盾构隧道掘进中盘形滚刀磨损机理及其施工优化方法.pdf

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,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)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 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 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 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 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 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 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 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 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 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。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,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。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 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,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,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 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 02 5 4环,上软下硬地层。非正常磨损9把(偏磨4把,崩刃5把);正常磨损1 8把。3 3.3 384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由表3可知,滚刀的非正常磨损不容忽视。因此,对造成盘形滚刀非正常磨损的影响因素进行统计,随机选取4 0把非正常磨损的滚刀为样本,依据施工记录追溯其失效原因,见表4。由表4可知,地质条件的复杂性是造成刀具非正常磨损的主要因素。而复杂的地质情况又会导致掘进参数难以控制,直接造成滚刀的异常磨损。表4 滚刀非正常磨损因素统计刀具非正常磨损类型软土地层结泥饼突变地层冲击荷载松散地层启动扭矩不足高强度硬岩地层(不含拉紧装置松动)拉紧装置松动其他偏磨/把411 1031崩刃/把01 00352滚刀偏磨的主要影响因素为:软土地层,刀盘结泥饼;高强度硬岩地层,盾体震颤严重,滚刀拉紧装置松动;松散地层(例如软岩地层、砂质地层),无法提供刀圈绕刀轴自转的启动扭矩,或因掘进区间较长,无法保证滚刀的时时自转,导致滚刀偏磨。滚刀崩刃的主要影响因素为:地层突变,产生较大瞬时荷载(例如在上软下硬地层),滚刀冲击硬岩导致崩刃;高强度硬岩地层,刀具与岩体频繁碰撞,易导致滚刀裂纹、崩刃;拉紧装置的松动同样是造成滚刀崩刃的主要影响因素;因地质情况而造成的刀盘转速过大、刀盘扭矩过大、掘进参数不易控制也会直接导致刀具崩刃的发生。3 滚刀正常磨损实用预测模型 1 3号线留-白区间滚刀更换数据表明,均磨是导致盘形滚刀磨损的主要形式,约占总数的7 1.6%。因此,对滚刀正常磨损的磨损量进行预测分析是十分必要的。而滚刀受力磨损的主要原因包括磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损,其中磨粒磨损的比重约为总磨损量的8 2.9%1 6。所以本文重点研究磨粒磨损对盘形滚刀磨损量的影响。3.1 基于滑移线理论的磨粒磨损计算模型磨粒磨损是指硬质颗粒在两材料之间滑动造成的切削和犁沟效应。