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超大直徑盾構（gòu）穿越長江上軟下硬地（dì）層刀具配置和優化研究與應（yīng）用

2020-3-19 來源：中交（jiāo）青島軌道R3線工程項目中交第一公（gōng）作者：張亞果姚占虎

摘要（yào）：隨著國內公路、鐵路、城市軌道交通的發展，超大直（zhí）徑盾構在水下隧道工程的應（yīng）用越來越廣（guǎng）泛，水下隧道盾（dùn）構刀盤刀具的合理選型配置一直是施工的難點。文章以南京緯三（sān）路過江通道項目為例，介紹了（le）盾構刀具前期設計理念，分（fèn）析（xī）了刀具在高石英含量、上軟下硬地（dì）層中非正常磨損的機理，通過對滾（gǔn）刀和主切削刀具型式的優（yōu）化延（yán）長了刀具（jù）壽命，減少了水（shuǐ）下帶壓換刀（dāo）的次數，提高了刀具的適應性、耐久性，可為以後類似工程（chéng）提供經驗借鑒。

關鍵詞 ：盾構刀具上軟下硬地層非正常磨損滾刀重型撕裂刀

1、引言（yán）

隨著我國城市化的發展和交通需求量的（de）增長，超大直徑盾構在跨江過海隧道工程中得到廣泛應用。截（jié）止2016年（nián）6月，國內（nèi）直徑14 m以上的盾構隧道項目有21例（含在建項目）[1]。盾構應用逐步向直徑更大、埋深更深（shēn）、距離更長、地質更複雜的方向發（fā）展。合理的（de）盾構刀（dāo）具（jù）選型和配置成為工程取得成功（gōng）至關（guān）重要的（de）因素。

近些年來，國內盾構（gòu）刀具的破岩機理、設計加工等技術研究得（dé）到了空前發展。夏毅敏等[2]對盾構刀具破岩過程及切削特征進行了研究；陳雷[3]對（duì）盾（dùn）構刀具使用材料的處理工藝進行分析；邢慧（huì）堂[4]以南京長江隧道工程為例，分析了砂卵石（shí）地層條件下，盾構刀具（jù）失效的原因，並製定了（le）相應的刀具結（jié）構優化的對策（cè），從而實現刀具壽（shòu）命（mìng）的最大化；季玉國[5]等對國內（nèi）多（duō）個（gè）水下隧道盾構刀具的使用和管理進行分析，提出（chū）盾構刀具管理的前期設計、過程使用管理、刀具更換等環節係統管理理念。目前國內超大直徑盾構穿（chuān）越複合地層的施工案例較少，在（zài）該方麵刀具的設計、使用研究相對較少，本文以南京（jīng）緯三路過江通道施工為例，就高石英含量、上軟下硬地層（céng）中超大直（zhí）徑盾構刀具的選型和使用進行（háng）係統分析和研究（jiū），為以後類似工程施工提供（gòng）經（jīng）驗借鑒。

2 、南京緯三路過江通道項目概況

南（nán）京（jīng）市緯三路過江通道是南京城市總體規劃確定的城市重要過江通道之一（yī），是溝通聯係老城中心區、河西（xī）新城（chéng）區和江北新市區的最直接便捷的快速通道。南京市緯三路過江通道工程位於南京長江大橋上遊約5 km 處（chù），已建成通車的南京緯七路長江隧道下遊約4 km處。S線盾構段長度4.135 km，N線盾構段長度 3.557 km。盾構開挖直徑 15.02 m,施工中承受的最（zuì）高水壓 0.74 MPa，岩層（céng）段（duàn）石英（yīng）含量高達65%，江底隧道覆土厚（hòu）度淺，S 線隧道局部覆土厚度隻有0.6倍盾構直徑，一次掘進距離長。盾構掘進需穿越卵石層、泥岩（yán）層、砂岩層，同時沿線需穿越樁群和風井，以及潛在孤石、漂木、鐵錨、沉船等不明障（zhàng）礙物。盾構（gòu）穿越（yuè）地（dì）層如圖1所示。

