞單線隧道形式，隧道左線的起止樁號(hào)為：DK9+752?DK12+403.685,總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為2.651km；右線起止樁號(hào)為：YDK9+796.198-YDK12+421.840,總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為2.625km,隧道左右沿線全部使用盾構(gòu)法進(jìn)行施工。金融島一橫琴站區(qū)間隧道采用的是鋼混結(jié)構(gòu)的單層襯砌方法進(jìn)行施工，其管片設(shè)計(jì)，為常規(guī)性的楔形環(huán)管片，管片的寬度控制在1.6ni以內(nèi)；管片的厚度設(shè)計(jì)為400mm，管片安裝必須要錯(cuò)縫形式進(jìn)行施工，接縫部位需要做防水處理；管片的外徑設(shè)計(jì)為8500mni,內(nèi)徑設(shè)計(jì)為7700mm；單塊管片的重量設(shè)計(jì)為6.8t。2工程難點(diǎn)及對(duì)策1工程難點(diǎn)該項(xiàng)目施工區(qū)域內(nèi)主要存在2處不良地質(zhì)：第一處的左右線起止樁號(hào)為:DK10+360-DK10+673.YDK10+382-YDK10+713,該區(qū)域剛好處于河道區(qū)域內(nèi)；第二處左右線起止樁號(hào)為：DK11+680-DK11+880、YDK11+645-YDK11+960,該處隧道的埋設(shè)深度控制在16?22m,地面結(jié)構(gòu)層中分布有天然氣管道、自來(lái)水管道、高壓線纜、雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)等。該項(xiàng)目中的不良地質(zhì)數(shù)量較多，具體占比高達(dá)25%,不良地質(zhì)區(qū)域內(nèi)的巖石強(qiáng)度比較高，基本上為上層較軟、下層較硬的地層結(jié)構(gòu)。開挖斷面的上方存在大量碎石塊，開挖斷面臨近海域，在實(shí)際開挖的過(guò)程中應(yīng)盡可能放慢開挖速度，以降低刀具損壞的可能性。在實(shí)際施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)卡死、偏移、塌方等情況的可能性較大，會(huì)對(duì)盾構(gòu)施工帶來(lái)阻礙。2.2應(yīng)對(duì)措施（1）正式施工前，施工單位對(duì)施工區(qū)域的地質(zhì)條件進(jìn)行勘察，勘察的間距控制在3nl?5m。（2）根據(jù)勘察結(jié)果確定出科學(xué)合理的施工技術(shù)參數(shù)，掘進(jìn)過(guò)程中觀察洞內(nèi)出土情況，根據(jù)土石比例確定出巖面的高度，結(jié)合分析結(jié)果對(duì)掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化，最大程度降低刀具損壞的可能性。（3）上層較軟、下層較硬的地層結(jié)構(gòu)中，巖石的強(qiáng)度比較高，結(jié)構(gòu)中的土質(zhì)主要是淤泥土、粉質(zhì)土，軟硬結(jié)構(gòu)層分界部位軟硬差距懸殊,會(huì)對(duì)刀具造成較大的損傷，可以換用低轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，以降低滾刀受到的沖擊力。（4）頻繁測(cè)量渣土的溫度，結(jié)合測(cè)量結(jié)果對(duì)發(fā)泡劑的注入量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，也可以達(dá)到降低刀具磨損的目的。（5）上層較軟、下層較硬地層結(jié)構(gòu)的地質(zhì)條件不理想，地層結(jié)構(gòu)中含有大量碎石塊，導(dǎo)致加固作業(yè)的效率降低。為有效提升施工單位的作業(yè)效率，可以適當(dāng)提高刀具更換標(biāo)準(zhǔn)。