虽然岩石的硬度和强度一般低于滚刀刀圈,但存在一些矿物如石英等,因其硬度较高,可以嵌入刀圈表面,最终造成滚刀表面材料的磨损。R A B I N OW I C Z等利用微观切削假说原理,提出了简单的磨粒磨损计算模型(图3),假定将磨粒看成圆锥体,推导了以切削作用为主的磨粒磨损定量计算公式1 7。图3 磨粒磨损计算模型1 7然而通过观察现场施工过程中滚刀磨损情况,发现当刀圈受到岩石中硬矿物的挤压时,会在刀圈表面形成微隆起。随着盾构机的不断掘进,微隆起慢慢脱落,最终造成刀圈材料的磨损。且岩石中坚硬矿物含量越高,颗粒的形状越不规则,形成隆起越多,刀圈材料磨损越快。基于此,本文对R A B I N OW I C Z等的磨94青 岛 理 工 大 学 学 报第4 4卷粒磨损计算模型进行改进。图4 改进的磨粒磨损计算模型通过上文分析可知,磨粒对材料的磨损,并非简单地形成三棱柱形式的犁沟,如图3所示,而是通过挤压作用在磨粒两侧形成微隆起,内部形成扩展的裂纹,最终通过两材料间的反复摩擦、震动,使得两侧隆起脱落。基于此现象,认为在磨粒尖角下方形成密实盒区域,随后两侧材料在磨粒的挤压下形成如图4(a)所示的内部松动区(S1+S2+S3),松动区在反复摩擦作用下最终将会脱落。S1,S2区域为材料受到挤压后形成的被动压力区,S3区域外轮廓线的解析方程为对数螺旋函数,其各项面积均可通过积分的方法准确求出,则当磨粒沿物体表面滑动ds时,造成的磨损体积为 dv=S1+S2+S3 ds (1)然而通过理论计算求解会造成2个问题:材料滑移线内所包围的松动体不可能在材料磨损过程中全部脱落,所以采用积分方法进行磨损体积计算会比真实磨损情况偏大;通过积分方法所得的体积表达式过于冗长,不便于进行后续的计算。所以本文采用简化方法对基于滑移线理论的磨粒磨损体积进行计算,将脱落区面积简化为以材料表面与磨粒中心线交点为圆心,以磨粒嵌入深度h为半径的半圆形,如图4(b)所示。首先计算n个磨粒承受的法向荷载:ni=0Fi=nr2s(2)其次计算单个磨粒在单位距离的磨损体积:dv=12h2ds=12r2t a n 2ds(3)dvds=ni=0Fin st a n 2(4)最后计算n个磨粒在单位距离的磨损体积:Vl o s s=ndvds=ni=0Fist a n 2(5)令=1t a n 2,得Vl o s s=ni=0Fis(6)式中:ni=0Fi为n个磨粒承受的法向荷载;r为磨粒嵌入最大半径;s为被磨损材料的屈服强度;为圆锥体半角;为磨粒磨损系数;Vl o s s为n个磨粒在单位距离的磨损体积。05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图5 磨粒磨损计算模型数值分析 式(6)表明,在磨粒磨损系数和盘形滚刀屈服强度s保持不变的条件下,磨损体积与接触面所受法向荷载和滑动距离成正比。只需计算出滚刀破岩过程中所受到的法向荷载,以及破岩过程中的滑动距离,将二者代入式(6)即可求解滚刀磨损体积。运用F L A C3 D程序,通过设置不同表面材料(刀圈材料)的压缩强度和不同磨粒(岩石矿物颗粒)的力学特性,验证简化磨粒磨损计算模型的适用性,数值计算模型如图5所示。模拟方式为:在磨粒顶面施加初始速度v=11 0-5m/步,运行2 0 0 0步,求解至平衡,最终磨粒嵌入到表面材料(刀圈材料)内2 c m,观察刀圈材料应力变化。分别进行了红砂岩、粗粒花岗岩嵌入不同压缩强度刀圈材料2 c m的数值试验。刀圈材料的压缩强度选择2.1 3 7 1 09和2.2 6 8 1 09 P a;红砂岩、粗粒花岗岩的物理力学特性见表5。表5 磨粒(岩石矿物颗粒)数值模拟物理特性参数取值磨粒材料摩擦角/()黏聚力c/P a密度/(k gm-3)体积模量G/P a剪切模量K/P a红砂岩 5 1.5 31.0 9 8 1 072 3 1 43.8 0 0 5 1 01 03.7 1 2 0 1 01 0粗粒花岗岩5 8.0 92.1 8 5 1 072 8 0 01.9 6 5 0 1 01 01.5 2 9 4 1 01 0图6 不同磨粒及不同刀圈压缩强度下表面材料最大主应力从图6可以看出,无论何种磨粒材料,也不论刀圈强度如何,当磨粒压入刀圈材料后,刀圈材料内部的应力发生变化,在磨粒尖角附近形成应力集中区域,并呈半球形向外扩散。以材料表面与磨粒中心线交点为圆心,以磨粒嵌入深度h为半径作半圆,发现在半圆范围内,其应力值最大且应力变化相对较小。因此15青 岛 理 工 大 学 学 报第4 4卷将以嵌入深度h为半径的半圆形作为磨粒磨损的体积,具有合理性。