劉萬(wàn)熙 邱健 于文超 盧慶亮 欒守成

摘 ?要：該文對(duì)濟(jì)南城市軌道交通4號(hào)線(xiàn)一期工程燕山立交橋東站—漿水泉路站區(qū)間不良地質(zhì)因素對(duì)刀具運(yùn)用的問(wèn)題進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)不良地質(zhì)分析、盾構(gòu)滾刀破巖工作原理、滾刀性能需求、滾刀設(shè)計(jì)配置及應(yīng)用策略進(jìn)行分析，提出盾構(gòu)滾刀減少損壞的措施及日常保養(yǎng)方法。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)滾刀；盾構(gòu)機(jī)；軌道交通；性能需求；裝配質(zhì)量

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.3 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2024）18-0165-04

Abstract： In response to the adverse geological factors affecting the use of cutting tools in the section between Yanshan Overpass East Station and Zhushuiquan Road Station of Jinan Urban Rail Transit Line 4 Phase I Project， this paper analyzes the adverse geological factors， rock breaking working principle of shield tunneling cutters， performance requirements of cutters， design configuration and application strategies， and then proposes measures to reduce damage to shield tunneling cutters and daily maintenance methods.

Keywords： Shield hob; shield machine; rail transit; performance requirements; assembly quality

盾構(gòu)滾刀是盾構(gòu)機(jī)的核心部件之一，主要用于在地下隧道開(kāi)挖過(guò)程中切割土層和巖石。盾構(gòu)滾刀是一種在地下工程中用于開(kāi)挖硬質(zhì)地層的工具，其選型直接關(guān)系到施工效率和質(zhì)量。竺維彬等[1]對(duì)復(fù)合地層影響滾刀的因素進(jìn)行分析，提出滾刀磨損的對(duì)策，為復(fù)合地層施工中盾構(gòu)刀具的選擇具有指導(dǎo)意義。韓偉鋒等[2]針對(duì)軟硬不均地層條件，結(jié)合滾刀破巖機(jī)理試驗(yàn)的方法，探索軟硬不均地層刀具的使用情況。郭成龍[3]通過(guò)開(kāi)展?jié)L刀貫入和切削試驗(yàn)，得到滾刀破巖力變化數(shù)據(jù)，為選取適用于徐州地區(qū)復(fù)合地層的滾刀奠定基礎(chǔ)。鐘振力[4]為解決復(fù)合地層地質(zhì)條件復(fù)雜多變的問(wèn)題，對(duì)盤(pán)形滾刀進(jìn)行破巖試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工提供參考。李帥遠(yuǎn)[5]對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)滾刀進(jìn)行破巖仿真分析，對(duì)刀盤(pán)滾刀進(jìn)行布局優(yōu)化，提高盾構(gòu)設(shè)備的利用率，保證隧道建設(shè)工程的順利實(shí)施。楊育[6]為減少更換盾構(gòu)刀具風(fēng)險(xiǎn)，提供工作效率，建立預(yù)測(cè)方法，對(duì)微風(fēng)化花崗巖地層滾刀進(jìn)行預(yù)測(cè)。在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的情況下，通過(guò)選擇合適的滾刀和科學(xué)的設(shè)計(jì)，可以為隧道建設(shè)的順利進(jìn)行提供有力的支持。

1 ?項(xiàng)目概況

濟(jì)南城市軌道交通4號(hào)線(xiàn)一期工程燕山立交橋東站—漿水泉路站區(qū)間（圖1），隧道出燕山立交橋東站東端頭井后向東敷設(shè)，由北向南下穿經(jīng)十路主路后終止于漿水泉路站西端頭井。區(qū)間擬采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間右線(xiàn)起止里程為右CK22+067.131～右CK22+572.776，全長(zhǎng) 505.645 m，左、右線(xiàn)線(xiàn)間距為13.0～16.1 m，隧道主體結(jié)構(gòu)底板埋深為25.3～29.0 m，隧道直徑約為6.4 m，具體見(jiàn)表1。