3不良地質(zhì)條件下盾構(gòu)刀具磨損分析刀具磨損的過(guò)程在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，切削刀刀頭與土體推擠作用使被切土體產(chǎn)生變形,并成為土屑。因切削刀刀頭與切屑、刀具后面與切削下渣土的摩擦，使刀具在盾構(gòu)掘進(jìn)的過(guò)程中產(chǎn)生磨損。刀具從磨損到損壞的過(guò)程可分3個(gè)階段：(1)第一階段：初期磨損階段。刀具裝配完成后，可以發(fā)現(xiàn)前刀面和后刀面凹凸不平，通過(guò)儀器可觀察到在其表面有很多尖而小的“凸峰”。當(dāng)受到土體作用和渣土摩擦?xí)r，這些“凸峰”會(huì)很快被磨平，這一階段很短，為初期磨損階段；(2)第二階段：正常磨損階段。刀具經(jīng)過(guò)初期磨損后，后刀面會(huì)形成一部分磨損區(qū)域，使刀具與土體的接觸面增大，隨著切削時(shí)間的增加，刀具表面的磨損會(huì)加??；(3)第三階段：急劇磨損階段。在刀具磨損達(dá)到一定程度之后，刀具開始急劇磨損，這種磨損是不均勻、不規(guī)律的，甚至?xí)a(chǎn)生崩刃。刀具磨損的原因分析盾構(gòu)刀具的磨損與地質(zhì)情況、刀具材質(zhì)、所在刀盤軌跡位置及掘進(jìn)參數(shù)有關(guān)，并且隨著刀具切削里程的增加而增大。布置在刀盤外側(cè)的刀具由于掘進(jìn)時(shí)線速度大，使得周邊的刀具磨損快、壽命短。刀具損壞的主要形式有刀具的磨耗和脫落，刀具的磨耗受刀具本身材質(zhì)、所受推力、地質(zhì)條件和刀具切入深度的影響，刀具崩落與安裝方法(焊接或螺栓連接）有關(guān)，施工時(shí)也受刀柄的磨耗和渣土的沖擊影響。盾構(gòu)在掘進(jìn)中會(huì)遇到各種不同地層，從淤泥、黏土、砂層、砂卵石層到軟巖及硬巖等，開挖過(guò)程中刀具受力復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣。刀具的磨損與施工地層密切相關(guān)，淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土等地層對(duì)切削刀的磨損很小，而砂土、砂卵石礫石地層對(duì)刀具的磨損十分嚴(yán)重,非正常磨損急劇增大。長(zhǎng)距離、高強(qiáng)度的硬巖地層，使得原有設(shè)計(jì)目標(biāo)值為較軟巖和較堅(jiān)硬巖的輕型刀盤，在整體強(qiáng)度、刀具布局及配置方式、刀箱結(jié)構(gòu)、破巖理念上均出現(xiàn)明顯的不適應(yīng)性。具體表現(xiàn)為：（1）滾刀數(shù)量少，刀間距大，硬巖切削效果差；（2）周邊滾刀數(shù)量少，全斷面輝綠巖段保徑效果差，周邊鏟刀破壞明顯；（3）滾刀與齒刀在同一輻臂，硬巖地層表現(xiàn)配合不佳；（4）刀箱為輕型，長(zhǎng)距離硬巖掘進(jìn)后，發(fā)生變形；（5）滾刀螺栓及楔塊易受力變形，進(jìn)而影響滾刀拆卸更換；（6）整體抗壓、耐磨性不足，長(zhǎng)距離硬巖掘進(jìn)后，發(fā)生磨損。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)上層較軟、下層較硬的地層結(jié)構(gòu)時(shí)，刀具受到的磨損程度最大，這也就意味著刀具出現(xiàn)損壞的可能性也最大。結(jié)合設(shè)計(jì)圖來(lái)看，隧道上層較軟、下層較硬的地層結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度為1055m。在對(duì)左線進(jìn)行施工時(shí),更換了631把刀具，其中444把刀具屬于正常磨損更換；在對(duì)右線進(jìn)行施工時(shí)，更換了868把刀具，其中515把刀具屬于正常磨損更換。4刀具磨損的解決措施4.1渣土改良(1)泡沫劑的用量。泡沫劑中的原液占比控制在2%?5%,原液的配比量可以根據(jù)底層的含水量進(jìn)行合理調(diào)整，發(fā)泡率保持在8?15倍之間。(2)膨潤(rùn)土的用量。膨潤(rùn)土的比重確定為1.0s,發(fā)酵時(shí)間控制為24h,摻加量為20%?50%。