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泥水盾構刀具刀筒及聯接螺栓損壞（huài）原因及對策

2020-3-5 來源：中鐵十四局集（jí）團有限公司作者：趙國（guó）棟

摘要（yào）: 係統總（zǒng）結了大（dà）直徑泥水（shuǐ）盾構（gòu）在土（tǔ）岩複合地層中掘進時其配備的常壓可更（gèng）換（huàn）刀具、刀筒（tǒng）及聯接螺栓的失效問題（tí），分（fèn）析了造成其失效的原（yuán）因，提出了有針對（duì）性的改進措施，並取得了良好的改進效（xiào）果。

關鍵詞: 刀具（jù），刀筒，複合地層，大直徑泥水（shuǐ）盾構

0 引言

隨著我國地（dì）鐵事業的蓬（péng）勃發展，地鐵隧道修建區域地質條件也越來（lái）越複雜，上土下岩複合地層就是近年來比較常見（jiàn）的（de）複雜地層。該地質條件下（xià），開挖麵介（jiè）質（zhì）軟硬不均，大直徑泥（ní）水（shuǐ）盾構在土岩（yán）複合地層中修建時常常麵臨各部件磨損嚴重的問題，然（rán）而（ér）對於這（zhè）方（fāng）麵的研究還有所欠缺。在刀具非正常磨損方麵，竺維彬等［1］係統總（zǒng）結了複合地層掘進過程中滾（gǔn）刀的磨損情況，定性分析了（le）滾刀（dāo）的磨（mó）損並提（tí）出相應對策; 王瑤等［2］對滾刀的（de）磨損情（qíng）況進行了分析，並總結了相關規律; 王永喜［3］、劉曉毅［4］、林師俊（jun4）［5］、海鷗［6］、梁戰平［7］等分析了土壓平衡盾構在（zài）土（tǔ）岩（yán）複合地層中滾刀的損壞情（qíng）況及相應原因，劉高峰等［8］大體分析了刮刀磨損特點，並提出了一些改進措施; 唐歡［9］、董伯讓［10］等基於工程實例，對盾構刮刀常見的失效（xiào）形式及原因進行了分析，但（dàn）上述研究成果（guǒ）與常（cháng）壓（yā）可更（gèng）換刀（dāo）具研究無關，目前也尚無針對刀筒及（jí）刀具固定螺栓失效的研究。鑒於此，本文立足於武漢軌道交（jiāo）通 8 號線越江隧道盾構段，對工程（chéng）施工過（guò）程中遭遇到的常壓可更換刀具、刀筒及聯接螺栓的非正常損壞情況進行總結，分析造成（chéng）其失（shī）效的原（yuán）因，提出有針對性的具體改進措（cuò）施。

1 、工程概況

1． 1 工程簡介

武漢軌道交通 8 號線越江隧道盾構段全長 3 186 m，穿越的地層（céng）有粉（fěn）細砂、泥質粉砂岩、強風化礫岩、弱膠結礫岩、中等膠結礫岩、圓礫土（tǔ）、中粗砂等，其中江中段（duàn）上部為粉細砂、中間 1 365 m 為強風化礫岩（yán）、中下 750 m 為弱膠結（jié）礫岩、底部 430 m 為中等膠結礫岩，屬（shǔ）典型的上軟下硬複合地層; 中等膠結（jié）礫岩侵入隧道斷麵最高達 4． 5 m，最大抗壓強度達 40 MPa。

該（gāi）隧道采用直（zhí）徑（jìng） 12． 5 m 的泥水平衡盾構機，刀盤外側 45%區域布置有滾刀或齒刀( 可互換) ，中（zhōng）心（xīn） 35% 區域布置（zhì）有中心刀，之間 20% 區域布置有正麵先（xiān）行刀，刮刀則密（mì）布於（yú）除中心 20% 區域以外的區域。

1． 2 遭遇的工程難題

自 590 環( 1 180 m) 起，盾構機進入以中等膠結礫岩為主的複合（hé）地層，這期間掘進（jìn）外在表（biǎo）現為: 分離石子增多，驅動扭矩變大，貫入度變小，掘進速度降低; 陸續出現刀具( 滾刀、刮刀) 崩裂或偏磨、刀筒( 滾刀、刮刀) 磨損或開裂、聯（lián）接螺栓鬆（sōng）動（dòng）或斷裂等。