圖1 ?濟(jì)南城市軌道交通4號(hào)線(xiàn)一期工程

燕山立交橋東站—漿水泉路站區(qū)間

隧道洞身拱頂、邊墻及隧底圍巖主要包括：強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖層（Ⅴ級(jí)）、中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖3層（Ⅲ～Ⅳ級(jí)）、角礫巖層（Ⅴ級(jí)）、中風(fēng)化石灰?guī)r（破碎）層（Ⅳ～Ⅲ級(jí)）和中風(fēng)化石灰?guī)r2層（Ⅱ級(jí)）。

不良地質(zhì)因素對(duì)刀具運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)歸納為如下幾點(diǎn)。

首先，區(qū)間起點(diǎn)至終點(diǎn)橫跨閃長(zhǎng)巖地層（右CK22+067.131～右CK22+170里程范圍）、斷層破碎帶（右CK22+170～右CK22+250里程范圍）、閃長(zhǎng)巖地層（右CK22+250～右CK22+350里程范圍）、侵入接觸帶（右CK22+350～右CK22+400里程范圍）和石灰?guī)r地層（右CK22+400～右CK22+572.776里程范圍），地層強(qiáng)度差異明顯且角礫巖地層固結(jié)成巖差，風(fēng)化差異大，具有軟弱不均特性，對(duì)盾構(gòu)刀具運(yùn)用易造成偏磨、弦磨及崩壞等異常風(fēng)險(xiǎn)。

其次，擬建區(qū)間右CK22+170～右CK22+250里程范圍和右CK22+350～右CK22+400里程范圍隧道結(jié)構(gòu)穿越斷層破碎帶和侵入接觸帶，巖體不均勻，強(qiáng)度差異明顯，致使盾構(gòu)刀盤(pán)所受到的阻力不均勻，容易出現(xiàn)推偏現(xiàn)象，若強(qiáng)制糾偏時(shí)易導(dǎo)致盾構(gòu)滾刀刀圈崩刃。

最后，擬建區(qū)間右CK22+400～右CK22+572.776里程范圍盾構(gòu)穿越中風(fēng)化石灰?guī)r和中風(fēng)化石灰?guī)r（破碎）地層，飽和單軸抗壓強(qiáng)度最大值為82.50 MPa，天然單軸抗壓強(qiáng)度最大值為89.20 MPa，巖質(zhì)較硬，影響盾構(gòu)的掘進(jìn)效率。

2 ?滾刀的工作原理

滾刀的工作原理是當(dāng)?shù)侗P(pán)在縱向油缸的巨大推力作用下，使安裝在刀盤(pán)上的盤(pán)形滾刀壓入巖石；同時(shí)刀盤(pán)在旋轉(zhuǎn)裝置的驅(qū)動(dòng)下給滾刀施加滾動(dòng)力矩帶動(dòng)滾刀繞刀盤(pán)中心軸公轉(zhuǎn)，在滾刀公轉(zhuǎn)的同時(shí)，由于掌子面對(duì)滾刀的摩擦力作用，使?jié)L刀還繞各自的刀軸自轉(zhuǎn)，這樣就使得滾刀在巖面上連續(xù)滾壓。刀盤(pán)推力使刀圈壓入巖體，滾動(dòng)力矩使?jié)L刀刀圈滾壓巖體，通過(guò)滾刀刀圈對(duì)巖體的連續(xù)擠壓和剪切，使安裝在不同刀位的滾刀在巖面上滾切出一系列的同心圓槽，完成破巖過(guò)程，滾刀破巖過(guò)程如圖2所示。

由于盤(pán)形滾刀為滾壓切削，其磨損速度比先行刀要慢得多。加之刀刃較窄，在相同刀盤(pán)推力作用下，滾刀作用于巖石上的壓強(qiáng)要大得多，因而能破碎的原始地層也比先行刀要硬得多。

3 ?滾刀組成結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)用單刃滾刀主要包括刀圈、刀體、刀軸、密封裝置和軸承等，如圖3所示。

