張士龍

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

卵礫石地層隧道盾構(gòu)刀具選型研究

張士龍

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

從國外引進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)刀具配置不能適應(yīng)我國部分城市砂卵石地層卵石粒徑大和石英含量高的特點(diǎn)，刀具磨損及沖擊崩裂嚴(yán)重。本文總結(jié)我國砂卵石地層中盾構(gòu)刀具布置的常用形式及其效果，結(jié)合南京緯七路過江隧道穿越砂卵石地層中盾構(gòu)刀具選型與布置，提出盾構(gòu)刀具布置不僅要遵循幾何對稱和力學(xué)對稱原則，而且要遵循等磨損原則，注意不同刀具之間的協(xié)同作用;砂卵石地層中，正面刮刀(切削刀)和貝型先行刀組合，再輔以其他刀具;在刀具配置中，要慎重考慮貝型先行刀的布置間距和貝型先行刀與刮刀高差的取值。

卵礫石地層 盾構(gòu)刀具布置 幾何對稱 等磨損

隨著城市地鐵、地下道路和過江通道的修建，盾構(gòu)機(jī)被越來越多地應(yīng)用［1］。由于我國的盾構(gòu)技術(shù)剛起步，目前使用的盾構(gòu)機(jī)大部分是從德國和日本進(jìn)口［2］。由于德國和日本砂卵石地層分布較少，其盾構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于砂卵石地層尚不夠成熟。

砂卵石地層是一種咬合不穩(wěn)定地層，粒徑不均，卵石粒徑大、石英含量高、內(nèi)摩擦角大，不適用普通切削，但受擾動后極易自行崩塌，穩(wěn)定性低于多裂隙巖層。在北京、沈陽、成都和南京廣泛分布的砂卵石地層中進(jìn)行隧道施工，盾構(gòu)機(jī)常常出現(xiàn)刀盤刀具設(shè)計(jì)與地層條件不適應(yīng)的情況，有些導(dǎo)致嚴(yán)重工程后果。

本文介紹盾構(gòu)刀具的一般布置形式，總結(jié)我國砂卵石地層中盾構(gòu)刀具布置的常用形式，對南京緯七路過江隧道穿越砂卵石地層盾構(gòu)刀具布置與地層適應(yīng)性進(jìn)行分析。

1 刀具布置一般形式

從優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮，盾構(gòu)刀具按一定的力學(xué)和幾何學(xué)規(guī)律分散布置在刀盤上，從而達(dá)到布局、結(jié)構(gòu)和負(fù)載的合理性［3］。切削刀具主要按阿基米德螺旋線和同心圓的幾何規(guī)律在刀盤上布置，目前采用最多的是阿基米德螺旋線布置法，如圖1所示。

阿基米德螺旋線極坐標(biāo)表達(dá)式為［4］

圖1 阿基米德螺旋線

式中，ρ為極徑，ρ0為極徑初始值，α為常因數(shù)，θ為極角。假設(shè)盾構(gòu)中心刀最大切削直徑為d3，刀盤上切削刀具寬度為b1，則

式中，c為初始切削刀與中心刀的重疊量，計(jì)算如下

式中，ΔN為切削刀的布置數(shù)目N'取余。假設(shè)盾構(gòu)外徑為d1，刀盤切削外徑為d2，周邊刮刀寬度為 b2，如圖2所示，則為

式中，N'一般按照四舍五入取整，Δb為刀具切削軌跡之間搭接重疊量，若無重疊量則Δb=0。

圖2 刀盤尺寸及刀具開挖半徑示意

切削刀一般布置在刀盤輻條或者刀盤面板邊緣，以便切削下來的土進(jìn)入土倉。由于盾構(gòu)刀盤的正反轉(zhuǎn)，切削刀應(yīng)成正負(fù)對稱布置。而且，同一刀盤上切削刀的運(yùn)行距離與其分布半徑成正比，即相同運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，外周切削刀比內(nèi)周切削刀的運(yùn)行距離較長，其磨損較大。按照等磨損布置原則，外周切削刀布置間距一般小于內(nèi)周切削刀的布置間距。比如在切削直徑1/2圓周內(nèi)采用單螺線布置，其余外周采用雙螺線布置，如圖3所示。這種以切削刀布置為主，輔以中心魚尾刀、周邊刮刀和超挖刀的刀具布置形式在進(jìn)口盾構(gòu)機(jī)上較常見，適用于黏土、砂土等軟土地層。