2 、刀具損壞

2． 1 損壞情況總結

主（zhǔ）要表現為: 中心刀根部掏空，刮刀與先行刀（dāo）崩（bēng）齒、偏磨，二合一齒刀出現兩頭崩齒、中間嚴重磨損，滾（gǔn）刀出現嚴重磨損、偏磨甚至刀圈（quān）斷（duàn）裂，詳見圖 1。

圖 1 刀具磨損情況

2． 2 原（yuán）因（yīn）分析

1) 原刀（dāo）具刀刃偏鈍，對前部泥土擠壓大（dà）於切削。2) 刀盤布置281 把刀（dāo），每個軌跡（jì） 2 把～ 6 把，刀密度偏大（dà），特別是刀盤中心區域。3) 刀具材質未兼（jiān）顧硬（yìng）度與剛度的平衡; 刀具形狀（zhuàng）未兼顧到銳角與（yǔ）鈍角的平衡（héng）; 刀刃與其背後母體不成比例; 刀圈及刀刃的材質不太適應複合地層。4) 齒刀及球齒滾刀不適用於中等膠結礫岩（yán）地層。5) 先（xiān）行刀釺焊工藝質（zhì）量問題導致其刀刃（rèn）整體脫（tuō）落。6) 刀具損壞明顯呈（chéng）現由某軌（guǐ）跡向兩邊輻射的特點: 21 /22 滾刀使用周期過長失效，19 號（hào）刮刀處於（yú） 21 /22 滾刀軌跡之間（jiān），因 21 /22滾刀失（shī）效，其承載力大增導致過載; 19 /20 球齒滾刀因打孔鑲齒及焊接原因刀（dāo）圈強度減弱，同時使用周（zhōu）期過長而失效，18 號刮刀處於 19 /20 滾刀軌跡之間，因（yīn） 19 /20 滾刀失效，其（qí）承載力大增導致過載; 17 /18 滾（gǔn）刀鄰近 18 號刮刀（dāo），受其失效影（yǐng）響，導致嚴重偏磨。7) 由於滾刀與刮刀的設計受力分別為 310 k N，100 k N，底部的中等膠結礫岩強度遠大於詳勘（kān）的 24． 4 MPa，在（zài）貫入度均值 10 mm/rot 的情況下，由於操作不穩貫入度瞬間值高達 28 mm/rot ～ 36 mm/rot，任何（hé）刀（dāo）具都承受不了（le）如此大的瞬間衝擊力，滾（gǔn）刀（dāo）刀（dāo）圈首先（xiān）受（shòu）損，經多次衝擊後最終（zhōng）疲勞崩斷，失去（qù）切削功能，接著（zhe）把本應（yīng）滾刀承擔的切削力加到了相鄰軌跡的刮刀上（shàng），又導致刮（guā）刀超載而嚴重磨損甚（shèn）至崩齒（chǐ）。8) 操作人員對滾刀磨損傳感器報警（jǐng）不夠敏感，導致刀具檢查不及時。9) 刀盤副臂上（shàng）的大刮刀破損脫落導致（zhì）底部的礫石渣土堆積，造成刀具二次磨損。

2． 3 應對措施

1) 根據地層變化適時改變（biàn）刀型、角度及尺寸（cùn）。2 ) 中心區域去掉部分刮刀，每個軌跡僅保留 2 把。3) 滾刀采用耐衝擊性更（gèng）強的光圓式而（ér）非球齒式（shì）; 刮刀采用改進型，材質優（yōu）先考慮剛度（dù）;正麵先行刀處於無滾刀覆蓋區域，宜加強釺焊工藝，兩端封（fēng）閉焊接保護; 采用改進型，材質兼顧硬度（dù）與（yǔ）剛度; 中心刀采用改進型，兩端封閉焊接保護，多考慮（lǜ）硬度及渣土（tǔ）流動性。4) 刀具廠家切實加強滾刀刀圈、刮刀刀刃的材質。5) 合理設置刀具檢查周期，並根據報警情況及時調整檢查。6) 擇機高壓進倉焊接安裝刀盤副臂上（shàng）的大刮刀（dāo），解決底部礫石堆積刀具二次磨損問（wèn）題（tí）。

