02盾构穿越硬岩的刀盘配置与换刀技术

盾构穿越硬岩的刀盘配置与换刀技术龚彬（中铁五局城通分公司）摘要：大连地铁103标七十九中站~西安路站盾构区间右线以中风化钙质板岩为主，岩石强度在50Mpa左右，属于中硬质岩层，局部为辉绿岩，强度在90Mpa以上，对刀盘刀具提出了很高的要求。结合施工场地的实际情况，通过盾构机的刀盘重新配置，制定可靠的换刀方案，为工程的顺利进行提供了相应支持。本文通过对相关过程进行总结，对以后的工程提供经验。关键词：硬岩刀盘配置换刀技术1工程概况大连地铁103标盾构隧道区间起于七十九中学站后端,经长兴街沿西南方向至西安路站前端，区间隧道长度为右线844.36m，左线840.94m，在中间设联络通道一处。区间沿线原始地貌为马栏河二级阶地，现为街道。沿线高层建筑物密集，管线、管道众多。本区间范围内上覆第四系人工堆积层(4mlQ)、第四系上更新统冲洪积层、下伏震旦系长岭子组钙质板岩、中生代燕山辉绿岩等。右线主要穿越的地质条件为中风化钙质板岩，天然抗压强度在50MPa以上。地下水按赋存条件主要为孔隙水及基岩裂隙水，局部地段基岩裂隙水与海水相互连通。该工程选用了具备三种模式的复合式土压平衡盾构机，由中铁隧道装备有限公司生产。2硬岩地层刀具的配置基本原则(1）从刀盘设计开始，就要考虑采用滚刀进行破岩，切刀及边刮刀进行刮渣和装载。滚刀和切刀高低搭配，滚刀超前切刀35-45mm。(2）刀具安装对称，尽量减小刀盘对主轴承产生的偏载。(3）布置刀具的数量应该随直径的增大而增多，保证刀具的磨损尽量均匀。(4）考虑到地质情况的复杂性，滚刀座可以安装撕裂刀。(5）超挖刀位置选用滚刀。(6）考虑地层对刀盘具有较大的磨损性，在刀盘辐条面板及大圆环前后端面堆焊网格状耐磨材料的同时，在刀盘外周也焊上耐磨硬质合金周边保护刀，延长刀盘的使用寿命。3大连地铁盾构刀具的配置大连地铁地质情况经勘测：主要为全断面中风化钙质板岩，局部穿越全断面中风化绿辉岩，局部上半断面有全、强风化钙质板岩侵入。隧道顶板上部分别覆盖全、强、中风化钙质板岩及卵石层。穿越的中风化岩大部分岩体较完整，局部较破碎。全断面的全、强风化岩（破碎）地层，由于全、强风化岩侵入而形成的上软下硬地层，以及破碎地层会增加刀具异常损坏的几率，经常形成大直径石块，这种石块对刀具会造成很大的冲击，由于石块的冲击作用，软岩刀具很容易因为冲击而产生崩刃。同时这种石渣也会对刀具耐磨性提出很高的要求。当然由于硬质合金的耐磨性很好，可以抵抗这种强磨损地质，但它会造成刀具基体的造成严重磨损，造成刀具提前失效。全断面中风化绿辉岩造成盾构刀具的强力磨损，尤其是中风化绿辉岩中伴随着强风化钙质板岩，这种严重不对称的地质状况将集中强力磨损和强大冲击于一身，是施工中最担心的地质，很容易造成刀具寿命的缩短。基于以上情况，大连地铁刀具配置计划如下：（１）滚刀采用的轴承为TIMKEN公司生产的重型轴承，浮动密封采用原装意大利GNL品牌。（２）滚刀装配时启动扭矩调整为28-35Nm。（３）刀盘配置单刃滚刀34把,含一把扩挖刀,双刃滚刀4把,正面刮刀46把,边刮刀12把.滚刀高165mm,刮刀高120mm,最大刀间距90mm.（4）根据地质状况中地下水略带承压性，水量中等的特性，同时地层破碎情况，采用带压滚刀，增加滚刀寿命。（5）切刀及边刮刀采用大合金、大倒角结构，合金间全部覆盖耐磨堆焊，防止钢体发生磨损而导致硬质合金脱落。硬质合金应使用国内知名企业生产的硬质合金，在保证耐磨性能的同时，保证刀具的抗冲击性。（6）切刀及边刮刀钢体采用国内知名钢厂生产的42CrMo钢材，采用锻造和先进的热处理工艺，保证集耐磨性和冲击韧性于一身。4大连地铁刀具的磨损情况分析（１）大连地铁隧道穿越中风化钙质板岩、中风化辉绿岩、局部上半断面有全、强风化钙质板岩侵入，岩层的天然抗压强度为起伏波动巨大。（２）正常掘进的情况下，穿越全断面中风化绿辉岩，对滚刀刀圈磨损严重，切刀和边刮刀磨损情况适中。（３）考虑到穿越中风化绿辉岩，局部上半断面有全、强风化钙质板岩侵入的上软下硬地层，再加上全、强风化岩（破碎）地层，刀具异常损坏的几率大大加大。经常形成大直径石块，这种石块对刀具会造成很大的冲击，由于石块的冲击作用，切刀、边刮刀很容易因为冲击而产生崩刃；滚刀刀圈也可能由于受到冲击力发生刀圈崩裂。