深圳地铁二号线滚刀磨损失效分析及预防措施 |
| 2012-06-12 10:41 作者：张 伟 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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摘要：深圳地铁二号线隧道盾构法掘进中，刀具严重磨损和失效成制约工程顺利进行的一大难题。在对盾构掘进中的刀具磨损情况进行现场调查的基础上，对滚刀和刮刀的磨损特点及原因进行分析，指出磨损的主要原因，最后提出合理的预防措施。
关键词：深圳地铁；盾构刀具；滚刀；失效
中图分类号：TD421文献标识码：A文章编号：1671—7597（2012）0410
【《硅谷》杂志2012年4月下刊文】随着我国城市轨道交通事业的迅猛发展以及建设力度的不断加大，盾构法隧道技术已成功应用于城市地铁隧道的修建中，由于不同城市地质构造的差异，盾构机不仅需穿越常见的软弱地层，同时还要在部分硬岩以及上软下硬等复杂地层中通过，这对盾构刀具来说就面临了更高的要求：施工过程中刀具偏磨、断裂、崩块等失效不仅影响了施工进度，还造成施工成本的增加。
1工程概括
深圳地铁二号线延长线盾构2226标段，全程由[大剧院站-东门站]两条圆形盾构隧道以及相关附属工程组成，整个区间全长共计1.6公里，所用机型为沈阳重工NFM维尔特盾构机，其刀盘直径为6.28米，刀盘共装装有35把滚刀，其中偏心滚刀2把，中心滚刀5把，正面滚刀28把。整个区间地质情况主要有：8-2（砾质粘性土，强度为26-37kpa）、9-3（中等风化花岗岩，强度为35.63-39.16Mpa）、9-4（微风化花岗岩，强度为43.72-61.99Mpa）、21-3（中等风化花岗片麻岩，强度为27.77Mpa）、15-3（中等风化凝灰质粉砂岩）其中有全断面花岗岩。其中640环-687环地质最为恶劣，都为上软下硬的复合型地层，在该地层中，共损坏11把滚刀，其中多为偏磨。
2滚刀失效形式及原因分析
滚刀磨损过大或者其他失效情况会使盾构机扭矩增大，掘进速度放缓，这时就要开仓检查滚刀磨损情况，否则会进一步加大对滚刀的磨损，情节严重会使轴承、端盖和刀毂等报废，甚至会导致盾构机刀盘磨损，造成不必要的损失。就磨损因素来看，其磨损量不仅与本身的材料、形状设计有关，还和盾构机的掘进速度、刀盘转速、推力等息息相关。在深圳地铁二号线2226标段的施工中，滚刀常见的失效形式主要分为如下几类：
2.1刀圈偏磨
刀圈偏磨通常情况下是滚刀装配密封性不够好，致使沙子等杂质进入轴承内部，从而导致滚刀不自转，还有一种可能就是滚刀没有依据地质情况而选择合适的扭矩，比如在软岩地层中，由于其软岩对滚刀的自转形成不了摩擦，就会使滚刀停止自转从而偏磨，如图1所示。
图1刀圈偏磨
2.2滚刀刀圈断裂或崩块
这种情况通常发生在上软下硬的复杂地层中，岩层对刀圈形成瞬间载荷，加之刀圈材质的脆硬特性就导致了刀圈的断裂或崩块，这种情况会影响其他滚刀或者刮刀的使用寿命，由于崩块下来的残缺铁块遗留在刀盘的挖掘仓内而没有随渣土一起运出的话，在掘进过程中会造成滚刀之间的相互碰撞，也会使刀圈局部过载或者应力集中造成二次破坏。此外，在挖掘面的不平整情况下，新装上去的滚刀也会出现断裂或崩块的情况，这主要是由于在刀圈生产过程中，热处理没有达到标准使刀圈内部的应力无法充分的释放，也会造成该种情况，如图2所示。
图2刀圈断裂图3刀圈脱落
2.3滚刀刀圈脱落和移位
造成刀圈脱落的主要原因是在掘进时刀圈承受了过大的侧向力。另外，如果滚刀装配质量差，施工方掘进参数选用不合理也会造成该种现象的发生。而刀圈移位主要是在装配时挡圈焊接不牢固造成断裂或脱落，导致刀圈沿轴向平移。如图3所示。
3滚刀磨损影响因素