在實(shí)踐時(shí)，施工人員應(yīng)根據(jù)出渣部位的渣土情況、掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)對(duì)摻加劑的具體用量展開分析，不斷優(yōu)化摻加量，以保證發(fā)泡劑擁有良好的流動(dòng)性，避免出現(xiàn)泥餅，降低刀具磨損程度帶壓換刀啟動(dòng)作業(yè)倉(cāng)與主倉(cāng)之間的平衡控制閥門，確保作業(yè)倉(cāng)與主倉(cāng)之間的氣壓差保持平衡，然后使用專業(yè)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)倉(cāng)內(nèi)的氣體，保證倉(cāng)內(nèi)不存在有害氣體，控制人員在倉(cāng)外填寫壓力控制表。滾動(dòng)更換流程如下。(1)現(xiàn)安裝臺(tái)面安裝并進(jìn)行加固處理；使用吊帶對(duì)滾刀進(jìn)行捆綁，確保滾刀的牢固性；利用吊鏈將滾刀掛?。凰砷_螺帽的保護(hù)裝置；將墊圈移開并對(duì)壓塊進(jìn)行調(diào)整；利用撬棍將滾刀撬開，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，假若有需要?jiǎng)t可以對(duì)螺桿進(jìn)行加固；將滾刀從刀箱中移除，并將新裝置的滾刀移動(dòng)至新部位；當(dāng)新滾刀安裝完成以后，具體的安裝要求為：在安裝之前對(duì)底座進(jìn)行清理，檢查底座是否發(fā)生變形；還需要兼顧滾刀移動(dòng)的方向，確保滾刀安裝不會(huì)出現(xiàn)偏差；安裝入楔形塊;安裝可調(diào)節(jié)性的壓塊，使用螺母進(jìn)行加固。(2)當(dāng)滾刀更換完成以后，作業(yè)人員會(huì)檢查刀盤及倉(cāng)內(nèi)的實(shí)際情況，確保倉(cāng)內(nèi)不會(huì)遺落不必要的其他物品。技術(shù)人員應(yīng)檢查排氣口、送風(fēng)口、倉(cāng)門的質(zhì)量，在檢查合格以后將倉(cāng)內(nèi)的壓力消除［6-8］。盾構(gòu)機(jī)的合理選型4.3.1盾構(gòu)機(jī)的參數(shù)選型在選擇盾構(gòu)機(jī)時(shí)，必須保證盾構(gòu)機(jī)具備解決突發(fā)狀況的能力，同時(shí)盾構(gòu)機(jī)的性能不會(huì)與現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件發(fā)生沖突，提高施工效率。施工單位在經(jīng)過(guò)全面考慮以后，確定出如下盾構(gòu)機(jī)選型技術(shù)參數(shù)：(1)盾構(gòu)殼體：盾構(gòu)設(shè)備的外徑為①8780mni；盾構(gòu)機(jī)尾部的縫隙為30mm；盾構(gòu)機(jī)的長(zhǎng)度為14950mm；盾構(gòu)機(jī)的寬度為12210mm；主機(jī)的長(zhǎng)度為11250mm；盾構(gòu)機(jī)尾端的封閉處理：鋼絲刷+鋼板刷+槳板。(2)注入管：①前端注漿管道：4個(gè)規(guī)格為3B(80A)的注漿管；6個(gè)規(guī)格為2B(50A)的注漿管；②構(gòu)件安裝位置：主倉(cāng)的隔斷板數(shù)量為4個(gè)，盾體部位的隔斷板數(shù)量為6個(gè)；③注漿管類型：10個(gè)規(guī)格為3B(80A)的注漿管；④盾構(gòu)機(jī)外側(cè)注漿管：6根規(guī)格為2B(50A)的注漿管，注漿管設(shè)置為2排。(3)左線刀盤：①刀盤類型：面板式刀盤；②外徑：08820mm；③開口率：不得低于30.0%；④主切削口：配備130個(gè)削口；⑤外周保護(hù)口：配備12個(gè)；⑥導(dǎo)流切削口：配備10個(gè)；⑥底座保護(hù)：配備30個(gè)保護(hù)裝置；⑦磨損檢測(cè)：配備2個(gè)檢測(cè)裝置；⑧注漿管保護(hù)裝置：配備10個(gè)保護(hù)裝置；⑨單刃滾刀：配備40個(gè)滾刀；⑩雙刃滾刀：配備6套；?中間部位的滾刀：配備8套。