（４）地质状况中地下水略带承压性，水量中等或强。滚刀在类似地层掘进，容易发生密封失效，泥沙进入滚刀进而发生滚刀轴承失效，滚刀发生转不动、偏磨的现象。5常用换刀技术简介准备手电筒高压水枪和量具,刀盘转动时进行冲洗检查,更换扩挖刀时一定用电锤将周边岩石凿除,防止刀具崩刃.一般情况下扩挖刀磨损达到10mm时更换,正面滚刀和中心滚刀磨损量达到20mm左右更换,周边滚刀达到15mm时更换,刮刀作为辅助刀具在更换滚刀时将明显损坏的一并更换。6大连地铁换刀技术及应用情况换刀原则,每十环进仓检查刀具磨损情况,因为大连有小半径区间,使用扩挖刀时为了保证切削半径,磨损至8mm时更换，更换下的超挖刀可作为正面滚刀使用，周边滚刀在磨损到１０mm左右更换，更换下来以后也可作为正面滚刀使用，正面滚刀和中心滚刀在磨损到１５mm时进行更换，保障刀具的修复价值．换刀前根据磨损情况分析，结合地勘报告选择合适的换刀点，避免在地质不稳定的地段换刀．过重要建筑物前必须检查刀具，保证一次通过重要路段．换刀前通过土压力显示和打开球阀确认水土位置，确认在半仓以下后缓慢打开仓门，先由技术人员戴防毒面罩和气体检测仪进入土仓确认无有毒气体和掌子面情况稳定后方可进入实施换刀。大连地铁103标盾构掘进30米,钻芯取样检测,岩石抗压强度为50MPA,滚刀刀圈磨损量小于2.5mm,刮刀部分有崩刃现象.掘进时对刀具冲击较大,部分滚刀螺栓出现脱落现象.掘进至48环,正面滚刀磨损5-7.5mm,周边滚刀磨损10mm左右，考虑到保证开挖直径，对32至41号滚刀进行更换。7存在的问题及下一步主要事项7.1地勘报告与实际地质的差异主要措施：工程技术人员２４小时跟班作业，与盾构司机一起及时发现地层突变的问题。7.2地勘报告与实际岩石抗压强度不符主要措施：地勘报告岩石抗压强度30MPa以下，实际钻芯取样为50MPa，一方面从刀具上按照实际抗压强度设计，另一方面积极联系业主和相关部门争取变更设计。7.3长距离软硬不均地层中掘进主要措施:按照较软地质选择滚刀启动扭矩,避免发生偏磨;控制贯入度,避免对刀具冲击过大造成异常损坏。8大连地铁相邻标段盾构推进情况8．1地质情况分析该标段主要为中风化钙质板岩，中间夹杂部分辉绿岩，辉绿岩局部抗压强度达到160MPa，地层裂隙水很丰富。8.2刀盘配置盾构机型：大连重工海瑞克6250刀具配置：配置单刃滚刀27把，仿形刀1把，双刃滚刀4把，正面刮刀40把，边刮刀8把。滚刀高度175mm,刮刀高度140mm，最大刀间距为107mm。8.3刀具磨损情况（1）刮刀失效图17刮刀严重磨损以及脱落图18刮刀及刀座脱落（2）滚刀失效图19滚刀严重磨损图20滚刀刀圈脱落（3）滚刀刀箱损坏图21刀箱变形图22刀座损坏8.4原因分析(1)设计原因:刀具配置不合理,刀具数量布置较少,刀间距太大.(2)过分依赖地勘报告,对辉绿岩的抗压强度和对刀的损害程度估计不足,没有及时进行检查处理.(3)更换刀具后没有及时清理残留在土仓内的掉落的刮刀,对刀具造成严重损伤.(4)刮刀作为辅助刀具,在滚刀没有及时更换的情况下全部失效.(5)更换滚刀后,在刮刀没有更换的情况下继续推进,使得滚刀磨损严重.(6)刀箱变形导致滚刀高度变化,造成异常损坏.(7)刀箱材质不符合要求,导致在刀具磨损的情况下发生变形.(8)麻木追求进度,没有及时对刀盘刀具进行检查,在出渣粒径出现异常时没有敏感发现问题。8.5与韶山二号对比分析对比内容韶山二号海瑞克（大重）结论经济性单刃滚刀34把双刃滚刀4把正面刮刀46把边刮刀4把单刃滚刀28把双刃滚刀4把正面刮刀40把边刮刀8把配置上海瑞克表面较为经济,但是实际使用中,目前推进600米左右换刀费用达到400万以上.韶山二号推进50米,更换了正常磨损的10把边滚刀,可以作为正面滚刀的备用刀使用.综合起来，韶山二号更加经济。实用性刀间距90mm刀间距108mm在岩石抗压强度较大时，刀间距是刀盘破岩能力的重要参数，很明显过大的刀间距不适合大连地层硬岩掘进。实用性方面韶山二号更佳。9结束语在大连地铁103标中，盾构机须在长距离硬岩中掘进，对于刀盘刀具的配置提出了相当高的要求。通过对工程状况的深入研究，结合相关施工经验，设计合理地刀盘配置、采用有效地换刀方案，保证了工程的顺利进行。通过本文加以总结，为以后施工提供了相关经验。