莊緒良

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司， 南京 211899)

盾構法作為隧道施工的主流工法之一，因其安全、高效、環(huán)保的特點，在城市地鐵建設中得到了廣泛的應用[1]。隨著中國地鐵建設的不斷發(fā)展，對地下空間開發(fā)不斷深入，盾構隧道正朝著大直徑、大埋深、一次掘進距離更長的方向發(fā)展[2], 富水砂卵石地層、上軟下硬復合地層、極硬巖地層等復雜地層條件均給盾構施工帶來巨大的挑戰(zhàn)。盾構刀具作為盾構掘進的關鍵部件，在不良地質條件下極易受到嚴重磨損，從而導致盾構參數(shù)異常、開艙換刀頻繁等問題，嚴重影響掘進效率，乃至引發(fā)安全事故，因此復雜地層條件下盾構刀具的磨損研究是十分必要的。

盾構刀具按照破巖的力學特征，一般可以分為滾壓破巖刀具(滾刀)和剪切破巖刀具(切削刀、先行刀等)，按照功能劃分又有刮刀、仿形刀等。目前在理論與實驗方面，對于不同類型刀具的磨損機理，國內(nèi)外均有大量的研究。如吳俊等[3]對提出刀具磨損由磨粒磨損、黏著磨損和疲勞磨損共同組成，并提出了預測滾刀和切刀磨損的通用計算模型；陳子義等[4]采用正交實驗的方法，分析不同因素對滾刀磨損的影響，認為盾構推力對磨損的影響度最大，同時引入神經(jīng)網(wǎng)絡方法，對磨損量進行預測，得到了較好的應用。Li等[5]提出通過區(qū)間變量的方法對刀具磨損進行評估，并結合工程實例進行了演示。

在近年來的工程實踐中，對于在不同困難地層條件下刀具磨損的現(xiàn)場分析，也有不少經(jīng)驗總結。對于典型的砂卵石地層條件，牟舉文[6]采用理論推導、室內(nèi)磨損試驗與離散元(discrete element method, DEM)模擬相結合的方法，分析了盾構推力、切刀切深、砂土含水率等對切刀磨損的影響；江華等[7]依托北京新機場線“磁一”區(qū)間工程，對撕裂刀在砂卵石地層中的布置模式進行研究，認為撕裂刀對刮刀的有效保護距離為單倍刀寬，同時提出了優(yōu)化的刀具布置模式。針對巖石地層，楊育[8]結合廈門軌道交通3號線，對滾刀在跨海段花崗巖地層中磨損速率與巖石磨蝕性指標(cerchar abrasivity index, CAI)的關系進行試驗分析，并對工程中換刀距離進行了預測；徐汪豪等[9]通過剛體動力學與離散元耦合的方式模擬了強風化花崗巖地層中滾刀破巖的過程，為相關條件下盾構刀具的設計提供了參考。對于各種復合地層條件，李雪等[10]對南京某越江隧道的刀具磨損做出分析，對刀具磨損進行系統(tǒng)分類，并得出砂卵石地層中刀具磨損的包絡線；李強等[11]依據(jù)杭州地鐵2號線工程，對盾構穿越上軟下硬復合地層段時的刀具磨損情況以及處理措施進行了介紹；李清憲等[12]針對非均質土層中存在漂石的情況，分析了大粒徑卵漂石對刮刀、撕裂刀磨損的影響。韓冰宇等[13]通過對深圳地鐵9號線現(xiàn)場監(jiān)測的研究，對不同類型刀具的磨損系數(shù)進行了推算，同時利用反向傳播(back propagation, BP)神經(jīng)網(wǎng)絡模型，得到了與實測值接近的結果。

除此以外，胡群芳等[14]總結了全國41個盾構工程案例，對地鐵隧道的盾構刀具磨損情況按地域進行了分區(qū)研究，并提出了降低磨損的建議；閔凡路等[15]從磨損監(jiān)測方法、切削機理、切削試驗和數(shù)值模擬等角度對近年來的相關研究進行了系統(tǒng)總結。