圖1 S線隧（suì）道地質縱斷麵

3、盾（dùn）構刀具設計配置

3.1 盾構刀具設計配置情況

盾（dùn）構刀盤（pán）結構采用輻（fú）條+麵板形式，刀盤開口率約 25.7%，開挖直徑（jìng） 15 020 mm，見圖 2。刀盤（pán）由 4根滾刀輻條、4 根切削刀輻條（tiáo）及 8 個麵板組成，主（zhǔ）要配置切削刀和滾刀兩種類型刀具，共 717 把。具體刀具配置及功能如表1所（suǒ）示。

表1 南京緯三路過江通道盾構刀具配置

圖2 南京緯三路過江通道盾構刀盤刀具

3.2 盾構刀具配置設計理念

刀具配置設計使用分為3個階段：

（1）第1階段：盾構始發到入岩段掘進（jìn）。該階段地（dì）層主要（yào）為淤泥質粘土層、粉質（zhì）砂層（céng）、砂卵石地層（céng）。參與土體切削（xuē）的主要為常壓可更換切削刀（dāo）和先行刀。兩種刀（dāo）具高出刀盤200 mm，在盾構始（shǐ）發階段高出滾刀 40 mm，先行（háng）刀（dāo）起到（dào）保（bǎo）護滾刀作用（yòng）。若刀具磨損達到40 mm，在常壓下更換切削刀。

（2）第2階段：上軟下（xià）硬岩石段地層掘進。該階段地層主要為（wéi）砂卵石層、泥岩、粉質砂岩。進入此階段前常壓可更換切（qiē）削（xuē）刀退後 100 mm，低於滾刀 60mm，起（qǐ）到保護（hù）作用，滾刀參與掘進切削。滾刀出現磨損後，推（tuī）出應（yīng）急滾刀（dāo），應急滾刀可分兩次（cì）推出。

（3）第3階段：岩石段結束至（zhì）盾構接收段。該階段地（dì）層（céng）主要為淤泥質粘土層、粉質砂層、砂卵石地層，其中（zhōng）還需穿越梅子洲風井。常壓可更換切削刀推出至高出刀盤200 mm位置掘進（jìn）切削，滾刀不參與切削。

4 、刀具（jù）使用檢查情況及存在（zài）問題

4.1 常壓可更換主切削刀具檢（jiǎn）查

盾構在進入硬岩以前（qián）對主切削刀進行了三次檢查，分別為 315 環、476 環和 572 環。刀（dāo）具磨損情況具（jù）體如下：

（1）315環主切削刀具檢查（chá）結果（表2）

表2 315環主切削刀具（jù）檢查情況統計

本次檢查選取四把典型位置刀具（jù），分別是刀最外周刀具2把（bǎ）、中部1把、內側1把。該段盾構掘進通過了（le）始發加固段、粘土層和中粗砂地層。根據檢查情況來看，刀盤（pán）外側刀具有一定的（de）磨損，內側刀具基本（běn）沒有磨損（sǔn），這說明粘土層和中粗砂對刀具的磨損是很小的。外周刀具有合金崩斷和刀（dāo）座磨損（sǔn），這是由於加固段土體強度較高造成的。

（2）476環主切削刀具檢查結果（表3）

表3 476環主切削刀具檢查（chá）情況統計

本次共檢查了24把刀具，更換刀具16把。該段盾構掘進（jìn）通過了中粗砂、礫砂、圓礫（lì）卵石地層。根據刀具檢查情況來看，外（wài）周的刀具大部分（fèn）合金崩斷，圓礫卵石（shí）地層對刀具非正常磨損影響比較大，刀具合金崩斷占到檢查刀具總數的58%。

（3）572環主切削刀具檢查結果（表4）

表4 572環主切削刀具（jù）檢查情況（kuàng）統（tǒng）計

本次共檢查了 22 把刀具。該段盾構掘進（jìn）通過了中（zhōng）粗砂、礫砂（shā）、圓礫卵石、泥岩地層，即將進入（rù）粉砂岩地層（céng）。根據刀具檢查情況來看，外周的刀具磨損基（jī）本在20～30 mm，部分刀具合金（jīn）斷裂。

4.2 主切削（xuē）刀具存在的問題

從（cóng）主切削（xuē）刀檢查結果分析，刀具的磨損量與設計基（jī）本吻合，刀盤外周刀具約掘進200 m更換一次，但在施（shī）工中出現了以下突出問（wèn）題：

