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泥水盾構刀具磨損機理分析

2019-1-30 來源：沈陽（yáng）軍區工（gōng）程科研所長江勘測規（guī）劃（huá）設計研作者：馮淑芳洪甘霖

【摘要】隨著（zhe）城市地下空間開發強度的持（chí）續加大，泥水盾構法因其適應性強、施工質量好和對環境幹擾小等諸多優勢而得到廣泛應用，但（dàn）其刀具磨損已成為（wéi）製約複雜地層掘進（jìn）的重要問題（tí）。論文（wén）分析了泥水盾構切刀的基本切削過程和泥水盾構切刀磨損與地層的特性關係，闡述了不同地層切刀（dāo）的磨（mó）損機理，對不同地層掘進時切刀選擇和（hé）掘進參數的設置提出了建議。

【關鍵（jiàn）詞】泥水盾構；刀具；磨損機理；地層

1 、引言

我國自 20 世紀（jì） 90 年代起開始采用盾構法修建（jiàn）各類隧道。泥水盾（dùn）構施工優質（zhì）高效、安全可靠，對周（zhōu）邊環境幹擾小，適合於在高水壓、高滲透、淺覆蓋及不穩定地層等複雜地質條件區域施工（gōng），使用日漸增多。

泥（ní）水盾構需長距離掘進，且換刀（dāo）條件差，刀具磨損問題已經成為大直徑盾構隧道掘進過程中麵臨的突出問（wèn）題。因此（cǐ），研究大直徑泥水盾構掘進過程中刀具磨損問題，以減小盾構刀具磨損（sǔn），避免（miǎn）因（yīn）刀具磨損失效帶來的事故，有利於確保盾構（gòu）隧道工程經濟、安全、高效、順利的完成

。

2、切刀（dāo）的基本（běn）切削過程（chéng）

泥水盾構切刀的基本切削過程是：隨（suí）著盾構（gòu）的推（tuī）進和刀盤（pán）的旋（xuán）轉，切刀逐漸（jiàn）插入泥（ní）膜，開（kāi）挖麵被切削土體在（zài）刀刃及前刀麵的雙重作用下（xià），發生變形（xíng）並承受（shòu）較高應力，一旦（dàn）應力值超過（guò）土體本身的強（qiáng）度（dù），該部分土體將在（zài）刀刃附近與原土體分離，並在切刀繼續切削的過程中因前刀麵（miàn）的導流作用從原土體脫離開來，成為切（qiē）屑（xiè），進入泥水盾構刀盤前（qián）部的泥漿之中。切刀的（de）切削過程示意圖見圖 1。

圖 1 切刀切削過程示意圖

切刀切削（xuē）土體過程中，被（bèi）切削土體產生的變形可以大致區分為（wéi） 3 個變形區，如圖 2 所（suǒ）示。變形區 I 是切刀刀刃及後刀麵部分隨著盾構的推進（jìn）和刀盤的旋轉對土體產生擠壓作用造成（chéng）的變形區。變形區 II 主要是前刀麵前部的土體由於切刀切削時前刀麵對被切（qiē）削（xuē）土體產生的外推的作用（yòng）而（ér）造成（chéng）的剪切變形區。

變形區 III 是隨著切削的進行，被（bèi）切削脫離原土體的切（qiē）屑向（xiàng）外流動時與切刀前刀麵之間產生擠壓而（ér）造成的變形。

圖 2 切（qiē）削區（qū）土體變形示意圖

從切刀切削土體的過程來看，土體對切刀的磨損可以區分為兩個類型：第一類（lèi）是切刀切削土體時刀刃（rèn）部分與被切削土體直接接觸、摩擦而使得刀刃變短變平的磨損，這類磨損的持續進行將對（duì）刀刃的切削效果產生直接影響，稱為一次磨損。第二類為被切削下的土體，即渣土，流動（dòng）離開被切削地（dì）層時對刀具的磨損，稱為二次磨損（sǔn）。

切刀切削土體時，被切削（xuē）土體的破壞是由土體中（zhōng）剪應（yīng）力超過土體強度極限造成的，土體（tǐ）沿最大剪應力麵發（fā）生破壞。對被切削脫離的土體及刀具進行受力分析，可以發現刀具的磨損受土體物理性質、刀盤旋轉速度、刀具切削時的切深影響很大。當泥（ní）水盾構的切刀刀刃磨（mó）損後，刀刃倒角變大，摩擦加劇（jù），致使切刀（dāo）切削時的阻力增大。