目前，對于越江條件下盾構刀具在粉細砂-礫巖復合地層中的磨損規(guī)律總結仍較少?；谖錆h地鐵黃浦路站—徐家棚站越江隧道工程，對泥水盾構下穿粉細砂-礫巖為主的復合地層時刀具的磨損情況進行分析，對現(xiàn)場的典型磨損進行分類與總結，并基于磨損系數(shù)對磨損變化進行分析，提出相應的減磨措施，以期對類似工程提供一定參考。

1 工程概況

武漢軌道交通8號線黃浦路站～徐家棚站越江盾構隧道工程為直徑12.1 m的單管雙線復合襯砌盾構隧道，采用一臺直徑12.55 m泥水平衡盾構進行掘進。隧道自武昌徐家棚站始發(fā)，過江進入漢口黃浦路站接收。盾構區(qū)間全長3 185.5 m，隧道出黃浦路站后，以-18.4‰坡度，1 710 m坡長的縱坡下坡，至江中線路最低點處以+4.8‰坡度，420 m坡長的緩坡上坡，然后以+27.49‰，坡長為952.708 m的上坡至徐家棚站，如圖1所示。

圖1 黃浦路站—徐家棚站越江隧道斷面圖Fig.1 Section view of Huangpu Road—Xujiapeng cross-river shield tunnel

隧道上覆地層從上至下分別為素填土層、粉質黏土、粉細砂、圓礫土以及下伏基巖，最大覆土深度36.5 m，江中最大覆土21.2 m，最小覆土11.04 m，最深處位于水下59.28 m。盾構掘進過程中穿越1 820 m全斷面粉細砂層以及江中段1 365 m上軟下硬復合地層，其中復合地層包含粉細砂、強風化礫巖、弱膠結礫巖、中等膠結礫巖等，地質情況較為復雜。

2 刀盤刀具布置

針對本工程地質特點，考慮到在江中段盾構隧道大埋深、地下水豐富、存在長距離軟硬不均復合地層等因素，采用輻條面板式刀盤設計，以保證刀盤適應性和整體剛度要求，同時設計開口率為28.5%，避免在富水粉細砂地層出現(xiàn)嚴重結泥餅現(xiàn)象。刀盤實物如圖2所示。

圖2 刀盤實物圖Fig.2 On-site photo of the cutterhead

刀盤共配置刀具347把，同時配置有切削刀具與滾刀以應對復合地層條件。在粉細砂地層在粉細砂地層主要采用“先行刀-齒刀-刮刀”組合進行掘削，在含礫巖復合地層通過“滾齒”互換的方式將邊緣區(qū)域部分齒刀更換為破巖能力更強的滾刀，以“滾刀-先行刀-刮刀”為主的組合進行掘削。可更換刀具共包括可更換雙刃滾刀15把、可更換先行刀8把、可更換刮刀43把、中心可更換刀10把，另設固定先行刀8把、固定刮刀123把、邊緣刮刀78把。

在布設方式上，采用阿基米德螺旋線布置，其中雙刃滾刀布設范圍覆蓋巖層侵入斷面，以保證對膠結礫巖層的破巖效果；在刀具高度設置上，采用滾刀與先行刀高出刮刀40 mm的設計，可更換先行刀與滾刀均為225 mm，刮刀為185 mm，避免刮刀與硬巖直接接觸。刀具整體布置如圖3所示。