圖3 刀盤切削刀布置示意

2 砂卵石地層刀具布置

北京、成都及沈陽等城市地鐵隧道區(qū)間和南京過江隧道均為典型的砂卵石地層，卵石粒徑大，石英含量高，刀具的磨損及沖擊崩裂嚴(yán)重，依靠切削刀單一切削模式不能滿足工程需要，使用了貝型先行開挖刀，并在膠結(jié)型砂卵石地層使用了滾刀。

刀具切削按原理分為4種:①流水型切削;②剪切型切削;③斷裂型切削;④剝落型切削，見圖4。砂卵石地層對應(yīng)的切削模式為剝落型切削。

目前在砂卵石地層中，盾構(gòu)刀盤主要有3類刀具配置方式:①正面刮刀+周邊刮刀組合，在北京地鐵和沈陽地鐵工程中被采用;②正面刮刀+周邊刮刀+滾刀組合，廣泛應(yīng)用于成都地鐵，北京地鐵也有應(yīng)用;③正面刮刀+周邊貝型刀+先行刀或正面刮刀+周邊貝型刀+中心魚尾刀+先行刀組合，在北京地鐵應(yīng)用較多。工程應(yīng)用表明，第①類及第②類刀具配置方式工程效果較差，刀具磨損嚴(yán)重。因此，在松散砂卵石地層中，配置貝型先行刀成為盾構(gòu)機(jī)刀具配置的重要參考?；谪愋拖刃械?+正面刮刀的刀具配置模式，黃清飛［5］提出了犁松原理。

圖4 四種不同切削模式

對于卵礫石地層，刀盤刀具設(shè)計(jì)與地層條件不適應(yīng)是導(dǎo)致嚴(yán)重工程后果的主要因素，對刀盤或刀具改造后工程效果表明:因刀具過度磨損導(dǎo)致的嚴(yán)重工程事故問題完全可以依靠合理的刀盤設(shè)計(jì)和刀具配置來避免。

工程應(yīng)用表明:對于卵礫石地層，正面刮刀(切削刀)和貝型先行刀的組合方式，再輔以其他周邊刀具，如中心魚尾刀、周邊刀，是刀具布置的較好選擇。在刀具布置方面，除了要考慮刀具布置的幾何對稱性，還要考慮刀具的等磨損原則。同時(shí)，還要注意不同刀具之間的協(xié)同切削。由工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)刀盤外圈刀具的磨損量由下式計(jì)算

式中，δ為磨損量，mm;K為磨耗系數(shù)，mm/km;D為盾構(gòu)刀盤外徑，m;wd為刀盤轉(zhuǎn)動速度，r/min;L為掘進(jìn)距離，km;v為掘進(jìn)速度，m/min。

3 刀具布置與地層適應(yīng)性分析

隨著盾構(gòu)掘進(jìn)地層的不同，刀具的布置也應(yīng)不同，即刀具布置的地層適應(yīng)性需要在施工中驗(yàn)證。下面結(jié)合南京緯七路過江隧道盾構(gòu)刀具磨損情況，對刀具的優(yōu)化布置進(jìn)行探討。

南京緯七路過江隧道主要穿越地層上部由第四系全新統(tǒng)新近沉積松散粉細(xì)砂組成，中部由第四系中密～密實(shí)粉細(xì)砂組成，下部由上更新統(tǒng)密實(shí)礫砂、圓礫等組成，第四系地層下伏基巖為白堊系鈣質(zhì)泥巖夾鈣質(zhì)細(xì)砂巖。本工程盾構(gòu)隧道穿越地層以粉細(xì)砂和礫砂地層為主。