（1）刀具因加工工藝（yì）原因（yīn），部分刀具合金過早脫落或崩斷，造成刀具（jù）非（fēi）正常磨損。

（2）砂卵石地層刀（dāo）具合（hé）金崩（bēng）斷問題嚴重，特別是（shì）刀盤（pán）最外周（zhōu）刀具。

（3）掘進過程中部分刀箱變形，刀具無法更（gèng）換，出現部分（fèn）刀具掘進軌跡（jì）上無刀具（jù）的情況。

4.3 滾（gǔn）刀刀具檢（jiǎn）查

在盾（dùn）構換（huàn）刀前通過帶壓進艙作業（yè）對滾刀進行了三次檢查，分別為 476 環、572 環（huán）和 592 環位置。刀具（jù）磨損情況具體如（rú）下：

（1）476環滾刀檢查情況

通過帶壓進艙作業，對 1#條幅的 1、2、3 號刀具進行了檢查。具體（tǐ）情況見表5。從檢查結果分析看：在 476 環（huán）前地質主要為淤泥質（zhì）粘（zhān）土、中粗（cū）砂、卵石及圓礫地層，最外周滾刀雖（suī）

未參與掘進，但在卵（luǎn）石及（jí）圓礫地層中磨損較嚴重（圖3～圖5）。

表5 476環滾刀檢查情況統計

圖3 1#-1滾刀磨損

圖4 1#-2滾刀磨損

圖5 1#-3滾刀情況

（2）572環刀具檢查情況

通過帶壓進艙作業，對3#條幅的（de）1～4號刀具（jù）進行了檢查。具體情（qíng）況見表6。

表6 572環滾刀檢查情況統計

從檢查結果分析看：盾構在（zài）推進到570環時，推進參數發生了較大變化，推進扭矩上升，推進速（sù）度急劇下降，說明盾構掘進已經進入粉砂岩地層。從476 環到（dào） 572 環，泥岩地層會造（zào）成刀箱堵死，加之滾刀啟動扭（niǔ）矩較大，出現刀具偏磨問題（圖 6、圖（tú） 7）。經過（guò）長距離的砂卵石、泥岩等複合地層掘進，外周滾（gǔn）刀的磨損較（jiào）為嚴重，但因該地層較差，進行長時（shí）間帶壓（yā）開艙作業風險大，因（yīn）此此次檢查未換刀，推出備用滾刀繼續掘進。

圖6 3#-1滾刀磨損

圖7 3#-2滾（gǔn）刀磨損

（3）592環刀具檢查情況通過帶壓進艙作業，對7#條幅的1～9號刀（dāo）具進行了檢查。具體情況見表7。

表7 592環滾刀檢查情況統計

從檢查結（jié）果分析看：盾構從 572 環到 592 環，掘進40 m，地層（céng）為3～6 m的粉砂岩、9～12 m的砂卵石地層（céng）。粉砂岩最大抗壓強度為（wéi） 128 MPa，石英含量高達65%，刀具嚴重磨損的主（zhǔ）要原因如下：

① 在上土下岩地層，刀盤在軟硬不均（jun1）位置產生的彈（dàn）性變形造（zào）成對（duì）滾刀的衝（chōng）擊碰撞（zhuàng），是（shì）外（wài）周 3 把滾刀刀圈斷裂主要（yào）原因（圖（tú） 8～圖 10）；其次初裝滾刀采用的（de）是刃體分離式刀具，刀圈材料（liào）在該地層的不適應性是刀圈斷裂的另一原因。