影响滚刀使用寿命的地质因素主要为：岩石的硬度、强度、断裂带以及地质的均匀程度等，其岩石的强度、硬度等与滚刀的磨损程度成正比关系；国内对刀具的磨损性能与岩石特征之间的关系研究起步较晚，相关学者研究了岩石岩性、矿物含量、结构间的关系，认为岩土中石英含量是影响磨损的主要因素，在分析了掘进过程当中滚刀磨损规律的基础上，认为滚刀的磨损量受施工工法、土质、滑动距离、滚刀形状、滚刀材质、推进速度、刀盘转速因素的影响；国外研究者还全面分析了影响施工刀具磨损性和岩石特性的问题，认为单轴抗压强度，抗拉强度、岩石硬度、磨损系数等都与刀具的磨损相关，并指出没有单个的指数能完全说明岩石的耐磨性。
4提高滚刀耐用度的措施
地下是一个未知的世界，由于各地地质条件差别很大，甚至在同一地区的地质条件也都不均匀，加之每个工程的施工方式方法不尽相同，因此盾构刀具的磨损量和破坏形式都比较多，在施工过程中不得不花很多时间和精力来更换和检查滚刀，这就严重制约了施工方的工程效率，增加了施工成本，为了更好的解决这一难题，应从以下几点措施来提高滚刀质量和施工工艺。
1）依据地层条件选用硬度和尺寸等参数的刀圈。在岩石强度比较大的地层不适宜选用镶齿刀圈滚刀，而应选用刃角较小和硬度较高的刀圈，在中等和微风化地层中，因其强度不高就可选用刃角较大或平角刃的镶齿刀圈，这样既可以有效的防止刀圈崩裂，又可以促使滚刀转动，以便提高掘进速度。
2）滚刀装配时调整滚刀的启动扭矩。要根据施工过程中不同的地质条件，选择安装不同扭矩的刀具。影响扭矩的因素不光与岩石强度有关，还与其地质均匀性有关，在上软下硬或者强度比较高的岩石下掘进时应选用较高的扭矩。
3）采用合适的施工方法。采用矿山法和盾构法相结合，在非常坚硬的岩层，强度若大于60MPa时应考虑矿山法和盾构法相结合的方式施工；在硬岩中掘进时，若刀盘扭矩过大或掘进速度明显降低时要及时检查更换刀具，尤其是几把边缘滚刀，应避免滚刀刀圈严重磨损或断裂，刀盘贯入度必须控制在6mm/rpm左右，盾构机总推力不得超过12000KN[1]。
4）在滚刀切削岩石时会产生大量的热量，而渣土多不利于散热，会导致滚刀中浮动密封和O形密封圈在高温下迅速老化失效，造成滚到内润滑油溢出，这是沙石也会进入滚刀，对轴承造成损坏，所以要适时的降低土仓内压力，同时注入一定的发泡剂和水来增加渣土的流动性和降低滚刀温度，有效的保护刀具和刀盘。
5）合理的掘进参数。一艘好船如果没有好的水手和船长是航行不了多远的，滚刀的使用好坏同样离不开施工工法，在掘进时施工人员应在遵循地质条件的原则下来选择合理的掘进参数，比如刀盘转速、盾构机推力、掘进速度等等[2]。为此，施工方、盾构刀具生产商应和科研院所联合展开此类课题的攻关研究，开发出一套完整的盾构刀具在实际服役工况下服役状况数据库与盾构刀具性能评价体系和评价标准，进而有预见性的对滚刀及各项掘进参数进行准确的确定。
5结语
由于我国盾构施工和盾构刀具国产化起步较晚，虽然近些年国内对滚刀的研究展开了大量的工作，也取得了一定的效果，但国内学者对盾构刀具的研究大多数停留在定性分析上，而考虑到地层变异性对盾构刀具影响的定量分析甚少，总的来说还和国外盾构刀具还有不少的差距，其核心技术仍被少数国家所掌握，今后在滚刀装配制造和施工方面仍要加强研究，以提高国产盾构刀具的质量和市场占有率。
参考文献：
[1]刘晓毅，复合地层中盾构机滚刀磨损原因分析及改进[J].隧道建设，2006，43（4）：72-76.
[2]彭勇，某工程盾构滚刀在硬岩地层中的使用情况分析[J].广州建筑，2011，39（3）：12-15.（注：本文版权归作者本人和硅谷杂志所有，禁止他人未经授权转载） |
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