圖3 刀具整體布置情況Fig.3 Overall installation of the cutters

3 現(xiàn)場磨損特征分析

在對刀盤刀具進行針對性配置的情況下，盾構越江掘進過程中復雜的地質條件仍然使?jié)L刀和切削刀具產(chǎn)生了部分較大的磨損，其中復合地層條件引起了嚴重的異常磨損現(xiàn)象，造成刀盤陷困，換刀頻繁，直接導致總體工期滯后和成本的急劇增加。刀具的典型磨損集中在切削刀具的偏磨、崩齒以及滾刀的偏磨、弦磨、切刀刀刃崩落等。根據(jù)現(xiàn)場記錄，將刀具的典型磨損情況共分為8大類，并進行了相應的分析與總結。

3.1 全斷面粉細砂地層典型磨損及分析

在粉細砂地層掘進中，盾構推進主要以齒刀、先行刀以及中心刀組成第一層刀具進行破巖，在全斷面粉細砂地層的掘進中，地質條件較均一，大部分刀具磨損仍以合金均勻磨損為主，在均勻磨損的情況下磨損量基本保持在10 mm左右。但仍然存在部分異常磨損現(xiàn)象，典型的異常磨損集中在齒刀與撕裂刀(先行撕裂刀以及中心撕裂刀)。對現(xiàn)場不同形式磨損總結為AⅠ～AⅣ 4種，如表1所示。

表1 粉細砂地層磨損變化情況Table 1 Classification of cutter wear in silty sand stratum

從表1可見，在異常磨損的情況下，刀具的磨損基本表現(xiàn)為崩齒和偏磨現(xiàn)象。通過對現(xiàn)場情況調研，結合切削刀具破巖特點，做出如下分析：

在粉細砂地層中，由于掘進速度較快，在偶遇堅硬巖石的情況下，巨大沖擊應力將導致部分刀具出現(xiàn)如AⅡ類別的崩齒現(xiàn)象，導致刀刃的崩裂甚至脫落。同時，對于沒有布置硬質合金的刀體部位，在刀體貫入度較大時，由于較低的強度，將造成刀頭部分直接從刀體脫落的現(xiàn)象，留下整齊光滑的磨損面，即發(fā)生AⅢ類磨損。當盾構逐漸向江中段推進時，堅硬巖體逐漸增多，當“滾齒互換”不及時的情況下，在外側的齒刀將發(fā)生嚴重崩齒以及斷裂現(xiàn)象，如上表中的AⅣ類別磨損。齒刀以及撕裂刀在粉細砂地層的典型磨損情況如圖4所示。

圖4 粉細砂地層典型磨損現(xiàn)場情況Fig.4 Cutter wear in silty sand stratum

3.2 江中段典型磨損及分析

隨著刀具進入上軟下硬地層，滾刀成為主要破巖刀具，在與礫石硬巖的相互作用下，出現(xiàn)大量異常磨損現(xiàn)象，同時伴隨部分刮刀損傷，典型的磨損類型總結如表2所示。

表2 江中段復合地層磨損變化情況Table 2 Classification of cutter wear in composite stratum

可以明顯看出，對于刮刀來說，磨損多集中于邊緣刮刀在硬巖條件下的過度磨損，對應表2中的類型Ⅰ。對于滾刀來說，刀圈碎裂現(xiàn)象較為顯著，根據(jù)現(xiàn)場實地調研，可以將滾刀的磨損原因分為以下三大類。

(1)A類別(滾刀自身偏磨)：由于在江中段掘進過程中，地層處于強風化膠結礫巖、中等膠結礫巖、弱膠結礫巖等互層狀態(tài)，滾刀不平整地掘進巖面，使?jié)L刀不能緊壓巖面擠入并轉動，故持續(xù)存在滾刀缺少著力界面而不轉偏磨的情況；同時，由于在江底地下水豐富，滾刀與硬巖面直接接觸時，比較容易發(fā)生打滑情況，無法擠壓巖石使其破碎，也易引發(fā)偏磨現(xiàn)象；另外粉細砂層的存在可能導致滾刀難以達到啟動扭矩而導致偏磨。在偏磨狀態(tài)下，滾刀更易受巖石突然沖擊而使刀圈、刀軸斷裂，具體表現(xiàn)為表2中類別Ⅱ的滾刀磨損，現(xiàn)場情況如圖5所示。