3 、刀筒損壞

3． 1 損（sǔn）壞情況總結

滾刀失效( 斷裂（liè）或脫落) 後其刀筒（tǒng）嚴重磨損，最嚴（yán）重時（shí）掘進（jìn）13 環就損壞（huài） 15 把，呈現出以 21 /22 滾刀為中（zhōng）心，刀筒磨損最為頻繁，漸次向兩邊輻射遞減的規律; 軟（ruǎn）土刀( 刮刀、正麵先行刀、中心刀) 外刀筒頻繁開（kāi）裂，其中刮刀刀筒自法蘭拐彎處開裂 15 cm ～25 cm 不等，詳見圖 2。

圖 2 刀筒損壞情況

3． 2 原因分析（xī）

1) 受地質因（yīn）素影響滾刀雙（shuāng）刃受力不均，加上滾刀（dāo）設計為不合（hé）理（lǐ）的單軸雙刃( 特別（bié）是刀盤外過渡圓弧處（chù）) ，導致滾刀嚴重偏磨，磨到一定高度後刀（dāo）筒相應部位隨之磨損。2) 底部的碎石卡在滾刀側麵導致滾刀不轉，轉到中上部粉細砂層時又（yòu）因反作（zuò）用力（lì）小導致滾刀不轉而平磨（mó），磨到一定高（gāo）度後刀筒相應部位隨之磨損。3) 滾刀固定螺栓部分或全（quán）部（bù）斷裂，導致滾刀失去支撐點而無法轉動，直接引起刀筒磨損。4) 滾刀失效（xiào）後，本該滾刀承受的（de）力（lì）瞬間（jiān）作用在與其臨近軌跡的刮刀上，過大的阻力首先傳遞到刮刀（dāo）內刀筒上（shàng），導致刮刀固定螺栓受力過大受剪易折（shé），嚴重者甚至將（jiāng）內刀筒端蓋頂出，造成高壓冒漿危險; 最終作用在刮刀外（wài）刀筒上，導致外刀筒閘門處開焊甚（shèn）至閘門法蘭變形漏漿。5) 以部（bù）分（fèn）刮刀（dāo）為例:13L 刮刀的切削軌跡在滾刀 9 /10 兩刃之間，809 環時，9 /10 滾刀（dāo）雖然正麵磨損僅（jǐn） 11 mm ～ 13 mm，但偏磨量卻高（gāo）達 60 mm，滾刀單刃失效直接導致（zhì） 13L 刮刀位於底部時需要破岩而過載，此（cǐ）時與13L 刮刀相連的內刀筒逆運動方向大幅度（dù）擺動，直接碰到了與其外端相連、中間隻有 1． 5 mm 間隙的刮刀外刀筒，經多次撞擊後，再（zài）加上力臂的（de）作用，過大的彎扭矩導致刮刀（dāo）應力最（zuì）集中處即薄弱的法蘭拐彎處開裂。以（yǐ）此類推，14Ｒ刮刀的切削軌跡在滾刀 11 /12 兩刃之間，15Ｒ刮（guā）刀的（de）切削軌跡在滾刀 13 /14 兩刃之間，18L 刮刀的切削（xuē）軌跡在滾刀 19 /20 兩刃（rèn）之間，17Ｒ刮刀（dāo）的切削軌跡在滾刀 17 /18 兩刃之間，除了磨損量有所不同外，其刀筒開裂過程均同 13L 刮刀。

3． 3 應對措施

1) 焊補（bǔ）、打磨，修複磨損的滾刀刀筒。2) 聯係專（zhuān）業廠家對刮刀刀筒潛在的裂痕進行探測。3) 預定成品滾刀、刮（guā）刀刀筒。4) 從閘門法蘭（lán）處用三角（jiǎo）鐵對刮刀外刀（dāo）筒進行加固。5) 從刀（dāo）臂內側對刮刀內刀筒端蓋壓塊進行圓鋼支撐。

4 、聯接螺栓損壞

4． 1 損壞情況總結

在中等膠結礫岩為主的複合地層中，刮刀刀頭聯接螺栓變形及（jí）滾刀固定螺栓斷裂頻繁; 地質由（yóu）中等膠結礫岩逐漸轉為弱（ruò）膠（jiāo）結時，滾刀螺栓頻繁鬆動斷裂，甚至滾刀掉入（rù）刀筒內( 見圖 3) 。因螺栓全斷先後造成 7 把滾刀、5 把齒刀、2 把刮刀脫落刀盤麵，直接經濟損失 30 多萬元。

