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复合地层中盾构机刀具磨损的优化研究

郑强
(中铁十二局集团第四工程有限公司,西安 710000)

摘 要:伴随着我国城市规模的不断扩大,城市的用地问题也越来越严重。在城市地下空间的开发过程中,由于地下环境复杂,需要借助的专业设备往往较多,其中盾构机便是比较常见的一种。从我国盾构机的应用情况来看,刀具磨损问题十分严重。如何对盾构机的刀具磨损情况进行优化,已成为城市地下施工企业面临的难题。因此,论文从多个角度分析刀具磨损的产生原因,同时也结合实例探索了具体的优化对策。
1 刀具磨损对于盾构机使用的重要影响
  首先,盾构机由盾构主机和后配套设备共同构成,其中,盾构刀盘负责盾构机的开挖作业,主要借助盾构刀具对机体前方土体进行切割,这意味着盾构机的作业速率完全由刀具的锋利程度来决定,只有刀具与土体结构相适应,盾构机才能较为快速地前行。由于复合地层土质较为复杂,工作人员在选择盾构刀具时往往会比较困难,这就使得盾构刀具容易在复杂多样的土层作用下快速磨损,进而在短时间内出现刀具老化问题。其次,虽然在长期的探索实践中,有关盾构机刀具磨损规律的相关理论已初步完善,但针对不同土层的刀具磨损尚未得到完全掌握,其中,包括刀具负荷、磨损速率等要素在内的相关研究仍处于相对匮乏状态,这导致在实际盾构机作业中,即使选用了较为负荷土层特点的盾构刀具,但仍无法判断刀具的更换周期,因此,刀具很容易在长期使用中,因更换不及时而彻底丧失作用,并影响地下作业的工作进度。最后,由于我国盾构刀具研究较少,大多数地下施工企业购买的盾构刀具均来自国外,导致施工成本增加,使得国内盾构机作业乃至整个地下交通施工事业的发展均受到制约。

2 工程案例分析
2. 1 工程概述
  基于盾构机刀具磨损问题,本文以深圳地铁 5 号线工程为例。该工程全长 1278m,主要地质特征表现为砾质黏性土和全风化花岗岩,同时岩石强度处于较高水平,使用盾构机进行作业技术难度相对较大,干扰因素较多,作业过程有可能出现安全问题。
2. 2 盾构机刀具配置
  由于该工程土层相对复杂,因此,为应对不同土层情况,工程选用了滚刀、单刃滚刀、刮刀、边缘铲刀、超挖刀等几种刀具,其中,滚刀安装高度为 175mm,作用在于能够借助滚动使岩石变为破碎状,最终起到切削岩石的效果。
2. 3 刀具更换情况
  依照预期计划,该工程全程经历 2 次换刀,其中,第 1 次换刀位置距离始发点约 48 环,共计更换单刃滚刀 9 把,其磨损情况如表 1 所示,第 2 次换刀位置距离始发点约 174 环,共计更换单刃滚刀 18 把(见表 2),但由于此次换刀已经相对较晚,部分刀具已经出现严重损坏,甚至盾构机刀座也出现不同程度损坏,这使得刀具更换相对困难,必须借助带压方式予以进行。

2. 4 其他停机情况
  除 2 次换刀停机外,该工程盾构机在进行过程中还经历过一次非正常停机,其位置距离始发点 251 环,主要成因为刀盘所致的温度升高,具体刀盘泄露油温达 50℃,隔板温度达60℃,已经严重影响盾构机正常运行。同时,由于该问题出现位置处于居民区地下,更换刀具具有一定安全风险。
3 刀具磨损原因分析
3. 1 复杂的地形条件
  我国大部分地下施工工程均为复杂地层,其中以本文研究的深圳地铁 5 号线工程为例,其拥有较多的微风化花岗岩,而这种地质岩石强度较大,仅采用风镐并不能有效破坏,因此,需借助风钻钻孔同时配备膨胀炸药进行爆破,而此方法十分容易导致刀具磨损。除此之外,由于工程使用了大量的滚刀,而滚刀并不能破坏岩石矿物颗粒,因此,在滚刀作用过程中,刀具始终处于岩石矿物颗粒磨损作用下,且伴随着矿物颗粒硬度的增大,磨损作用也会更加明显。
3. 2 刀具配置变化
  除受复杂地层条件影响外,施工人员的错误操作也会导致刀具磨损的加剧,其中以本文工程案例为例,因 2 次换刀较晚导致刀具底座损坏,所以 9 号滚刀在 2 次换刀后并未安装,这使得盾构机在行进一段距离后发生中心刀脱落问题,虽并未降低盾构机岩石破裂效率,但加大了 9 号相邻刀具的侧向压力,最终造成整个刀盘的损坏。
3. 3 掘进参数设置
  通常,盾构机的掘进推力应控制在 1200t 以下,但一些施工企业为追赶进度,缩短施工周期,常常会将掘进推力提至1200t 以上,而这种一味增加推力的方式不但不能有效提高施工效率,相反还会加剧刀具的损坏,其中最明显的便是会导致刀具固定螺栓的崩裂。
4 复合地层盾构机刀具磨损问题的优化对策
4. 1 巧妙选择刀具配置
  针对不同地层与盾构机刀具的不同适应性,可进一步优化刀具配置,选择符合地层构成特点的最佳刀具。其中,针对软弱土地层,刀具配置应以切刀、刮刀为主,同时刀盘应采用面板式结构,并在切刀及刮刀刃口处设置合金耐磨材料,从而起到增加刀具耐磨性、延长刀具使用周期的效果。此外,针对较为复杂的砂层,按照砂层特点合理选择鱼尾刀、仿形刀等特殊刀具,借助多种刀具的不同优势促使盾构机作业有序完成。
4. 2 重视刀具参数设计
  基于参数设计对于刀具磨损程度的影响,需就刀具及盾构机参数进行优化设计。一方面,针对滚刀磨损问题,可适当增加滚刀转动力矩,并在滚刀刀鼓上配以耐磨材料,进而有效防止矿物颗粒对刀体造成磨损;另一方面,针对切削刀磨损问题,可进一步改进刮刀制作材料,并采用更加符合渣土流动状态的几何形状来进行刮刀制作。
5 结语
  本文详细论述了刀具磨损对于盾构机作业的巨大影响,同时也基于现有工程案例分析了刀具磨损的主要成因和有效优化对策。只有进一步完善刀具配置,借助更加符合复杂地层土质特点的刀具进行施工,才能有效提高盾构机作业的工作效率,才能在确保刀具使用寿命的同时,减少因刀具损坏所致的工程损失。

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