盾构隧道掘进中盘形滚刀磨损机理及其施工优化方法.pdf
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1、 第4 4卷第4期V o l.4 4 N o.4 2 0 2 3青 岛 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o f Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 盾构隧道掘进中盘形滚刀磨损机理及其施工优化方法张鹏辉1,雷 军2,彭 斌2,邝利军2,杨子汉2,于广明1,*(1.青岛理工大学 土木工程学院,青岛2 6 6 5 2 5;2.中国建筑第五工程局有限公司,长沙4 1 0 0 0 0)摘 要:盾构机具有掘进速度快、安全高效等特点广泛应用于城市地下空间的建设中。盘形滚刀作为盾构机刀盘上破碎岩体的重要组成部分,
2、在掘进过程中直接切削并破碎岩体,所以滚刀磨损是盾构机掘进施工中最常见且无法避免的难点问题。依据深圳城市轨道交通1 3号线掘进施工过程中刀具磨损情况的反馈信息,首先对盘形滚刀磨损形式进行了分类并加以统计,进而分析造成盘形滚刀不同磨损类型的机理。基于滑移线理论构建了盘形滚刀正常磨损的预测模型,并通过现场磨损数据验证了该预测模型的正确性和适用性。最终通过滚刀加固优化以及掘进参数优化等手段成功降低了滚刀的正常磨损和非正常磨损,取得了较好的现场效益。关键词:盘形滚刀;磨损机理;磨损特征;滑移线理论;实例验证 中图分类号:U 4 5 8 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 3-4 6 0 2(2 0 2
3、 3)0 4-0 0 4 5-1 2收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 4基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 1 7 1 2 6 4)作者简介:张鹏辉(1 9 9 7-),男,山东泰安人。硕士,研究方向为盾构隧道施工技术、地表沉降灾害防治。E-m a i l:3 3 0 2 3 7 5 5 4 1 q q.c o m。*通信作者:于广明(1 9 6 2-),男,黑龙江青冈人。博士,教授,博士生导师,主要从事地表沉降及其防控、建筑物健康检测等方面的研究。E-m a i l:8 6 1 6 9 2 3 7 1 q q.c o m。W e a r m e c h a n i s m a n
4、 d c o n s t r u c t i o n o p t i m i z a t i o n m e t h o d o f d i s c c u t t e r i n s h i e l d t u n n e l i n gZ HA N G P e n g h u i1,L E I J u n2,P E N G B i n2,K UA N G L i j u n2,Y A N G Z i h a n2,Y U G u a n g m i n g1,*(1.S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g,Q i n g d a o
5、U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,Q i n g d a o 2 6 6 5 2 5,C h i n a;2.C h i n a C o n s t r u c t i o n F i f t h E n g i n e e r i n g B u r e a u C o.L t d.,C h a n g s h a 4 1 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e s h i e l d m a c h i n e h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o
6、 f f a s t t u n n e l i n g s p e e d,s a f e t y a n d e f f i-c i e n c y,a n d i s w i d e l y u s e d i n t h e c o n s t r u c t i o n o f u r b a n u n d e r g r o u n d s p a c e.A s a n i m p o r t a n t p a r t o f t h e s h i e l d m a c h i n e c u t t e r h e a d,t h e d i s c c u t t e
