任 燕

(中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西太原 030032)

廣深港客運專線獅子洋隧道位于東涌站—虎門站區(qū)間。線路出東涌站后，自沙公堡起，以隧道下穿小虎瀝、小虎島、沙仔瀝、沙仔島、八塘尾水道、獅子洋水道、虎門港沙田港區(qū)6號泊位、規(guī)劃虎門港的監(jiān)管保稅倉庫及沿江高速公路后出地面。

隧道全長10 800 m，是目前國內隧道最長、標準最高的水底隧道，同時也是世界上速度目標值最高的水底隧道，是廣深港客運專線的控制性工程。盾構隧道從上到下地層依次為:人工填土層、海陸交互相沉積層(粉質粘土層、淤泥層、淤泥質土層、粉土層、粉細砂層、中砂層、粗砂層、礫石卵石層)、沖積層(粘性土層、淤泥質土層、粉細砂層、中砂層、粗礫砂層、礫石卵石層)、殘積土層、基巖(全風化巖層、強風化巖層、弱風化巖層)。

2008年2月8日我部盾構掘進正式始發(fā)，至今已有1.5年時間。期間我們通過不懈努力針對獅子洋隧道的地質變化，摸索出專門應對不同地質變化的刀具調整及使用經驗。截至2009年8月31日，盾構掘進已過半，根據(jù)地質報告并結合我部現(xiàn)階段施工特點，復雜地質情況已全部順利通過，剩余部分均為全斷面巖層且?guī)r層較軟，中間夾雜有少量破碎帶，地質情況相對比較穩(wěn)定非常有利于盾構掘進。在全斷面巖層中施工風險大大降低，換刀頻率也隨之降低。由于地質情況復雜刀具的用量遠遠超出設計數(shù)量，根據(jù)當前地質情況分析刀具的消耗已成為最大的必需消耗品之一。其中刀具磨損主要集中在上軟下硬、復合地層、全斷面風化泥質粉砂巖這三種地層。

根據(jù)施工經驗影響盾構刀具使用壽命的主要因素有以下8點:

第1點:刀具與地質不相適應。

在刀盤設計過程中對地質情況不完全了解或完全脫節(jié)，引起刀具分布/配置不合理(如:破巖能力差、刀盤/刀具偏磨、頻繁換刀、刀盤/刀座變形等)。在施工中主要表現(xiàn)為掘進困難，刀盤變形、磨損盾殼、刀具磨損嚴重影響工程進度，增加施工風險和成本。

在現(xiàn)階段施工過程中與地質不相適應的主要是指滾刀破巖能力差引起的推進困難、推進扭矩大。刀具破巖能力的強弱由刀圈的強度和刃口形狀決定(刃口有圓弧形和方口形兩種，刀圈分為普通刀圈和重形刀圈)。

充分證明更換新刀圈之后掘進比較困難，因為刀圈刃口只有磨損后才能達到最佳破巖狀態(tài)。

由此可見方口形刀圈的刃口要磨損與圓弧形刀圈磨損成相比較困難，所以在現(xiàn)該地層圓弧形刀圈更有利于破巖。

第2點:偏磨位置刀具的正確安裝。

刀具偏磨是盾構掘進中常見的磨損形式之一，偏磨的形式有單邊磨、多邊磨兩種，其中影響刀具安裝的主要是單邊磨。單邊磨損過的刀具，在開挖面刀具軌跡線位置會出現(xiàn)一條圓弧凸出部分(見圖1)。

圖1 偏磨刀具

當換裝新刀時，新刀安裝位置已被開挖面凸出部分占據(jù)，此時所安裝刀具只能施加外力將刀圈擠壓到開挖面內，這樣新刀才能安裝在刀盤(見圖2)。

圖2 新刀安裝示意圖

在刀盤轉動時刀圈上主要受力有F1擠壓力、F2圓周力、因擠壓力而產生的與圓周力F2反向的摩擦阻力。當新刀裝好后刀盤轉動時必須要克服摩擦阻力，圓周力F2也會隨之增大。真正作用在刀圈上的力是以上各個分力的合成(即最大合力F3)，當F3大于刀圈強度時，刀圈就會出現(xiàn)斷裂。

因此偏磨刀具的正確安裝方法應該是分步驟逐步換裝，磨損程度不同的兩種以上刀具，將挖開面的凸出部分依次逐漸切削至與其他切削面相同高度。此時才能對偏磨刀具進行更換，否則新刀在安裝過程中刀圈斷裂的現(xiàn)象也會成倍增加。