(4)右線刀盤：①刀盤類型：面板式刀盤；②外徑：08820mm；③開口率：不得低于27%；④主切削口：配備130個(gè)削口；⑤外表面保護(hù)裝置：配備12個(gè)保護(hù)裝置；⑥導(dǎo)流切削口:配備10個(gè)削口；⑥底座保護(hù)裝置：配備30個(gè)保護(hù)裝置；⑦磨損檢測(cè)裝置：配備2個(gè)檢測(cè)裝置；⑧注漿管保護(hù)裝置：配備10個(gè)保護(hù)裝置；⑨單刃滾刀：配備40個(gè)滾刀；⑩雙刃滾刀：配備6套滾刀；?中間部位的滾刀：配備8套滾刀。(5)刀盤主驅(qū)動(dòng)：①刀盤驅(qū)動(dòng)：配備12臺(tái)變頻設(shè)備，其中2臺(tái)作為備用設(shè)備；②刀盤的扭矩：常規(guī)作業(yè)扭矩設(shè)計(jì)為12082kN-m、脫困狀態(tài)下的扭矩設(shè)計(jì)為14498kN?mo(6)推進(jìn)系統(tǒng)：選擇使用雙閘型系統(tǒng)；設(shè)備的內(nèi)徑為lOOOnm；設(shè)備的扭矩為182.5kN-m0(7)同步注漿系統(tǒng)：注漿注率確定為180%；采用柱塞泵；單液注漿泵數(shù)為2個(gè)。(8)盾尾密封系統(tǒng)：選擇密閉式系統(tǒng)，使用鋼板刷進(jìn)行封閉處理；耐壓數(shù)值為L(zhǎng)OMPa；配備2排鋼絲刷，1排鋼絲刷，1排鋼板刷。(9)后續(xù)臺(tái)車：①類型：上下兩層結(jié)構(gòu)形式；②設(shè)備：注漿設(shè)備、油泵、變壓器、壓縮機(jī)等等；③臺(tái)座高度：12m；④數(shù)量：6節(jié)；⑤臺(tái)座牽引長(zhǎng)度：1000mm；⑥軌道距離：2600mm；⑦臺(tái)座的空檔長(zhǎng)度：3329mm。4.3.2盾構(gòu)機(jī)選型的注意事項(xiàng)經(jīng)過(guò)綜合考慮以后，施工單位配備2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，規(guī)格為①8.82m,這種盾構(gòu)機(jī)可以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件，盾構(gòu)機(jī)的開口率可以滿足實(shí)際施工的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)需求。針對(duì)不良地質(zhì)路段，對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行如下改進(jìn)處理:(1)假如巖土強(qiáng)度比較高的情況下，刀箱出現(xiàn)變形的可能性非常大，當(dāng)?shù)断涑霈F(xiàn)變形以后，必然會(huì)對(duì)刀具的使用壽命造成負(fù)面影響。所以在刀箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要兼顧刀盤震動(dòng)帶來(lái)的影響。(2)刀盤在掘進(jìn)過(guò)程中，會(huì)在外部作用力的影響下逐漸向盾體一側(cè)產(chǎn)生變形，這種情況下，刀具的受力情況會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致刀具損耗越來(lái)越嚴(yán)重。因此，在選擇刀具時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先選擇剛度比較大的刀盤。(3)螺旋機(jī)的容量機(jī)出土水平滿足實(shí)際作業(yè)的需求，但是在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，螺旋機(jī)出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該提高螺旋機(jī)的抗沖擊性能、抗剪性能。(4)掘進(jìn)至巖石層時(shí)刀盤磨損的程度明顯增大，建議可以適當(dāng)提高圈梁材料的耐磨性。(5)巖土層的渣土改良會(huì)對(duì)刀具的磨損狀況造成巨大的影響，本施工項(xiàng)目配備有2臺(tái)盾