圖5 “滾刀自身偏磨”現(xiàn)場情況Fig.5 “Partial wear of disk cutters” in type A situation

(2)B類別(刀體碎片間接磨損)：在江中段復合地層條件下，由于清理不及時，大量崩落的刮刀刀具及斷裂的滾刀刀圈、刀體等殘體在刀盤前方及土倉內(nèi)反復攪動，不能及時排出，對滾刀造成了很大的撞擊、擠壓、摩擦作用。類似的間接磨損情況使得滾刀在尚未與地層產(chǎn)生大量接觸的情況下，就發(fā)生刀圈被擠出、撞裂、因受力異常而斷裂或刀箱、刀體變形等情況。表2中類別Ⅲ中滾刀磨損僅為2 mm的情況下發(fā)生刀圈崩裂現(xiàn)象即為典型的間接磨損，現(xiàn)場情況如圖6所示。

圖6 “刀體碎片間接磨損”現(xiàn)場情況Fig.6 “Indirect wear from fragments of cutters” in type B situation

(3)C類別(滾刀螺栓斷裂)：在實際工程中，當盾構在江中段行進至一定距離后，滾刀發(fā)生較多螺栓斷裂損傷類型磨損，如表2中的類型Ⅳ，現(xiàn)場情況如圖7所示，且集中在新更換滾刀?，F(xiàn)場通過比對前后磨損的不同，認為：由于新更換滾刀均加強了滾刀刀圈強度，刀圈崩裂現(xiàn)象大為減少，但滾刀偏磨現(xiàn)象依然存在，且更為偏磨面著力點比較薄弱，因此巨大的推力作用在滾刀上，與巖層形成夾擊狀態(tài)，最后滾刀將推力及扭矩釋放在更為薄弱的滾刀螺栓上，導致螺栓斷裂。

圖7 “滾刀螺栓斷裂”現(xiàn)場情況Fig.7 “Bolt fracture of disk cutters” in type C situation

滾刀在破巖過程中，將巖面反作用力通過支撐構件均勻傳遞至螺栓，結合現(xiàn)場盾構參數(shù)和螺栓規(guī)格參數(shù)對螺栓進行簡化受力驗算，發(fā)現(xiàn)在江中段盾構推力達到70 000～80 000 kN，單個滾刀螺栓承受了1 362～1 556 MPa的應力，已經(jīng)超過了10.9級的M27型號螺栓1 000 MPa的極限抗拉強度，極易發(fā)生螺栓破壞，即

=1 362～1 556 MPa

(1)

式(1)中：σt為滾刀螺栓所受應力；F為盾構推力；N為正面滾刀數(shù)量；Ae為有效面積。

除以上3種磨損原因之外，現(xiàn)場也多見“組合磨損”現(xiàn)象，如同時出現(xiàn)滾刀因破碎刀體擠壓出現(xiàn)刀體變形卡死和螺栓斷裂的情況。

4 基于磨損系數(shù)的刀具磨損

4.1 各類型刀具地層適應性分析

從第3節(jié)的現(xiàn)場情況分析分析可以推知，復合地層中地質條件的變化對磨損的程度存在較大影響。相比于磨損量，磨損系數(shù)更能反映不同刀具對于地層的適應情況[16],通過刀盤轉速和刀具圓周運動半徑，可計算出刀具的作用距離長度，再根據(jù)刀具的磨損量，即可計算出刀具的磨損系數(shù)，計算公式為

k=δ/(ln×2πr/v)

(2)

式(2)中：δ為刀具磨損量，即換刀時刀具實測尺寸與標準尺寸之間的差值；l為同一把刀具兩次測量之間的盾構掘進距離；v為盾構掘進速度；r為刀具安裝半徑；n為盾構刀盤轉速。