第3點:產生安裝變形、內應力。

在刀具裝配過程中最易產生內應力的地方是刀圈裝配時，因為刀圈與刀轂配合時要求過盈量在0.2 mm左右，在裝配前需要對刀圈進行加熱到190℃，但是加熱溫度不能超過230℃(達到這個溫度時就會影響熱處理工藝)，保溫90 min以上。刀圈膨脹后就可以順利地裝入刀轂。

刀圈裝配產生的內應力主要是由于加熱溫度不到位、保溫時間不夠、裝配不及時造成的冷變形不均勻收縮等產生的內應力。這種應力的產生主要集中表現(xiàn)在已修復刀具在吊裝運輸過程中，外部沖擊力作用下刀圈斷裂，以及在高溫天氣條件下對新修復刀圈保管不到位，在廣州地區(qū)高溫直射且多雨的天氣里，刀圈熱膨脹引起內應力變化，雨水突然降落此時已修復刀具的刀圈會炸裂。因此解決這類問題嚴格控制安裝工序和主要參數(shù)指標，做好刀具保管存放。

第4點:浮動密封的靜、動態(tài)調試。

滾刀浮動密封主要功用是隔離刀體內部與外界環(huán)境，一套浮動密封由上下相同的兩部分組成，滾刀轉動時浮動密封一側固定，別一側隨刀圈的轉動而轉動。浮動密封的質量性能要求非常高，在浮動密封不能正常工作或者是不能保壓時，浮動密封性能一受到影響，此時刀體內部必定會有泥漿進入，泥漿進入刀體內時刀具軸承必定會全部損壞因而導致刀圈無法轉動，從而引發(fā)刀具偏磨現(xiàn)象，更嚴重時會發(fā)刀圈斷裂、偏磨刀轂、以及磨損刀盤的嚴重后果。

以上所述問題均由浮動密封安裝不到位、安裝清潔度不夠、密封質量問題引起。要解決此類問題關鍵是對已裝配刀具進行動、靜態(tài)保壓試驗。

在刀具調試過程中，第一步進行靜態(tài)調試其主要內容是在上端蓋注油口處，增加一個氣管密封裝置和壓力表一個，接入氣源保證氣壓在8 bar時保壓60 min，來檢驗浮動密封在靜止狀態(tài)下的密封性。浮動密封的動態(tài)調試要根據(jù)不同安裝位置而定，并且與刀具的軌跡線有直接關系，由于每一把刀具在刀盤上的安裝位置不同，不但導致每一把刀的運動軌跡不同，且每一把刀轉動時的線速度也不同，也就是說刀盤每轉一圈刀盤外圈位置的刀具工作量最大、中心位置最小。

為了便于刀具的檢測試驗，要求對所有刀具按照最大工作量進行動態(tài)調試。以開挖面最大直徑11.182 m、刀盤以每分2.5轉計算得出總長度為87.77 m、刀圈周長1.35 m、測試刀具每分鐘轉數(shù)為65轉。動態(tài)測試就是在刀圈以每分鐘65轉時，壓力達到8 bar并保壓30 min，只要滿足這個要求動態(tài)測試才算合格。

影響浮動密封的因素很多，例如:

1)灰層對密封平面影響。2)在安裝時工人隨手用柴油與密封膠圈接觸，它對膠圈有腐蝕性，破壞密封性。3)密封平面沒成套使用，因為同一套密封中的兩個鋼圈密封平面，是在同一臺精密磨床上，同時成形的。4)密封鋼圈取出后要密封面向上，水平放置不能有任何磕碰。

第5點:啟動扭矩調試。

刀具調試中啟動扭矩不是一個常數(shù)，不同的安裝位置、不同的地質情況的扭矩都各有不同。在刀具調試中扭矩大小是最重要的參數(shù)，它是將單純的機械裝配與盾構地質情況相結合，以保障盾構順利掘進。根據(jù)前期經驗總結和相同地質條件下的其他在建工程證明，如果刀具啟動扭矩與地層不相適應，刀具磨損量是正常情況的3倍以上。

根據(jù)現(xiàn)階段我工地地質條件的特點，每次換刀后都要仔細觀察刀具的磨損部位、磨損情況并詳細統(tǒng)計記錄。針對出碴情況與刀具磨損情況對刀具進行調整，通過2次～3次的調整后就可以全面掌握該種地質情況下刀具啟動扭矩應該設多大為宜。