4 ?滾刀性能需求選型

整體來(lái)講，本項(xiàng)目盾構(gòu)隧道大半里程區(qū)間處于S型半徑轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，區(qū)間內(nèi)涉及中風(fēng)化石灰?guī)r硬巖，同時(shí)考慮中風(fēng)化花崗巖層的比例，結(jié)合濟(jì)南地區(qū)類(lèi)似的項(xiàng)目地層條件，基本可以認(rèn)為將存在中等以上的沖擊性風(fēng)險(xiǎn)（軟硬不均、球狀風(fēng)化孤石）。邊緣滾刀在此類(lèi)地層條件下和半徑條件下的承載受力條件較為苛刻，且穿越斷層破碎帶和侵入接觸帶時(shí)，由于巖體不均勻，強(qiáng)度差異明顯，容易出現(xiàn)推偏現(xiàn)象，邊緣刀具的異常損壞率預(yù)期會(huì)比較高。結(jié)合濟(jì)南重工集團(tuán)有限公司在其他地區(qū)的相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)案例，本項(xiàng)目的掘進(jìn)總合難度較大，破巖刀具應(yīng)用消耗率和異常損壞風(fēng)險(xiǎn)均預(yù)計(jì)為較高水平。

針對(duì)本項(xiàng)目的滾刀設(shè)計(jì)配置及應(yīng)用策略重點(diǎn)進(jìn)行分析：本項(xiàng)目涉及連續(xù)S型半徑轉(zhuǎn)彎、較高強(qiáng)度的中風(fēng)化硬巖、中等以上沖擊性風(fēng)險(xiǎn)（軟硬不均、斷層破碎帶和侵入接觸帶），邊緣滾刀勢(shì)必要持續(xù)承受高負(fù)載、交變負(fù)載、沖擊性負(fù)載混合更替的工況，如何確保邊緣滾刀能經(jīng)受住嚴(yán)苛條件下可靠持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性考驗(yàn)，是首先要解決的基本問(wèn)題。

滾刀的穩(wěn)定性水平，在理論層次上，關(guān)鍵要素來(lái)自于2個(gè)方面：①刀圈與殼體（刀體/刀轂與端蓋）的整體抗變形剛性，為軸承和浮動(dòng)密封等動(dòng)平衡運(yùn)轉(zhuǎn)內(nèi)件提供的剛性支撐條件；②軸承和浮動(dòng)密封等動(dòng)平衡運(yùn)轉(zhuǎn)內(nèi)件自身的穩(wěn)定性、可靠性。

上述二者為滾刀穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行所提供的可靠性要素，彼此相輔相成。前者的構(gòu)建與改善，主要來(lái)自于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材強(qiáng)度、熱處理工藝和裝配參數(shù)等；后者則與軸承/浮動(dòng)密封本身性能等級(jí)、工藝質(zhì)量、裝配參數(shù)相關(guān)。

針對(duì)本項(xiàng)目滾刀的刀圈設(shè)計(jì)，應(yīng)著重注意提升耐沖擊的相關(guān)性能，刀圈貫入性的考慮居于其次。應(yīng)優(yōu)先保證強(qiáng)化刀圈的韌性和強(qiáng)度，確保刀圈在強(qiáng)沖擊性風(fēng)險(xiǎn)條件下崩口碎裂的概率可控，在此基礎(chǔ)上兼顧硬度以保證對(duì)巖層的貫入破碎-連續(xù)破碎能力，提高體積性破巖的比重，在可控范圍內(nèi)降低一次磨銼和二次磨蝕的影響。

滾刀（無(wú)論是用于TBM還是用于盾構(gòu)的）在其破巖過(guò)程中，有3種共存的破巖（階段）模式：①模式A＝磨削，刀圈和掌子面之間擠壓摩擦+滑移式的磨銼。②模式B＝應(yīng)力疲勞性碎巖，巖層掌子面受擠壓至疲勞極限時(shí)破裂出比例較多的小碎塊。③模式C＝最理想的連續(xù)體積性破巖，巖層掌子面連續(xù)破裂成大約1/2～1個(gè)巴掌大小的石砬塊。