7、 r d i r e c t l y c u t s a n d b r e a k s t h e r o c k m a s s d u r i n g t h e e x c a v a t i o n p r o c e s s,s o t h e w e a r o f t h e c u t t e r i s t h e m o s t c o mm o n a n d u n a v o i d a b l e d i f f i c u l t p r o b l e m i n t h e s h i e l d m a c h i n e e x c a v a t i
8、o n c o n s t r u c t i o n.B a s e d o n t h e f e e d b a c k i n f o r-m a t i o n o f t o o l w e a r d u r i n g t h e e x c a v a t i o n c o n s t r u c t i o n o f S h e n z h e n U r b a n R a i l T r a n s i t L i n e 1 3,t h i s p a p e r f i r s t c l a s s i f i e s a n d c o u n t s t
9、h e w e a r f o r m s o f t h e s h i e l d m a c h i n e d i s c c u t t e r,a n d t h e n a n a l y z e s t h e m e c h a n i s m t h a t c a u s e s d i f f e r e n t t y p e s o f d i s c c u t t e r w e a r.B a s e d o n t h e s l i p l i n e t h e o r y,a p r e d i c t i o n m o d e l f o r t
10、h e n o r m a l w e a r o f t h e d i s c c u t t e r i s c o n s t r u c t e d,a n d t h e c o r r e c t n e s s a n d a p p l i c a b i l i t y o f t h e p r e d i c t i o n m o d e l a r e v e r i f i e d b y t h e o n-s i t e w e a r d a t a.F i n a l l y,t h e n o r m a l w e a r a n d a b n o
11、r m a l w e a r o f t h e d i s c c u t t e r a r e s u c c e s s f u l l y r e d u c e d b y m e a n s o f t o o l s h a p e p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n,t u n n e l i n g p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n a n d c u t t e r r e-青 岛 理 工 大 学 学 报第4 4卷i n f o r c e m e n t o p t i
12、m i z a t i o n,a n d g o o d o n-s i t e b e n e f i t s a r e a c h i e v e d.K e y w o r d s:d i s c c u t t e r;w e a r m e c h a n i s m;w e a r c h a r a c t e r i s t i c s;s l i p l i n e t h e o r y;c a s e v a l i d a-t i o n 随着世界经济的发展和人口的急剧增加,城镇区域地上可利用土地资源日渐匮乏,地下空间的开发受到了发达国家及发展中国家建设者的青睐1。