② 7#-5滾刀雙刃斷裂是由於與脫落（luò）的先（xiān）行刀、刀圈、卵石等發生碰撞，造成刀具的二次（cì）磨損而斷裂（liè）。

③ 由於刀箱的自身設計原因，在高溫高壓狀態下，刀箱極易堵塞結泥餅，致使部分刀具產生偏（piān）磨問題。

5 、刀具（jù）結構設計優化

圖8 7#-2滾刀磨（mó）損

圖9 7#-3滾刀磨損

圖10 7#-5滾刀磨損

通過以上刀具檢查分析可（kě）知，在南京緯（wěi）三路過江通道上軟下硬地層，盾構初裝滾刀中的外周滾（gǔn）刀掘進長度為 30～40 m。該段地（dì）層長度約 600 m，若采用初裝（zhuāng）滾（gǔn）刀繼（jì）續掘進，需要換刀 15～20 次，將對（duì）成本和進（jìn）度影響較（jiào）大，因此（cǐ）必須優化調整滾刀原設計結（jié）構（gòu）。

5.1 滾刀非正常磨損原因分（fèn）析

（1）在複合地層軟硬不均交界麵，刀（dāo）盤轉動產生的衝擊力致使部分刀圈崩刃或斷（duàn）刃。

（2）在掘進過程中硬質異物造成二次磨損。

（3）實際地質性質超過了（le）初裝滾刀的適用切削範圍。

5.2 第一次滾刀優化方案（àn）

滾刀型式由分體式（shì）雙刃滾（gǔn）刀優化為一體式雙刃尖齒滾刀（dāo），見圖11。

（1）刀圈硬度HRc55～57；刀刃間距為90 mm。

（2）刀齒嵌入刀刃的深度為35 mm±2 mm。

（3）刃上刀齒之間的耐磨堆（duī）焊層厚度為3 mm±0.2 mm。

（4）刀齒材料為碳化鎢硬質（zhì）合金。

圖（tú）11 一體（tǐ）式雙刃尖齒滾刀

一體式雙刃尖（jiān）齒滾刀在試掘進的過程解決了分體式刀圈崩刃和斷刃的問題，但也出現以下問題（圖12）：

（1）因刀圈耐磨堆焊厚度較（jiào）小，部分（fèn）刀圈磨損嚴（yán）重，合金齒鬆動脫落（luò）。

（2）在（zài）軟硬不均地層掘進中，合金齒（chǐ）齒尖受力不均，易（yì）出現斷齒或鬆動。

（3）刀齒嵌入深度（dù）不（bú）夠。

圖12 一體式雙刃尖齒滾刀非正常磨損

5.3 第二次滾刀優化方（fāng）案

根據以上存在的問（wèn）題，對滾刀的結構型式進（jìn）行了第二次優化，見圖13。

（1）合金齒形狀由尖齒調整為圓齒。

（2）刀齒嵌入刀刃的深度為40 mm±2 mm。

（3）刃上刀（dāo）齒之間的耐磨堆焊層厚度為5 mm±0.2 mm。

圖13 一體式雙（shuāng）刃圓齒（chǐ）滾刀

5.4 常壓可（kě）更（gèng）換主切削刀優化

常壓可更換主切削刀設計理（lǐ）念為，盾構始發掘進到硬岩段後，退回200 mm；待硬岩掘進完成（chéng）後，推出繼續掘進剩餘的軟土地層。從 0～572 環掘（jué）進（jìn）檢查結果分析（xī）看，在（zài）砂卵石地層中，主（zhǔ）切削刀具磨（mó）損嚴重，需大（dà）量更換；其次是部分刀具刀箱變形，已無法實現常壓換刀。在上軟下硬地層（céng）掘進完成後，剩餘2 400 m 多為（wéi）砂卵石地層，且（qiě）還需穿越梅（méi）子洲風井。為了避免多次常壓或帶壓換刀作業，對軟土地層掘進（jìn）刀具進（jìn）行了優化。結（jié）合滾刀刀箱結構型式，軟土地層刀具優化為可更換式重型撕裂刀，具體見圖14。為增強撕裂刀的耐磨性和整體性，刀體材料采用40CrNiMo（鍛造），合金材料選用KE13，合（hé）金的焊接方式采用中高頻銀基釺（qiān）焊，合金抗彎強度（dù）大於等於 2 800 MPa，合金（jīn）的硬度為 HRA87-88，刀（dāo）體堆焊耐磨層厚度為 5 mm。刀體堆焊耐磨層強度大於等於HRC58。