3種模式是客觀共存的。顯然，模式C占比越高，刀具的破巖比能（來(lái)自刀盤(pán)，經(jīng)刀具輸出到巖層掌子面上釋放出來(lái)的能量）釋放就越順暢；反之，A+B的占比越高，破巖比能釋放效率就越低下，刀具被輸出能量所反噬，刀具更容易損耗（體現(xiàn)為刀圈的高磨損率和整體的高異常損壞率）。要提高刀具的破巖比能，核心路徑就是設(shè)法去提高滾刀影響模式C的比例和適應(yīng)性，并降低刀具受刀盤(pán)前蓄積的石碴/砬塊二次磨損的程度。然而，在本項(xiàng)目的應(yīng)用場(chǎng)景中，模式C預(yù)期占比將難以達(dá)到很高的程度，這是由于地層條件和小半徑轉(zhuǎn)彎路徑施工的現(xiàn)實(shí)條件所決定的，如此則刀圈的磨蝕損耗比重將較大，因此，刀圈設(shè)計(jì)應(yīng)層面應(yīng)保證足夠的耐磨性及強(qiáng)度儲(chǔ)備，同時(shí)可適當(dāng)降低對(duì)貫入銳性的追求。

本項(xiàng)目對(duì)破巖滾刀的需求重點(diǎn)歸納如下。

首先，保障刀具承載的可靠性為優(yōu)先。作為滾刀運(yùn)轉(zhuǎn)核心的軸承，設(shè)法提升軸承自身可靠性（承載能力、穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間）和啟轉(zhuǎn)扭矩應(yīng)對(duì)交變載荷時(shí)的適應(yīng)性；軸承穩(wěn)定運(yùn)行保障條件之一的剛性穩(wěn)固支撐（整刀的殼體剛性保護(hù)），尤其是本項(xiàng)目涉及持續(xù)小半徑轉(zhuǎn)彎高負(fù)載條件的邊緣滾刀；軸承穩(wěn)定運(yùn)行保障條件之二的潤(rùn)滑條件維持（整刀密封持續(xù)可靠），由殼體與浮動(dòng)密封環(huán)的剛性/強(qiáng)度/加工質(zhì)量共同實(shí)現(xiàn)保障。

其次，提高刀圈對(duì)強(qiáng)負(fù)載、多變負(fù)載、沖擊性負(fù)載與高磨蝕性工況的適應(yīng)性。刀圈須有足夠的整體承載強(qiáng)度與抗沖擊韌性，刃部硬度適中，不宜設(shè)置太硬（脆性高）以降低崩刃風(fēng)險(xiǎn)；與工況匹配的刃形及刃寬設(shè)計(jì)，既要耐沖擊和耐磨，又要能夠順利貫入硬巖、保障順利開(kāi)刃，具有磨損自銳特性。因此，本項(xiàng)目采用19寸單刃軸式滾刀圓弧刃型刀圈，如圖4所示，19寸單刃軸式滾刀圓弧刃型盾構(gòu)滾刀，使刀圈兼具破巖貫入適應(yīng)性和相對(duì)均衡的耐磨性?xún)?chǔ)備、抗沖擊性能。

5 ?滾刀減少損壞的措施

裝配質(zhì)量是影響滾刀使用壽命非常重要的一個(gè)因素，要注意做好以下措施。

裝配滾刀過(guò)程中應(yīng)注意檢查各個(gè)零部件的完好情況，使用質(zhì)量合格的零部件，如軸承內(nèi)外圈滾道表面應(yīng)無(wú)壓痕、無(wú)裂紋等問(wèn)題；應(yīng)用的O型圈一般為質(zhì)量合格且第一次使用，否則需全部更換。

裝配刀圈時(shí)，要注意控制加熱的溫度和時(shí)間不要超標(biāo)，溫度不能超過(guò)175 ℃，加熱時(shí)間不要超過(guò)5 min，否則將引起刀圈退火、硬度下降。