同時，為分析不同刀具對于不同地層的適應性情況，結合地勘數(shù)據(jù)對掘進過程中的地層進行分類，如表3所示。

按照滾刀、撕裂刀、齒刀、刮刀的分類，根據(jù)累計31次查換刀數(shù)據(jù)進行分析，對于每一次換刀時，同一類型刀具中多把刀具的不同磨損系數(shù)，取其中位數(shù)進行分析。隨地層變化的刀具磨損趨勢如圖8所示，其中橫軸為隨盾構推進過程中累計查換刀次數(shù)，①、②、③、④對應表3中的地層編號。

表3 地層變化情況Table 3 Change of stratum during tunneling

圖8 不同類型刀具磨損系數(shù)隨地層變化Fig.8 Change of wear coefficient of different cutters in different stratum

由圖8可以看出，在全斷面粉細砂地層中，刀具磨損系數(shù)的大小關系為：刮刀>齒刀>撕裂刀，但其相差不大，不超過0.025 mm/km。進入上軟下硬復合地層后，撕裂刀的磨損系數(shù)最先開始增大，之后是齒刀和滾刀，而刮刀磨損系數(shù)增大的時間則相對靠后，這說明刮刀對強風化礫巖以及弱膠結礫巖的適應性要優(yōu)于齒刀和撕裂刀。

在④類地層，即粉細砂-強風化礫巖-弱膠結礫巖-中等膠結礫巖復合地層中，從數(shù)據(jù)分布來看，刀具磨損系數(shù)的大小關系大致為：撕裂刀>滾刀>刮刀>齒刀，其中撕裂刀、滾刀以及齒刀磨損系數(shù)的變化規(guī)律類似且較為平緩，而刮刀磨損系數(shù)的變化較為劇烈，雖然總體磨損系數(shù)小于滾刀，但其磨損系數(shù)峰值大于滾刀，表明刮刀對高強度巖石的適應性較差，磨損量較大。對于滾刀來說，其破巖能力雖較刮刀和齒刀要強，但由第3.2節(jié)分析可知，滾刀在復合地層中更易產(chǎn)生偏磨現(xiàn)象，因此滾刀的磨損系數(shù)更大。

4.2 不同位置刀具的磨損系數(shù)比較

在大直徑盾構的條件下，不同安裝半徑刀具之間的受力差別顯然將更為顯著，為此，進一步對安裝分布范圍較大的刮刀、齒刀和滾刀進行磨損系數(shù)分析，并考慮不同的安裝半徑將刀具細分為6個小類：即正面滾刀、邊緣滾刀、正面齒刀、邊緣齒刀、正面刮刀和邊緣刮刀。由于相同類型，相似安裝半徑刀具磨損系數(shù)相差不大，因此取每次換刀時每小類刀具的磨損系數(shù)平均值進行研究。將各類型刀具的磨損系數(shù)按照安裝位置的差別進行橫向比較，整理不同小類刀具的磨損系數(shù)變化如圖9所示。

圖9 不同位置刀具磨損系數(shù)變化Fig.9 Change of wear coefficient of cutters with different installation position

從圖9中可以看出，在1～15次換刀時，外側邊緣刀具的磨損系數(shù)變化經(jīng)歷第一階段，對應上述A、B、C三類地層。此時圖9(c)中邊緣刮刀和正面刮刀的磨損系數(shù)基本保持在0～0.025 mm/km，離散性很小。而滾刀和齒刀的磨損則表現(xiàn)出較強的離散性，其中滾刀的磨損系數(shù)約在0.043 75～0.18 mm/km，齒刀磨損系數(shù)約在0.012 5～0.083 5 mm/km，分布區(qū)間為刮刀的3～5倍。但此時數(shù)據(jù)的分布與刀具位置的關聯(lián)性不大，如第6次換刀時，正面齒刀磨損大于邊緣齒刀，10～14次換刀時，兩種小類齒刀磨損又基本接近，沒有很強的規(guī)律性?？梢姺奂毶?、強風化礫巖、弱膠結礫巖的存在除產(chǎn)生部分沖擊磨損外，對邊緣刀具的影響不大。