通過多次對扭矩的調整，實踐中充分證實在全斷泥質粉砂巖、巖層抗強度在40 MPa～60 MPa且石英含量不高時，刀具啟動扭矩24 n/m是最佳的。

啟動扭矩的調試對于任何一個工程而言都是不一樣的，不能一概而論給它下一個定值，根據(jù)施工經驗一般地質只能在20 n/m～30 n/m之間進行調試，調試過程中調整幅度不宜過大(每次應控制在1 n/m～2 n/m)。影響啟動扭矩的外界因素還有很多，例如:刀具隨意堆放，沒有作防雨措施或防雨措施不完善，雨水通過上下端蓋和刀轂的間隙，滲入刀體就會引刀轂內部生銹及污染潤滑油等都會影響刀具的不正常磨損及整個刀體損壞。

第6點:活塞損壞。

活塞是大埋深地質隧道中專用刀具的一種特殊部件，它是一個壓力平衡裝置。在盾構掘進時開挖面切口水壓不斷地波動，活塞桿(圖3中序號5)在刀具所處位置水壓力的作用下活塞桿在活塞腔內往復運動，活塞腔內的氣體不斷地被壓縮和釋放從而達到與外界壓力平衡。

圖3 活塞桿示意圖

當在活塞桿正常工作時，可以有效地解決刀具破巖時，由巖層反作用力造成的刀體變形，從而提高刀具的使用壽命。活塞有三種損壞情況:活塞缸磨損、活塞不能移動、漏氣，這些情況都是影響壓力平衡的核心因素。壓力不平衡最易造成刀具變形、扭曲等情況。

第7點:焊接卡環(huán)。

焊接卡環(huán)是滾刀裝配的最后一道工序，該工序直接影響著刀圈的力學性能和使用壽命。由于卡環(huán)焊接不當在刀具運輸、吊裝過程中最易發(fā)生刀圈斷裂，其斷裂的原因是:

1)卡環(huán)安裝位置錯誤。卡環(huán)安裝位置錯誤是指卡環(huán)被切割(切成兩段便于安裝)后，卡環(huán)沒有完全放入卡槽內?？ōh(huán)與卡槽之間存在有間隙，當?shù)毒呔蜻M轉動時卡環(huán)逐漸被磨損，導致卡圈脫落、刀圈移位。

2)焊接電弧對刀圈的破壞。當卡環(huán)正確安裝后要對卡環(huán)進行焊接固定，由于現(xiàn)場操作不規(guī)范，部分工人責任心不強，經常發(fā)生卡環(huán)焊接時忘記裝填充料。填充料雖然小但是對刀具的影響卻是非常大。

填充料的作用主要是隔離刀圈，避免焊接電弧(焊接電弧可達10 000℃)與刀圈直接接觸造成的熱工藝、力學特性、化學特性、金屬表層晶相組織的變化。因此在沒有填充料填充時直接進行焊接的刀具在焊接點處最容易出現(xiàn)刀圈斷裂。

其正確的焊接方法是:采用3 mm厚的紫銅板作為填充料填滿卡槽間隙將刀圈與焊材隔離，然后用不銹鋼焊條(φ2.5)均勻堆滿整個卡槽缺口。

第8點:優(yōu)質潤滑油(220號齒輪油)。

刀具潤滑油的特性主要是指抗磨損性以及刀具內部產生高溫積聚對潤滑性能的影響(油脂的變質)。

高溫引起油脂變質是刀具在掘進轉動時隨著刀具分布位置及工作量的不同、啟動扭矩的變化、隧道埋深壓力的變化都會引起刀具內部溫度的變化。

其中特別是邊緣滾刀的線速度最大，其工作量是中間部位滾刀的10倍以上，巖層對邊緣刀的沖擊性也最大，隧道埋深大、壓力也隨之增加。因此對刀具潤滑的要求也越高，當溫度長期處于高溫狀態(tài)工作時油脂發(fā)生變質，喪失潤滑、散熱能力，引起刀具軸承非正常磨損，進而出現(xiàn)刀具偏磨損等現(xiàn)象。

以上8點是決定刀具使用壽命的主要因素，在刀具設計配置、安裝使用和刀具維修時只要嚴格按照上述內容操作，刀具的裝配質量、使用壽命都會有大幅提高，對項目降低生產成本，提高生產效率有著重大意義，同時也為我單位在盾構刀具領域積累了大量的實踐經驗。