南京緯七路過江隧道工程采用2臺φ14.93 m泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)，刀盤采用輻條—面板式結(jié)構(gòu)，開口率約35%，刀具由189把刮刀(切削刀)(包括118把固定刀和71把常壓可更換刀)、16把先行刀、6對周邊大鏟刀、6對小鏟刀和2把仿形刀組成，刮刀高出面板200 mm，先行刀高出面板250 mm，先行量50 mm。盾構(gòu)刀盤形式見圖5，各類刀具詳圖及介紹如下:

圖5 南京緯七路長江隧道刀盤結(jié)構(gòu)

1)固定刮刀:焊接在刀盤主輻臂上，不可常壓更換，共118把，結(jié)構(gòu)形式如圖6(a)所示。

2)可更換刮刀:可更換切削刀通過特殊構(gòu)造設(shè)計(jì)，作業(yè)人員在主輻臂內(nèi)可實(shí)現(xiàn)常壓更換，總數(shù)71把，中心7個(gè)圓柱刀每軌跡一把，其余每軌跡2把，可更換刀具形式如圖6(b)所示。

3)先行刀:盾構(gòu)所配置的16把先行刀焊接于刀盤主輻條上，總高度250 mm，高出其他刀具50 mm，先行刀結(jié)構(gòu)形式如圖6(c)所示。

4)周邊刮刀:布置在刀盤副輻臂邊緣，成對布置，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)將底部沉積大粒徑土渣刮入土倉。周邊刮刀結(jié)構(gòu)形式如圖6(d)所示。

南京緯七路長江隧道盾構(gòu)既有刀盤刀具在部分?jǐn)嗝娴[砂層中掘進(jìn)約270 m時(shí)出現(xiàn)刀盤及周邊刀嚴(yán)重磨損、刀具合金大面積脫落失效等現(xiàn)象，并且先行刀刀頭整個(gè)上部完全磨損，根據(jù)堆焊痕跡可估計(jì)磨損約90 mm，剩余高度約165 mm，低于刮刀高度，完全失效。由此可知，16把先行刀的數(shù)目過少，不符合等磨損刀具布置原則。

圖6 各類盾構(gòu)刀具結(jié)構(gòu)形式(單位:mm)

根據(jù)等磨損和刀具切削協(xié)同作用原則，貝型先行刀的間距應(yīng)取為其厚度的6倍。根據(jù)目前先行刀常規(guī)設(shè)計(jì)厚度，對應(yīng)間距可取為300～400 mm，同時(shí)根據(jù)國內(nèi)砂卵石地層先行刀設(shè)計(jì)應(yīng)用工程經(jīng)驗(yàn)，先行刀與刮刀高差建議取為40～50 mm。這些建議在南京地鐵10號線和3號線的盾構(gòu)刀盤刀具配置中得到了應(yīng)用。

4 結(jié)論

1)盾構(gòu)刀具布置中，不僅要遵循幾何對稱和力學(xué)對稱原則，而且要遵循等磨損原則，注意不同刀具之間的協(xié)同作用。

2)針對砂卵石地層，正面刮刀(切削刀)和貝型先行刀的組合方式，輔以其他刀具，是刀具布置的較好選擇。

3)正面刮刀(切削刀)和貝型先行刀的組合中，貝型先行刀的布置間距和貝型先行刀與刮刀高差取值是刀具布置成敗的關(guān)鍵。

［1］王夢?。覈叵妈F道施工方法綜述與展望［J］．地下空間，1998，18(2):98-103．

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［3］陳國盛．阿基米德螺旋線在盾構(gòu)技術(shù)中的應(yīng)用［J］．重工與起重技術(shù)，2006(2):18-20．

［4］閆玉茹，黃宏偉，程知言，等．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(5):508-512．

［5］黃清飛．砂卵石地層盾構(gòu)刀盤刀具與土相互作用及其選型設(shè)計(jì)研究［D］．北京:北京交通大學(xué)，2010．

U455.43

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．28

1003-1995(2013)04-0091-03

2012-07-23;

2013-01-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178027)

張士龍(1979— )，男，安徽泗縣人，工程師。

(責(zé)任審編 李付軍)