相比于带压换刀技术, 泥水盾构刀盘在常压条件下进行滚刀的更换可以大大提高刀具更换效率、缩短掘进时间、降低工程造价、降低安全风险并有效保护刀具更换人员的人身健康^[1], 常压换刀技术越来越多应用到大直径泥水盾构刀盘中, 另一方面随着城市化进程的加快, 越来越多的隧道需要修建在水域或上软下岩复杂地层中, 这给泥水盾构施工带来了极大挑战。由于岩体和土体的硬度差别极大, 当盾构机掘进断面内同时切削这两类介质时, 就对盾构刀盘刀具的地层适应性提出了极为严峻的挑战。国内某些盾构隧道建设过程中也遭遇到了土岩复合地层, 宋天田^[2]等简单分析了盾构在复合地层中掘进时滚刀的受力情况, 但没有分析滚刀偏磨的具体原因;竺维彬等^[3]系统总结了复合地层掘进过程中滚刀的磨损情况, 对滚刀的磨损进行了定性分析, 提出了滚刀磨损的控制对策;钟志全^[4]结合海瑞克6250型泥水盾构得到了滚刀刀圈崩裂的主要原因是刀具冲击到强度较高岩体上;王瑶等^[5]基于狮子洋隧道对滚刀的磨损类型和规律进行分析总结。可以看出, 上述研究成果集中在土压平衡盾构或泥水盾构带压换刀刀具上, 而现在越来越多的泥水盾构开始采用常压换刀技术, 但相关研究较为浅显, 磨损原因及应对措施明显不足。

为此, 本文以武汉地铁某越江隧道工程可常压滚齿互换滚刀 (以下简称“滚刀”) 非正常磨损为研究背景, 列举了盾构掘进过程中滚刀遭遇到的诸如偏磨、刀圈破碎等非正常磨损情况, 深入研究了导致滚刀非正常磨损的原因, 基于工程实际, 针对性地提出一系列改进措施, 在后期实际应用过程中也取得了较好的效果。

武汉地铁某线越江盾构隧道全长3 185m, 采用1台直径12.55m的泥水盾构, 是目前国内直径最大的单管双线地铁盾构隧道。隧道区间最大水土压力0.674MPa, 最大覆土深度36.5m, 江底最深处位于常水位以下51m。隧道先后穿越粉细砂地层、泥质粉砂岩、强风化砾岩、弱胶结砾岩、中等胶结砾岩、圆砾土、中粗砂等地层, 江中段地层上部为全粉细砂地层、中间1 365m为强风化砾岩层、弱胶结砾岩750m和430m中等胶结砾岩, 属于典型的上软下岩复合地层, 区间中等胶结砾岩岩面最高达到4.5m, 可完全覆盖滚刀的切削轨迹, 其最大抗压强度达到40MPa, 强度较高。其地质剖面如图1所示。

本工程刀盘设计为辐条面板式重载刀盘, 共有6个主臂、6个辅臂, 设计开口率为28.5%。设置有常压可更换刀具76把, 包括双刃滚刀15把, 先行刀8把, 正面刮刀34把, 边缘刮刀9把, 中心刀10把。其余271把刀具均为需带压进仓更换刀具。为满足复合地层掘进需求, 15把双刃滚刀均可实现常压滚齿互换, 尺寸为19英寸 (1英寸=2.54cm) , 刀高225mm, 刀间距为100mm, 刀刃宽度为24mm平头形式, 压力补偿式, 预留与其互换的常压更换式齿刀设计, 磨损检测传感器高出面板130mm。掘进过程中先后使用了3种形式滚刀:初装整体式 (刀圈与刀榖一体) 滚刀、分体式 (刀圈与刀榖分体) 镶齿滚刀、分体式 (刀圈与刀榖分体) 标准滚刀。

自盾构掘进至591环 (1 182m) 以 (15b-3) 中等胶结砾岩为主的复合地层后, 滚刀开始担负破岩任务, 仅掘进26m (即604环) 后, 滚刀即出现严重的非正常磨损。本工程所用滚刀出现的非正常磨损包含偏磨和刀圈破碎两种情况, 其中偏磨分为偏磨和弦偏磨。以上3种形式的滚刀, 均存在刀圈断裂的情况, 滚刀偏磨多数出现在分体式刀具中。刀具非正常磨损如图2所示。