13、交通隧道作为地下空间的重要组成部分具有通行能力稳定,不受天气影响等优点,现已成为城镇、地区甚至国家的交通命脉2。随着科技的发展,隧道的修建方法已经从人力开挖逐渐发展到今天的机械化开挖,盾构法作为当今地下空间修建隧道的主流方式以其高度机械化操控、施工对周围环境扰动小、安全高效等绝对优势,现已被世界地下空间建造者们广泛采用3。盾构隧道施工面临的主要难题就是开挖面的稳定问题、盾构刀具磨损问题、掘进姿态控制问题以及地表的沉降问题,然而在盾构掘进破岩过程中面临的最主要问题就是刀具的磨损4-6。盾构刀具主要由适应不同地质条件的盘形滚刀、切刀、刮刀和撕裂刀组成7。盘形滚刀的研究历史可以追溯到1 8 5 1年
14、,C h a r l e s W i l s o n 首次提出采用带有盘形滚刀的掘进设备对隧道进行挖掘8。在长距离硬岩掘进过程中,盘形滚刀始终承受来自岩体的反作用力,盘形滚刀的磨损情况将直接决定盾构机的整体工作效率9。已经磨损的刀具需要及时更换,更换期间需要盾构机处于短时间的停机状态,若不能及时更换受损的刀具,则会造成刀盘的损坏,致使盾构机长时间停机。J OHN S O N等指出因盘形滚刀受到地层的反作用力而造成的滚刀表面材料的剥落以及材料的脆性破坏是盘形滚刀磨损失效的主要表现形式1 0。A S H B Y等指出盾构机盘形滚刀的磨损类型或磨损机制取决于材料间的相对滑动速度、正常接触压力、摩擦体
15、的材料和周围环境状况1 1。R E N等研究了复合地层条件下盘形滚刀的磨损情况,依据T B M的掘进参数建立了一种预测盘形滚刀磨损的预测方法1 2。F A N G等采用一种三维R B D-D e m耦合方法考虑了刀具与地层之间的相互作用,证明在混合地层中刀具的偏磨是影响T B M掘进效率和成本的重要因素1 3。L U等采用开放式微波致裂装置辅助盘形滚刀进行破岩,通过微波辐照有效地降低了盘形滚刀破岩时所受的接触压力,成功降低了滚刀的磨损率1 4。Y U等通过研究盘形滚刀的运动轨迹,提出了一种基于现场参数的实时估计盘形滚刀磨损情况的方法,有效地提高了盾构隧道施工效率,降低了盾构隧道施工成本1 5。
16、然而,上述盘形滚刀磨损研究多在理想条件下或实验室条件下揭发其磨损行为,未能以滚刀受力机理为切入点并依托现场工程实际,进行滚刀磨损的研究,鲜有将盘形滚刀磨损的理论研究成果应用于实际工程,不仅对于预测模型的数据验证不够,也未能解决工程中滚刀磨损严重的问题。因此,本文秉持“问题来自工程,研究指导工程”的理念,基于现场刀具磨损情况的反馈信息,对盘形滚刀的磨损情况进行分类,并分别分析其磨损机理,最终建立基于滑移线理论的盘形滚刀正常磨损预测模型,提出相关工程措施减少盘形滚刀磨损。1 深圳城市轨道交通1 3号线留-白区间工程概况1.1 工程地质条件深圳城市轨道交通1 3号线留仙洞站至白芒站区间(后文简称1
17、3号线留-白区间)盾构隧道工程采用双模盾构机(T B M-E P B)进行施工,并设置中间风井。1 3号线留-白区间穿越的地层复杂多变且分布不均,地基土上部分以素填土、淤泥质黏土、粉质黏土和沙土为主;下部地层以全风化花岗岩和混合花岗岩为主,局部穿越硬塑砾质黏性土、全-强风化黑云母花岗岩、全-强风化混合花岗岩,且掘进区域存在大量孤石。1.2 滚刀磨损类型与换刀数据统计在盾构机掘进过程中,盘形滚刀作为破碎岩体的主要刀具,不可避免地会因岩体对刀具的反作用力而对盘形滚刀造成相应的磨损。以区间内1 2次开仓换刀数据及现场磨损照片为基础,进行盘形滚刀磨损信息的统计。本文依据滚刀磨损后的形貌特征将盘形滚刀的
18、磨损形式分为正常磨损和非正常磨损。其中非正常磨损又细分为偏磨和崩刃。盘形滚刀的正常磨损也称为均磨,即磨损量沿圆周均匀分布,磨损后的刀圈仍为标准圆形。偏磨的特点为刀具磨损量不沿刀圈圆周均匀分布,而是集中出现在刀圈的特定部位,所64第4期 张鹏辉,等:盾构隧道掘进中盘形滚刀磨损机理及其施工优化方法以偏磨后的刀圈外形大部分为圆形,而在磨损量集中的地方出现偏折。崩刃的主要特征为刀圈小范围内材料发生大量剥落,造成刀圈大面积缺口。将1 2次开仓换刀数据进行统计,结果见表1。由表1可知,均磨是滚刀失效的主要形式,约占换刀总数的7 1.6%。所以将滚刀的均磨作为滚刀磨损预测模型的研究对象,进行预测。但是,非正
19、常磨损在整个刀具失效中所占的比例也不容忽视,约占换刀总数的2 8.4%,故通过现场调研非正常磨损刀具的失效情况,剖析造成盘形滚刀非正常磨损的机理,提出了改善非正常磨损的一系列施工优化方法。表1 白芒站至中间风井区间左右线部分换刀统计线路工作区间/环刀具更换情况偏磨/把崩刃/把非正常磨损占比/%均磨/把均磨占比/%右线9 11 0 0无1 0 01 1 1双刃滚刀3把;单刃滚刀2 2把695 2.41 04 7.61 1 11 2 9双刃滚刀0把;单刃滚刀1 6把222 5.01 27 5.01 2 92 0 4双刃滚刀1把;单刃滚刀2 5把443 0.81 86 9.22 0 42 5 4双刃