切刀的刀刃磨鈍之後，刀具磨損麵與所切削土體之間的擠壓力增大，刀具磨損麵（miàn）與被切削（xuē）土體間的摩擦力也（yě）會增大，從而導致刀具磨損速度的加快。

3 、泥水盾（dùn）構切刀（dāo）磨損與地層特性關係（xì）

切刀切削不同土體時，切削狀態是不一樣的，切削產生的渣土形態及其流動方式均不相同，與地層性質、刀具參數（前、後角（jiǎo））、切（qiē）削速度及切削深度等（děng）有關。刀具開挖土體時（shí）產（chǎn）生的渣土流（liú）動形式主要有（yǒu） 4 種，如圖 3 所示[4]。對淤泥、富水黏土、粉（fěn）土以及粉細砂地層而言，非常（cháng）適合采用泥（ní）水盾構施工。此類地層的特點是土體強度較低，切刀（dāo）切削土體時，被（bèi）切削土體在刀刃進給的作用下發生較為連續的剪切變形，切削下來的渣土沿（yán）著切刀前刀（dāo）麵向外流動，即為流水型切削。

這種情況下，切刀所受的切削阻力較小而且（qiě）較為穩（wěn）定，切刀的磨損主要表現為正常磨損，一般不容易發生（shēng）崩刃等現象（xiàng），切刀可以使用較長的距離（lí）。

圖 3 渣土流動形式（shì）

當泥水盾構在強度比較（jiào）高的黏土、粉土地層掘進切削時，主要發生剪切型的切削。切刀切削土體時，土（tǔ）體產生壓（yā）縮變形，當土體所（suǒ）受剪應力超（chāo）過承受（shòu）極限時，土體會在以刀刃為起點的某個斜麵產生剪（jiǎn）切破壞，導致土體（tǐ）從被切削地層脫落。當泥水盾構在高強度、低含水（shuǐ）量的黏土、粉土（tǔ）地層或者高膠結強度、填充密實的礫砂地層掘進切削時（shí），由於土體自身（shēn）強度較高，被切削土體在（zài）切刀的擠壓作用下先產生（shēng）壓縮變形，但並（bìng）不（bú）立即發生破裂，仍然維持相對完整的形狀，當被切削土體所受應力隨著切刀的繼續（xù）切削而超過土體（tǐ）自身強度時，裂紋產生在刀刃處，被切削（xuē）土體隨即破壞。

斷裂型切削實際上是剪切型切削的特殊形態，不同之處在（zài）於斷裂（liè）型切（qiē）削產生的土渣較剪切型切削的更小。當泥水盾（dùn）構在普通礫砂及砂卵石地層掘進時，由於土（tǔ）體顆粒的粒徑（jìng）較（jiào）大，而粘聚力較小，切刀切削（xuē）時所起的作用並非切削，而是鬆動地層，從土體中把礫石、卵石（shí）等的大顆粒剝離（lí）出（chū）來，也即切刀在該地層主要發生剝離性切削。

被切削土（tǔ）體（tǐ）的破壞形態及（jí）切削下來的土渣的流（liú）動形式與土體發生破壞時的受力狀態有關。流水型切削、剪切型切削、斷裂型切削中被切削土（tǔ）體破壞是由剪（jiǎn）切變（biàn）形導致的塑性（xìng）破壞（huài），而在剝落型切削中，拉伸變形是導致被切削土體發生脆性（xìng）破壞的主因。

土屑流動形態受切削土體參數（shù）、切削速度和切（qiē）深等因素的影響，因此，在同一地層切（qiē）削時，不同的掘（jué）進參數、不同的刀具參數會（huì）改變（biàn）切刀切削時渣土的流動方式。

4 、不同地層條（tiáo）件下刀具的磨損（sǔn）機理

切刀（dāo）切（qiē）削時，土體中的硬質顆粒使切刀刀刃逐漸損耗，導（dǎo）致切（qiē）刀磨（mó）損，隨著切削的進行，磨損愈加嚴重，切刀的刀刃慢（màn）慢被磨平，如果切削繼續進（jìn）行，則會進一步（bù）磨損刀體。這樣的（de）磨損是切（qiē）刀在切削中最常見的磨損狀態，稱之為正常磨損。工程實踐證明（míng），一般情況下切刀的正常磨損（sǔn）較慢。當泥水盾構在淤泥、黏土、粉土等地層中掘進（jìn）時（shí），以流水型、剪切型切削（xuē）為主，刀刃（rèn）通常為正常磨損，後刀麵的磨損也很輕（qīng）微，在此類（lèi）地層掘進時，刀具可采（cǎi）用大前角、小後角的設（shè）計（jì），並在切削中采（cǎi）用較高（gāo）的刀盤轉速，這樣既可以減小推進阻力又能降低推進（jìn）扭矩（jǔ），從而提（tí）高（gāo）了掘進（jìn）效率。