盾构进入到中等胶结砾岩为主的复合地层后, 破岩任务由滚刀承担^[2], 由于滚刀偏磨、刀圈破损等非正常磨损情况的发生, 相邻轨迹的刮刀成为了切削破岩的主体。在盾构推进过程中刮刀直接接触整个岩面且接触面积较大, 单把刮刀受力过载, 冲击力在一个位置向多处位置扩散, 使得刮刀大面积磨损乃至崩齿, 刀筒过载同时导致了刮刀刀筒的变形开裂及相应软土刀外刀筒法兰面开裂、内刀筒固定刀头处变形等一系列情况。据统计, 本工程盾构前期在复合地层中掘进时, 刀具更换及配套作业时间占据了掘进施工总时间的40%左右, 滚刀的非正常磨损严重制约了盾构施工工期^[6], 大大增加了各项施工成本费用, 工程安全隐患也随之而来。

常规滚刀偏磨根本原因为地层土体摩擦力提供的转动扭矩达不到滚刀的启动要求, 因此主要有两方面原因:滚刀启动扭矩过大以及土体提供的摩擦力较小。常压可更换滚刀造成偏磨的原因还要复杂, 除上述原因外还可能由于常压滚刀刀筒变形或强度不够, 造成滚刀切削受力不均形成偏磨;或支撑滚刀受力的固定螺栓断裂, 引起受力失效, 导致滚刀不能正常转动切削, 形成偏磨。

1) 滚刀轴承受损^[7]会导致滚刀转动过程中摩擦系数急剧增加, 增大滚刀启动扭矩, 带来滚刀偏磨。轴承受损的原因有2个: (1) 常压滚刀更换技术是在刀盘后方利用液压设备并配合密封装置将刀筒及位于刀筒内的滚刀一并抽出, 然后进行检查及更换的一项技术。与带压更换滚刀最大的不同在于, 常压可更换滚刀固定在密封的刀筒内, 刀筒密封质量的好坏关系到滚刀的使用效果。因此, 可常压更换滚刀偏磨一个重要的原因就是滚刀刀筒装配质量较差, 在滚刀施工过程中刀筒密封失效, 大量泥砂进入刀筒内, 大大增加了滚刀转动扭矩。 (2) 刀具承受的瞬间荷载过大, 轴承在超载情况下出现轴承圈断裂或轴承破碎。

2) 工程前期部分滚刀存在设计、加工及装配质量不过关, 刀具转动扭矩过大。

3) 滚刀压板固定螺栓安装工艺不规范, 前期在安装滚刀过程中主要使用风动扳手进行紧固滚刀压板螺栓 (M27X140, 10.9级) , 安装过程中压板固定螺栓受力不均, 导致压板固定不均匀, 滚刀受力情况下刀具位置与预定切削轨迹之间出现偏差, 增大了滚刀转动扭矩。

盾构掘进至江底上软下岩复合地层后, 进行滚齿互换, 齿刀逐步更换为承担切削破岩任务的滚刀, 由于复合地层同一断面内同时存在硬岩和粉细砂, 粉细砂地层提供的摩擦力难以为滚刀启动提供足够的扭矩, 导致滚刀偏磨。

本工程用盾构机刀盘上滚刀布置不足, 特别是边缘滚刀数量明显不足, 在以中等胶结砾岩为主的复合地段中掘进时, 单把滚刀承担的破岩压力较大^[8]。

1) 将断裂的刀圈样本进行硬度检测, 结果显示其硬度达到了HRC59~60。分析导致刀具断裂的主要原因是:为保证刀具硬度淬炼到HRC59~60时, 刀具的韧性急剧降低, 导致刀具抗冲击性能大大降低。

2) 滚刀刀毂与刀圈相互之间配合过盈过大, 导致刀圈中应力过大, 对外在冲击力的敏感程度增加, 是刀圈破碎的内因。

3) 施工前期采用了一批镶嵌球齿的分体式滚刀, 在镶嵌的球齿对于滚刀的整体强度造成了较大的影响。

1) 盾构掘进至江底复合地层后, 关键施工参数未能够及时调整 (刀盘转速居高不下, 掘进速度10~17.5mm/min, 刀盘转速一直为1.2r/min, 刀盘扭矩基本维持在15~17MN·m, 刀盘贯入10mm/rot) , 遭遇到强度较高的中等胶结砾岩后, 滚刀承受的冲击力大大提高。

2) 盾构在上软下岩复合地层中掘进时, 滚刀在破岩过程中会数次撞击软硬交界面处强度较高的中等胶结砾岩。相比于均质地层, 滚刀与围岩的碰撞冲击次数大大增加, 加速了其刀圈的破碎。

3) 滚刀检查方法不够合理, 原有探测头为机械磨损探测头, 报警需要等到滚刀磨损严重后才会触发, 此时滚刀、刀筒及刀筒座都已有一定损伤, 破岩效果大大降低, 临近滚刀破岩压力增加, 损坏几率提高。