當盾構繼續(xù)向江中段推進，即16～27次換刀時，刀具的磨損系數(shù)開始產(chǎn)生較大變化，進入第二階段，此時，邊緣刀具的磨損普遍要大于正面刀具，其中邊緣滾刀磨損系數(shù)最高增長至0.293 6 mm/km，邊緣齒刀磨損系數(shù)最高增長至0.12 mm/km，邊緣刮刀磨損系數(shù)最高增長至0.34 mm/km。由于磨損系數(shù)反映的是刀具作用在單位長度的巖土體時所產(chǎn)生的磨損量，因此可以看出在江中段的復合地層條件下，特別是中等膠結礫巖增多時，當掘削單位長度巖土體時，刀具將產(chǎn)生更大磨損，且邊緣刀具所受到影響更大。

從地質與盾構配置分析原因主要有以下幾點：首先，硬巖對刀具的磨蝕性更大[17],在復合地層中硬巖含量的增多增大了刀具的整體磨損系數(shù)。同時，該隧道屬于大直徑盾構隧道，在該地層中，掘進相同距離時邊緣刀具在硬巖中的運動軌跡明顯要更長，受到磨蝕作用更大，進一步提高了邊緣刀具的磨損系數(shù)。另外，在大直徑盾構的情況下，邊緣刀具的運動速度非常大，在高速運動狀態(tài)下與地層中的孤石或硬巖分界面等障礙物發(fā)生碰撞，其產(chǎn)生裂縫甚至掉塊等損傷的概率更大，也使邊緣刀具更易產(chǎn)生磨損。

比較不同刀具來看，不同位置刮刀間磨損系數(shù)間的差異要遠大于不同位置滾刀或齒刀。邊緣刮刀比正面刮刀的磨損系數(shù)大0.05～0.25 mm/km，而邊緣齒刀僅比正面齒刀的磨損系數(shù)大0.01～0.075 mm/km，邊緣滾刀僅比正面滾刀的磨損系數(shù)大0.025～0.15 mm/km。這表明，就復合地層中盾構直徑增大對邊緣刀具帶來的磨損影響而言，刮刀所受影響要遠大于滾刀和齒刀。

5 結論

(1)通過對現(xiàn)場磨損刀具的分析，發(fā)現(xiàn)：在粉細砂地層中刀具磨損以正常磨損為主，在江中段則出現(xiàn)大量非正常磨損。其中在粉細砂地層磨損基本分為四類，非正常磨損以崩齒和偏磨為主；在復合地層段，磨損主要分為四類，滾刀的非正常磨損主要由“滾刀自身偏磨”“刀體碎片間接磨損”以及“滾刀螺栓斷裂”三種主要原因組成。

(2)對現(xiàn)場磨損數(shù)據(jù)進行整理，基于磨損系數(shù)分析不同刀具的地層適應性，發(fā)現(xiàn)在全斷面粉細砂地層中各類刀具磨損相差不大，但在復合地層中，磨損系數(shù)差別較大，從大到小排序為撕裂刀>滾刀>刮刀>齒刀。同時發(fā)現(xiàn)刮刀對強風化礫巖以及弱膠結礫巖的適應性要優(yōu)于齒刀和撕裂刀，但對高強度巖石適應性較差。

(3)基于磨損系數(shù)分析不同位置刀具的磨損差異可以得出：在含中等膠結礫巖的復合地層中，大直徑盾構的邊緣刀具磨損將出現(xiàn)較大增長，而強風化礫巖和弱膠結礫巖對邊緣刀具的影響不大，同時復合地層中硬巖對邊緣刮刀的影響遠大于對邊緣滾刀和齒刀的影響。