6、刀具優化後（hòu）的（de）使（shǐ）用效果

6.1 一體式雙刃圓齒滾刀與分體式雙（shuāng）刃滾刀對比

圖14 可更換式重型撕裂刀

（1）掘進距離方麵：刀盤最外周（zhōu）一體（tǐ）式（shì）滾刀平均掘進距離為83 m，分體式滾刀平均掘進距離為34m，掘進距離提高了 2.4 倍，較大幅度地延（yán）長了刀具使用壽命，減少了帶壓換刀的頻次，降低了施工風（fēng）險。

（2）刀具非正常磨損方麵：采用一體式滾刀，未出現刀圈崩刃或斷刃問題，而分體式滾刀幾乎都會出現崩刃或斷刃問（wèn）題，因此徹底解決了上軟下硬地層因刀盤彈性變形衝擊或硬質物體二次（cì）碰撞導致的磨損問題。不過，一體式（shì）滾刀還（hái）需加強合金齒與刀體安裝工藝，減少斷齒（chǐ）或齒鬆等問題。

6.2 常壓可更換主（zhǔ）切削刀與可（kě）更換式重型（xíng）撕（sī）裂刀對比

（1）掘進距離（lí）方麵：常壓可更換主切削刀掘進長度為 1 140 m，其中包含（hán）盾構始發段、砂卵石地（dì）層（約 270 m），此類刀具（jù）在（zài）砂卵石地層平均（jun1）掘進長（zhǎng）度為250～300 m。可（kě）更換（huàn）式重型撕（sī）裂刀掘進長度2 400m，其（qí）中包含梅子洲風井（60 m）、砂卵石地層（270m）、盾構接收段。一直到（dào）掘進完成，未進行任何換刀，且刀（dāo）具磨（mó）損僅（jǐn）2～3 mm。

（2）刀具非正常磨損方麵：常壓可更換主切削刀在掘進中多次出現合金斷裂或偏磨嚴重的（de）問題，而可更換式重型撕裂刀未（wèi）出現任何非正常磨損。

（3）換刀作業方式（shì）方（fāng）麵（miàn）：常壓可（kě）更換（huàn）主切削刀可采用常壓（yā）狀態下換刀（dāo）作業方式（shì），施工風險較小，但常因刀箱變形存在無法更換的現象。可（kě）更換式重型撕裂刀（dāo）更換必須采用帶壓作業方式，施工風險高，但其耐磨性高，掘進（jìn）距離長，更換次數（shù）較少。

7 、結論與（yǔ）建議

（1）通過（guò）對南京緯三路過江通道施工實例分析研究，超大直徑盾構在穿越上軟下硬複合地層時應針對實際地質條件，“量（liàng）身（shēn）”設計刀盤刀具。設計階段對（duì）施工中可能出現的（de）問題要有詳細的、可操作的處理應急方（fāng）案，因為（wéi）一些施工問題在盾構（gòu）設備選型階段無法徹底解決（jué）。

（2）可更換式（shì）重型撕裂刀在砂卵石單一地層掘進中優勢明顯，若長距離地在砂卵石地層掘進，采用可（kě）更換式重型撕裂刀可避免（miǎn）換刀作業風險。

（3）一體式雙（shuāng）刃圓齒滾刀的成功應用解決了上軟下（xià）硬地層盾構掘進中斷刃或崩刃等非正常磨損（sǔn）問題，很大程度上延長了刀具使用壽命，為（wéi）以後（hòu）類似工程提供了經驗借鑒。

（4）由於刀箱結構原因，在（zài）泥岩等地（dì）質條（tiáo）件下刀箱易結泥餅，滾刀（dāo）偏磨問題嚴重（chóng），對於該問題今後還（hái）需做（zuò）進一（yī）步研究（jiū）。

（5）為（wéi）增強刀具的（de）耐磨性和整體性，應研究選（xuǎn）用抗剪性好且硬度大的優質（zhì）鋼材製作刀具，並采用堆焊硬（yìng）質合金等技術提高刀具的耐磨性。為此，在材料選擇和鍛造工藝上仍需進一步研究。

（6）隨著材料技術（shù）的發展，盾構刀具材料應（yīng）不斷（duàn）創新發展，特別是在複合地層掘進中，應根（gēn）據地層不同配置不同材料的刀具，盡可（kě）能延長刀具壽命。

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