20、滚刀5把;单刃滚刀2 9把653 2.42 36 7.62 5 42 5 8双刃滚刀2把;单刃滚刀3把231 0 0.0002 5 82 6 2双刃滚刀1把;单刃滚刀1 7把211 6.71 58 3.36 27 2双刃滚刀2把;单刃滚刀0把201 0 0.0007 28 6双刃滚刀1把;单刃滚刀6把101 4.368 5.7左线8 69 7双刃滚刀1把;单刃滚刀6把00071 0 0.09 71 1 4双刃滚刀0把;单刃滚刀3 0把211 0.02 79 0.01 1 41 4 9双刃滚刀1把;单刃滚刀3 0把411 6.12 68 3.92 滚刀磨损机理分析图1 盘形滚刀运动2.1 滚刀正
21、常磨损机理盾构机通过盘形滚刀挤压切割破坏掌子面岩体的完整性实现向前掘进。滚刀在盾构机掘进过程中的运动形式可以分解为随刀盘的公转与绕刀轴的自转,如图1所示。当盾构机在硬岩地层中掘进时,掌子面岩体与滚刀刀圈接触,使滚刀承受较大的法向荷载,滚刀与硬岩之间的摩擦系数适中,因此可以发生滚动摩擦,滚刀在切割岩体过程中得以始终保持绕刀轴的自转,这就使得滚刀的磨损量沿圆周均匀分布,因此滚刀的正常磨损大多发生在硬岩地层。2.2 滚刀偏磨机理在盾构机掘进软岩地层时,盘形滚刀无法实现自身绕刀轴的自转是造成偏磨的主要原因。在软岩地74青 岛 理 工 大 学 学 报第4 4卷层中,因地层强度较低,掌子面与滚刀之间所产生
22、的接触摩擦较小,无法通过摩擦力驱动滚刀绕刀轴自转,因此磨损容易出现在刀圈的局部,最终形成滚刀的偏磨。在盾构机掘进软土地层时,软土的黏聚力较大,极易出现刀盘“结泥饼”问题,泥饼一般集中在中心双刃滚刀附近,刀盘结泥饼后,盘形滚刀失去了绕刀轴自转的功能,即会造成盘形滚刀的偏磨。结合1 3号线留-白区间现场情况,当盾构机掘进软土地层时,由于隧道埋深大,地下水位高,导致螺机易喷涌,泡沫剂管路堵塞,渣土改良效果差,上部土状的强风化花岗岩地层自稳性差,在盾构机推进过程中不断向下塌陷,致使刀盘中心区域渣土改良压力进一步增大。以上诸多原因导致大埋深高水压软土地层掘进时刀盘中心区域结泥饼,且高压下的泥饼异常坚硬,
23、阻碍盘形滚刀的绕轴自转,导致中心滚刀易出现偏磨。图2 上软下硬地层动力冲击荷载导致崩刃当盾构机掘进高强度硬岩地层时(强度高于普通硬岩地层),盾构机盾体的振动要明显强于在普通硬岩地层中掘进,盾体的振动会造成刀具拉紧装置的松动,即使采用螺栓紧固的方法,在盾构机反复振动过程中仍会逐渐松动,最终螺栓的松动会造成拉紧块掉落,从而导致刀具偏位,最终发生刀具偏磨。2.3 滚刀崩刃机理盾构机在上软下硬地层中掘进时,盾构掘进参数难以较好控制,刀盘转速普遍较大,这就使得滚刀在随着刀盘转动时会以较快的速度碰撞掌子面中的硬岩地层,如图2所示,最终导致盘形滚刀产生崩刃现象。同样在高强度硬岩地层中,刀盘在转动切削岩体时,
24、盘形滚刀也不断承受动力冲击荷载。所以在盾构机掘进上软下硬地层和高强度硬岩地层时,滚刀崩刃的比例会大大增加。上述三种磨损类型的机理见表2。表2 盘形滚刀磨损类型及成因磨损类型主要机理直接原因易出现地层正常磨损滚刀可以绕刀轴自转摩擦力提供滚刀绕轴自转的驱动力。硬岩地层偏磨滚刀无法绕刀轴自转驱动力不足、刀盘结泥饼、紧固装置松动。软岩地层、软土地层、高强度硬岩地层崩刃动力荷载盾构机掘进参数不易控制,刀盘转速过快。上软下硬地层、高强度硬岩地层2.4 滚刀非正常磨损的影响因素统计分析依托1 3号线留-白区间工程地质情况,对上文分析进行验证。对区段内三次换刀数据进行统计,结果见表3。表3 深圳城市轨道交通1
25、 3号线现场换刀数据统计区间/环区间地质情况刀具磨损情况刀具非正常磨损占比/%9 11 1 19 11 0 8环,上软下硬地层;1 0 91 1 1环,全断面硬岩地层。非正常磨损1 5把(偏磨7把,崩刃8把);正常磨损1 4把。5 1.7 21 2 92 0 41 2 91 5 5环,全断面硬岩地层;1 5 61 7 9环,上软下硬地层;1 8 01 9 6环,全断面软岩地层;1 9 72 0 4环,上软下硬地层。非正常磨损1 0把(偏磨5把,崩刃5把);正常磨损1 9把。3 4.4 82 0 52 5 42 0 52 0 7环,上软下硬地层;2 0 82 3 9环,全断面软岩地层;2 4 0
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