4) 刀盘前方遗落有其他破碎刀圈合金块, 切削过程中与滚刀发生碰撞, 导致刀圈破碎。

1) 球齿滚刀球齿不适应以中等胶结为主的复合地层^[9], 后期不再使用该类滚刀。考虑整体式滚刀生产加工周期过长, 联合国内知名的刀具生产厂家设计分体式改进滚刀, 采用硬度呈梯形分布的重型刀圈, 进一步提高刀圈的抗冲击性能和破岩能力, 设计光刀圈破岩滚刀, 刃口为圆弧R10^[10]。

2) 改进滚刀设计参数, 适当缩小刀毂尺寸, 由原设计324cm改至320cm, 公差控制在2mm左右, 过盈量0.16~0.22, 减少刀毂与刀圈之间的过盈, 有效降低刀圈自身的应力水平。

3) 装配质量是影响滚刀使用寿命非常重要的因素, 规范滚刀刀筒装配质量, 严格执行滚刀装配标准流程, 最大程度减少由于滚刀装配带来的额外扭矩, 保证滚刀刀筒密封的有效性。

1) 遵循“滚刀破岩、齿刀切土”的原则, 根据盾构掘进线路上掘进断面内岩体土体占比及断面内岩体力学参数优化15把可滚齿互换刀位上滚刀与齿刀的比例。

在本工程全断面粉砂地层 (里程桩号DK11+689) 中, 15把滚刀全部配置为齿刀, 但是当掘进至DK11+817断面 (粉细砂、强风化砾岩复合断面, 其中含粉细砂40.17%、强风化砾岩59.83%) 时, 将部分最外圈齿刀更换为19英寸双刃滚刀, 每个主刀臂更换1组, 共计设置6把双刃滚刀 (见图3) 。

2) 改变前期滚刀安装所使用设备及安装步骤规程, 加强螺栓安装质量控制。 (1) 将风动扳手替换为液压扳手进行压板固定螺栓的紧固, 严格按自内而外、对角顺序紧固, 紧固操作严格按海瑞克公司要求的3步骤进行:首次紧固预紧扭矩达到650N·m, 第2次紧固预紧扭矩达到1 300 N·m, 第3次进行复紧以确保每一颗螺栓受扭矩均达到1 300 N·m。 (2) 每次装滚刀前要用丝攻对刀桶上的内丝进行顺丝处理, 以便对轻微受伤的内丝进行修正, 用气或水将清理下来的杂物 (铁屑、泥土) , 最后用柴油彻底清孔。 (3) 在啮合丝扣端部呈180°滴上两滴乐泰螺纹放松剂, 弥补螺栓螺母啮合的轻度偏离。 (4) 受伤较严重的母牙考虑扩孔 (M30) , 甚至考虑刀筒报废换新。

调整盾构掘进参数:刀盘转速维持在0.8r/min, 贯入度减小至5mm左右, 盾构推进速度按照每日3~4环 (6~8m) 控制, 稳定掘进速度, 做到稳步推进, 持续平衡。在盾构每掘进结束一环后进行清仓循环, 尽量带走开挖仓底部堆积的砾石, 同时在掘进中进一步加强滚刀运行状态监测, 适当缩短滚刀检查周期, 确保滚刀正常运转。

在分析滚刀非正常磨损原因的基础上, 对盾构机存在的滚刀偏磨、刀圈破碎等问题进行了有针对性的应急处理及长久措施改进, 同时调整了盾构在上软下岩复合地层中的掘进参数。图4为19, 20号滚刀591～778环的11次换刀记录, 后3次为改进后的滚刀使用寿命。改进后, 在地质条件没有明显变化的情况下, 平均每把滚刀有效使用距离从24.75m延长至58.67m, 极大地提高了滚刀的使用寿命, 因滚刀损坏导致的滚刀更换及盾构停机检修、带压进仓检修次数大大降低, 盾构日掘进量能有效维持在6～8m, 有效节约了工程费用, 缩短了工期, 同时提高了盾构施工安全性, 改进效果显著。

1) 滚刀偏磨的根本原因可归结为地层土体摩擦力无法为滚刀提供足够的启动扭矩, 常压可更换滚刀区别于带压可更换滚刀发生偏磨的最主要原因是滚刀刀筒质量不过关, 导致滚刀转动扭矩较大。

2) 滚刀刀圈破碎的根本原因是中等胶结砾岩强度较高, 刀盘以一个较高的转动速度对岩体进行破碎时造成滚刀过载, 加之滚刀结构形式不合理及刀体抗冲击性能较差, 从而导致滚刀刀圈破碎。

3) 从滚刀的设计生产装配及选型、配置及安装工艺、盾构施工参数3个方面提出了改进措施:优化滚刀刀圈设计, 提高装配质量, 改进滚刀布置形式, 按照新的操作规程使用液压扳手进行滚刀安装, 降低盾构施工参数, 加强监测, 稳步推进保持平衡。