富水砂卵石地層盾構(gòu)刀具配置探討

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1、富水砂卵石地層盾構(gòu)刀具配置探討段浩1李博2（1.中煤邯鄲中原建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司河北邯鄲056031；2.西南科技大學(xué)四川綿陽(yáng)621000）摘要：成都屬富水砂卵石地層，盾構(gòu)施工難度大，刀具磨損情況嚴(yán)重，一直是制約地鐵施工進(jìn)度的一大難點(diǎn)，而盾構(gòu)刀具的配置決定了地鐵開挖速度。本文根據(jù)成都地鐵幾種刀具配置實(shí)例，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面比較，得出適合成都地層的刀具配置情況。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)刀盤刀具配置開口率1引言成都地質(zhì)條件以高富水、高含量卵礫石著稱，使用何種配置的盾構(gòu)刀具更能適合成都這種地質(zhì)，一直是大家爭(zhēng)論和研究的焦點(diǎn)。根據(jù)成都地鐵1號(hào)線施工過程中存在刀盤消耗成本大、換刀困難、地表易坍塌及刀盤和

2、螺旋輸送機(jī)磨損嚴(yán)重等實(shí)際問題，分析盾構(gòu)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，提出將刀盤的開口率增大、螺旋輸送機(jī)由軸式改變?yōu)閹?、?duì)卵石的處理方式由破碎為主變?yōu)榕懦鰹橹鳎梢源蟠蠼档偷毒叱杀?，同時(shí)刀盤和前盾進(jìn)行適當(dāng)改動(dòng)，解決換刀困難和地表易坍塌的問題。改進(jìn)后的盾構(gòu)可以有效提高盾構(gòu)施工進(jìn)度，加速成都地鐵建設(shè)。2成都地質(zhì)條件成都地鐵主要穿越砂卵石地層，粒徑30～100mm的顆粒的卵石含量約65～75%，粒徑100～130mm的大約占10%。地層巖體松散，無膠結(jié)，自穩(wěn)能力差，單個(gè)石塊強(qiáng)度高，卵石塊在地層中起骨架作用。砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，顆粒之間的空隙大，沒有粘聚力，砂卵石地層在無水狀態(tài)下，顆粒

3、之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳力，地層反應(yīng)靈敏。地層很易破壞原來的相對(duì)穩(wěn)定或平衡狀態(tài)而產(chǎn)生坍塌，引起較大的地層損失和圍巖擾動(dòng)。成都的地層富水，成都地下水枯水期埋深一般在3-5m之間，豐水期埋深一般在1-3m之間，最小埋深為0.2m。據(jù)成都前期基坑施工經(jīng)驗(yàn)，在開挖之前進(jìn)行降水之后的開挖，基坑壁自立性較好，而且由于卵石的骨架作用，降水引起的變形相對(duì)較小。但在地下水的情況下，盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，局部水壓會(huì)很大，會(huì)對(duì)盾構(gòu)造成一定的影響，特別是開挖面的穩(wěn)定。砂卵石地層，圍巖體整體強(qiáng)度較低，但單個(gè)巖塊塊體強(qiáng)度非常高。3盾構(gòu)施工過程中刀具存在的問題成都地鐵施工選用的盾構(gòu)為海瑞克生產(chǎn)的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)和土壓平衡盾構(gòu)機(jī)

4、兩種型式，這兩種型式盾構(gòu)機(jī)刀盤面板結(jié)構(gòu)及刀具配置基本相同。結(jié)合成都地鐵施工實(shí)例，盾構(gòu)機(jī)刀具主要存在以下問題：（1）刀具磨損嚴(yán)重（見圖2）：砂卵石地層磨啄性大，同時(shí)還存在包裹性大的問題，造成對(duì)滾刀、齒刀刀具磨損和刀盤的嚴(yán)重磨損；圖1典型刀具磨損情況（2）刀具磨損需要頻繁換刀，換刀作業(yè)給盾構(gòu)施工帶來了很大的問題，特別是換刀時(shí)的換刀地點(diǎn)的選擇，換刀方式的選擇，換刀時(shí)的加固措施。使得換刀人員的安全風(fēng)險(xiǎn)高，降低施工效率，增加施工成本。（3）刀盤中心的四幅臂結(jié)構(gòu)存在著渣土流動(dòng)不暢，在地質(zhì)變化含泥量較大的情況下存在著易結(jié)泥餅的問題；（4）砂卵石地層即使在降水的條件下，當(dāng)?shù)侗P攪動(dòng)時(shí)也存在著自穩(wěn)性

5、差，拱頂部塌落嚴(yán)重的問題，這就給更換刀具造成了困難；（5）刀盤嚴(yán)重磨損（見圖3）；圖2刀盤磨損情況（6）清倉(cāng)時(shí)，需在刀盤開口處焊接擋板，但擋板一轉(zhuǎn)刀盤極易脫離。4刀具磨損情況成都地鐵開工至今，已成功進(jìn)行多次換刀作業(yè)，本文僅選取幾次具有代表性的換刀情況進(jìn)行說明。盾構(gòu)始發(fā)時(shí)刀具配置情況：刀盤為面板形結(jié)構(gòu)（見圖1），焊有Hards400耐磨鋼板，開挖直徑Φ6.28m，開口率28%，刀盤開口能通過的卵礫石粒徑240mm，8個(gè)泡沬（膨潤(rùn)土）噴口；配有32把單刃滾刀、4把雙刃中心刀、28把正面鏟刀、8把邊部刮刀，刀盤最大扭矩5980kN·m，刀盤脫困扭矩7150kN·m。盾構(gòu)始發(fā)至第一次換刀

6、，實(shí)際掘進(jìn)距離103m。圖3刀盤正面結(jié)構(gòu)圖4現(xiàn)有刀具配置情況（1）在YDK8+407換刀。從刀具檢查及換刀情況看，刮刀磨損量小，滾刀磨損量大，其中刀盤中心位置及刀盤外圈刀具磨損嚴(yán)重，最大磨損量達(dá)15mm，部分滾刀嚴(yán)重偏磨，呈七棱角狀。從此次磨損情況可以看出，在砂卵地層中，刀具普遍磨損嚴(yán)重，一般掘進(jìn)150m左右就需更換一次刀具；滾刀主要功能為破除卵石，磨損嚴(yán)重；部分滾刀安裝后，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，或受大粒徑卵石影響，產(chǎn)生偏磨；在砂卵地層中，刮刀主要作用為刮落滾刀松散后的土體，磨損量較小。此次換刀作業(yè)后實(shí)際掘進(jìn)距離144m，并未更改刀具布置，只是將磨損嚴(yán)重刀具進(jìn)行了更換。（2）在YDK8+55

7、0換刀。此次換刀時(shí)共有10把邊滾刀發(fā)生偏磨，其中6把磨損嚴(yán)重，整把刀基本報(bào)廢。中心滾刀大部分均為均磨。刮刀磨損也比較嚴(yán)重，刮刀耐磨層全部磨光，16把刮刀全部報(bào)廢。上次更換的中心雙刃齒刀的耐磨層已經(jīng)全部磨完。刀盤背板磨損嚴(yán)重，平均磨損量達(dá)40mm，整盤滾刀刀鼓磨損嚴(yán)重。此次換刀作業(yè)后實(shí)際掘進(jìn)距離220m，更換了磨損量大于8mm和發(fā)生偏磨的刀具，在中心雙刃齒刀加焊耐磨焊條，將其中四把單刃滾刀分別更換成兩把雙刃滾刀和兩把正面齒刀。（3）盾構(gòu)掘進(jìn)220.3m后，在YDK14+077處換刀