圖 3 聯接螺栓損壞情況

4． 2 原因分析

1) 底部局部礫岩過硬，超（chāo）過了 310 k N 的滾（gǔn）刀受力設計及100 k N 的刮刀受力設計（jì），直接造成其聯接螺栓過載。2) 由於軟硬不均，加上礫岩厚薄變化，貫入度在（zài）一定範圍內忽高忽低而不好控製，最終造成聯接螺栓受力不均，在高（gāo）點時過載。3) 底部弱膠結地層中存在著較大的塊石或礫岩，外緣滾刀由於處於過渡（dù）圓弧處（chù）結構受力複雜，再加上刀盤上支撐滾刀刀筒的外轂被嚴重磨損，滾刀刀筒外圈（quān）密封不良且側向受力增大，間接地影響到了滾刀的受力（lì）甚至軌（guǐ）跡，最終傳遞到滾刀單側聯接螺栓上（shàng），從而帶動滾刀及其聯接螺栓受（shòu）力及力矩增加甚至超載。4) 聯（lián）接螺栓拆裝次數遠超 6 次，內在組織已存在一定程（chéng）度的疲勞變形。5) 聯（lián）接螺栓拉伸強度（dù）不足或抗（kàng）剪切強度不足，硬度（dù）與剛度兼容度不好。6) 刀筒使用高達 20 次左右，並且多次取斷絲，刀筒內的螺栓內絲存局部受傷甚至疲勞; 另外安裝順序不合理、安裝步驟簡化、緊固力矩不勻等。

4． 3 應對措施

1) 適度控製貫入度，並隨著地質變化適（shì）時（shí）而變。2) 將內層反作用力不足的滾刀及時更換為齒刀。3) 擇機高壓進倉（cāng），焊修刀盤上與滾刀刀筒相配合的圓轂。4) 凡是拆卸超過 6 次的聯接螺栓，無論變形與否一律更換新的。5) 盡量采購盾構機原裝螺栓或國產著（zhe）名螺栓，嚐試更換更高等（děng）級的，加強驗收，利用第三方檢測機構分批抽樣進行破（pò）壞性試驗並出具報告。6) 加強螺（luó）栓安裝控製———裝刀前用絲攻對刀（dāo）筒（tǒng）上（shàng）的內絲進（jìn）行順絲修正，用氣或水將清理下來的雜物( 鐵屑、泥土) 衝（chōng）掉，最後用柴油清孔; 為了彌補齧合輕度偏離，擬在螺栓螺母齧合絲扣端（duān）部呈 180°。滴上兩滴（dī）螺紋防鬆劑; 螺栓緊固嚴格按自內而外、對角擰緊的原則; 緊固力矩嚴格按規定的（de）三步驟（zhòu）進行; 為了消除緊固（gù）力矩不均（jun1）勻（yún），采用風炮預（yù）緊、液壓扳手複緊的精準方式; 受傷較嚴（yán）重的母（mǔ）牙考慮攻絲擴孔，甚至考慮刀（dāo）箱報廢換新（xīn）。

5 、改進效果

在分析常壓可更換刀具( 滾刀（dāo）、刮刀) 損壞、刀筒( 滾刀、刮刀)損壞、聯接螺栓（shuān）損壞原（yuán）因的基礎上，對盾構機存在的刮刀磨損或偏磨、滾（gǔn）刀崩裂或平磨、滾刀刀筒磨損、軟土刀外刀筒開裂、刮刀（dāo）聯接螺栓變形、滾刀螺栓斷裂等典型問題進行了（le）有針對性的（de）處理措施，取得了顯著的（de）改進效果: 在地質幾乎沒有變化的條件下，改進（jìn）後，刀具、刀筒及聯（lián）接螺栓有效使用（yòng）壽（shòu）命成倍提高，刀具（jù）、刀筒、聯接螺栓更換次數大大降低，盾構日掘進量也由 2 環～ 3 環提高至 4 環～ 5 環，提高了工作效率，追趕了工期，節約了盾構耗材成本，最為重要地降低了盾構施工的江底風險。

6 結語

本文通過（guò）對（duì）武漢軌道（dào）交通 8 號線越江隧道盾構機在（zài）複合地層經曆（lì）的刀具（jù）、刀筒及其聯接螺栓損壞（huài）的大量案例（lì），由表及裏深入淺出的剖析，較詳（xiáng）盡（jìn）地闡述了從（cóng）現象到檢（jiǎn）查過程再到原因分析直至處理措施的全過程覆蓋，是一份不可多得的同類地質掘進可參考的（de）作業指導手冊，必將發揮出其更大的經濟效益及社會效益。

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