切刀在粉細砂地（dì）層切削時，刀具的（de）磨損同樣主要（yào）為正常磨損，但該類地層中石英等硬質顆粒含（hán）量高（gāo），在切刀後角比較小的情況下，切屑的流動會對後刀麵造成較為嚴重的磨損，即二次磨（mó）損（見圖 4）。在此類地層掘進時，切刀的後角要比在淤泥（ní）、黏土、粉土地層切削時取得更大。當泥水盾構在礫（lì）砂及砂卵石地層掘（jué）進（jìn）時（shí），對刀具的磨損十分嚴（yán）重。

圖 4 切刀（dāo）後（hòu）刀麵二次磨損

此類地層中，不但切（qiē）刀的（de）正常（cháng）磨損速度很塊，而且後刀（dāo）麵的磨（mó）損速度也遠大（dà）於在（zài）前述兩類地層中掘進時（shí）的情況。當後刀麵被磨損到一定（dìng）程度是，會造成刀刃與刀體的連結強度降低，進而導（dǎo）致刀刃的（de）脫（tuō）落。切刀在（zài）此類地層工作，麵臨的另一個嚴重問題是刀具極易出現刀刃崩裂（liè）的現象。由（yóu）於此類地層中硬質顆（kē）粒（lì）的（de）體積大、強度高，切刀切削時對（duì）刀刃（rèn）的衝擊較大（dà），加（jiā）之本地的以剝落型切削為主，被剝離的礫石、卵石不但會對刀具造成嚴重的二次（cì）磨（mó）損（sǔn），而且（qiě）它們被剝離原土體墜落的過程中有可能會撞擊其他（tā）刀具，容易導致（zhì）其他刀具因衝擊而破壞（huài）（見圖 5）。

圖 5 礫砂及砂卵石（shí）地（dì）層刀具磨損

切刀在此類地層中切削時，要適當地降低刀盤（pán）旋轉速度，盡量避（bì）免切刀以較高的速度切削地層時（shí）與地層中（zhōng）的礫石、卵石發生撞擊，同時，考慮到刀刃在該地層很容易（yì）與各種大體積硬質顆粒相碰，切刀（dāo）的刀刃要適（shì）當（dāng）鈍一些，以增強抗衝擊能（néng）力。

5 、結語

盾構刀具切削不同類型地層時，刀體受力及切削下來的土渣流動情況均不相同，對刀具的磨損機理也不一樣（yàng）。當泥水盾構在淤泥、黏土、粉土等地層中掘進時，刀刃的磨損為正常磨損，且磨損輕微；在粉細砂地層切削時，刀具的磨損同樣主要為正常磨損（sǔn），但該類地層中二次磨損較為嚴（yán）重，有可（kě）能導致（zhì）刀具合金齒脫落；在礫砂及（jí）砂卵石地層切削時，刀具的正常磨（mó）損速度快，二次磨損嚴重，可能導致刀刃與刀體的連（lián）結強度降低，進而導致刀刃（rèn）的脫（tuō）落；地層中的大塊硬質顆粒會對切刀產生較大衝擊，致使切刀刀刃崩裂；被剝離的礫石、卵石不但會對刀具造成嚴重的二次磨損，還有可能（néng）會撞擊其他刀具，導致（zhì）其它刀具因衝（chōng）擊而破壞（huài）。

切削不同地層時，盾（dùn）構刀具所用材料硬度及抗彎強度應當有所選擇，刀具的參數及合金與刀體連結工藝也應有所不同，以（yǐ）達到較好的切削效（xiào）果，降低刀具磨損。在礫砂及砂卵石地層掘（jué）進時，在滿足施工進度要求時，刀盤轉（zhuǎn）速、掘進（jìn）速度、錐入度都應該盡量取小，以降低刀（dāo）具磨損；為降低渣土對刀具二次磨損（sǔn）的同時防止（zhǐ）泥漿中硬質顆粒對（duì）刀具的二次磨損（sǔn）過大，泥漿密度要保持在一定的範圍內。

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