安裝端蓋密封座時(shí)，加熱溫度不宜超過(guò)120 ℃，否則將引起O型圈損壞。

注油不能過(guò)量，否則使用過(guò)程溫度升高后由于熱脹效應(yīng)將引起滾刀漏油。

滾刀裝配后要進(jìn)行氣密性檢查，加氣壓至2～3.5 kPa，應(yīng)能保持5 min不泄壓。

檢查不漏油后進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩檢測(cè)，一般啟動(dòng)扭矩設(shè)為25～35 N·m比較合適。

定期檢查：由于硬巖掘進(jìn)時(shí)刀具受到巨大沖擊載荷，導(dǎo)致刀具容易受損，緊固螺栓也容易松動(dòng)。因此，在每個(gè)硬巖掘進(jìn)環(huán)節(jié)完成后，都需要對(duì)刀具進(jìn)行定期檢查。

多換刀：一般正面滾刀徑向允許磨損量為20～30 mm；邊緣滾刀允許磨損量為10～15 mm；相鄰滾刀磨損量差應(yīng)小于15 mm。磨損量與地層情況、盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)刀具布置及刀具類(lèi)型有關(guān)。例如，在完整性良好的硬巖全斷面中，應(yīng)適度縮減對(duì)滾刀的允許磨損量，否則滾刀磨損會(huì)導(dǎo)致推力增加、破巖效率下降。例如，對(duì)三菱1638#/1639#盾構(gòu)機(jī)，滾刀和齒刀高差為20 mm，正面滾刀最大磨損量不要超過(guò)20 mm，否則齒刀就會(huì)接觸巖石，產(chǎn)生劇烈摩擦、發(fā)熱，并導(dǎo)致掘進(jìn)困難；而該盾構(gòu)機(jī)（邊緣滾刀）開(kāi)挖直徑為6 290 mm，前體直徑為6 260 mm，兩者差30 mm，故最外2把滾刀的最大磨損量不能超過(guò)15 mm，否則將出現(xiàn)刀盤(pán)開(kāi)挖洞徑小于盾構(gòu)機(jī)前體直徑，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)卡殼事故。

多維護(hù)：開(kāi)艙檢查時(shí)應(yīng)先用水沖洗滾刀和刀箱（刀座），清理滾刀周?chē)膸r碴和雜物；對(duì)于相鄰滾刀磨損量差過(guò)大的（大于15 mm）要調(diào)高差，刀具換完后要對(duì)刀具螺栓進(jìn)行復(fù)緊；恢復(fù)采掘時(shí)應(yīng)小推力開(kāi)始、緩慢速度進(jìn)行逐步調(diào)試。

6 ?結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，泥水盾構(gòu)滾刀選型研究得到了廣泛關(guān)注和探索。研究人員通過(guò)對(duì)滾刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、不同地質(zhì)條件的研究，為泥水盾構(gòu)滾刀選型提供了新的視角和方法。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用，以推動(dòng)泥水盾構(gòu)滾刀選型的發(fā)展和進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1] 竺維彬，王暉，鞠世健.復(fù)合地層中盾構(gòu)滾刀磨損原因分析及對(duì)策[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006（4）：72-76，82.

[2] 韓偉鋒，陳饋，李鳳遠(yuǎn)，等.軟硬不均地層盾構(gòu)滾刀受力特性研究[J].建筑機(jī)械化，2016，37（9）：55-58.

[3] 郭成龍.徐州地區(qū)復(fù)合地層盾構(gòu)滾刀破巖力及破巖效率的研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2021.

[4] 鐘振力.盤(pán)形滾刀在軟硬地層界面處的破巖力試驗(yàn)研究[D].廣州：暨南大學(xué)，2018.

[5] 李帥遠(yuǎn).盾構(gòu)機(jī)盤(pán)形滾刀破巖仿真及刀盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2020.

[6] 楊育.廈門(mén)軌道交通3號(hào)線(xiàn)跨海段盾構(gòu)滾刀磨損預(yù)測(cè)[J].隧道建設(shè)（中英文），2018，38（S1）：182-187.