3.2 滚刀法向荷载确定明确盘形滚刀破岩时的力学机理,是进行盘形滚刀受力计算并进一步进行磨损预测的必要条件。盘形滚刀在盾构隧道掘进施工中直接参与破岩过程,刀盘带动盘形滚刀进行旋转,进而对岩体产生挤压、剪切和拉伸破坏作用1 8。依据现有的研究可以将盘形滚刀的破岩理论分为以下三种:“挤压破岩理论”“挤压与剪切破岩理论”和“挤压与张拉破岩理论”。挤压破岩理论是指当盘形滚刀施加给岩体的挤压力超过岩体的抗压强度时,岩体将被破碎,其最具代表性的理论是E V A N S提出了以盘形滚刀破岩垂直力同滚刀压入岩体的区域与其岩体表面的投影面积成正比的力学模型1 9。挤压与剪切破岩理论认为在滚刀垂直力作用下,首先与岩体接触的区域将会被挤压破碎,并形成密实核;同时在滚刀剪切力的作用下刀刃侧面形成近似于三角形的破碎区域。挤压与张拉破岩理论指的是滚刀两侧面压实的密实核区域将能量传递给相邻的岩体,使相邻岩体产生扩散裂纹,裂纹向远方延伸扩展最终将岩体破碎。本文采用改进的C S M模型2 0,并认为滚刀在工作过程中主要受到法向荷载FV和切向力FR的作用,由于侧向力很小,可以忽略不计2 1,滚刀受到的法向荷载FV为FV=0.856S13 D-hch13(7)式中:D为刀具直径;h为滚刀切入岩石的深度;c为岩石单轴抗压强度;S为刀间距;为刀刃宽。3.3 基于滑移线理论的滚刀磨损量实用预测模型盘形滚刀的磨损仅发生在掘进方向其与岩石的接触圆弧上。因此,盘形滚刀每转动一圈,其与岩石的接触距离为L=D2=D h(8)而滚刀在掘进一定距离后,刀盘转动圈数可表示为N0=xh(9)安装在刀盘上的第i把盘形滚刀的转动圈数为Ni=2x rih D(1 0)式中:为盘形滚刀与岩石的接触角;x为盘形滚刀掘进距离;Ni为第i把滚刀的转动圈数;ri为第i把滚刀的安装半径。结合式(6)(1 0),即可得到基于滑移线理论的滚刀磨损量计算公式:Vn=1.6 56S13-1sch-16D-12D-h 12rix(1 1)图7 基于现场的1 8寸轴式单刃滚刀简化模型综上所述,在滚刀制式和材料性能保持不变的条件下,即可由式(1 1)求得单把滚刀在某段掘进过程中的磨损体积Vn。为了方便与实测数据对比,基于1 3号线留-白区间,调研工程所用1 8寸(1寸=3 3.3 3 mm)轴式单刃滚刀参数,并基于此建立梯形滚刀模型,用以换算磨损高度和磨损体积的关系,模型如图7所示。建立滚刀磨损体积与滚刀磨损高度的表达式,设n为滚刀磨损高度,则磨损后滚刀截面面积减少量为Sl o s s=+2nt a n2(1 2)滚刀的磨损量Vn:25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Vn=Sl o s sl圆周Sl o s sR-n2 2 (1 3)联立式(1 1)(1 3)得到滚刀磨损高度表达式:Vn2=R-n2+2nRt a n-3nt a n22(1 4)4 工程案例应用与分析 4.1 正面滚刀正常磨损预测现选取1 3号线留仙洞-中间风井区间(留-白区间的一部分)右线7 2 67 3 2环进行滚刀磨损预测分析。该盾构掘进区间处于全断面微风化黑云母花岗岩地层,地质情况较为单一,刀具磨损以正常磨损为主,选择该段区间进行预测可以避免偏磨、崩刃等非正常磨损对实测数据的干扰。期间有2次开仓换刀记录(7 2 6环,更换2 5号和3 4号正面滚刀),选择7 2 6环所更换的2 5号和3 4号滚刀即可精确测量两把新刀逐步磨损的磨损量,适合作为分析预测案例。1 3号线留仙洞站-中间风井区间地层纵断面如图8所示,参考地勘报告,7 2 67 3 2环岩体力学参数见表6。图8 留-风区间地质断面地层情况表6 7 2 67 3 2环岩体力学参数环数/环地层组成综合内摩擦角/()黏聚力重度/(k Nm-3)天然单轴抗压强度/M P a7 2 67 3 2微风化黑云母花岗岩6 802 77 62 5号盘形滚刀的安装半径为2 0 3 5 mm,3 4号盘形滚刀的安装半径为2 7 1 0 mm;盾构机单环掘进距离为1.5 m,预测区间总共掘进6环,总计9 m。结合盾构盘形滚刀资料,取滚刀刀圈屈服强度s=1 6 4 0 N/mm2,刀刃宽度=2 5 mm,滚刀刃角=1 4,滚刀直径D=9 1 4.4 mm。h表示盾构机滚刀侵入岩石的深度,在数值上等于盾构机刀盘贯入度,取h=4.0 mm。通过实测值的试算将磨粒磨损系数取值为0.0 4,可以较好地吻合1 3号线的实际情况。将数据代入式(1 1),绘制出盘形滚刀磨损体积预测曲线,如图9所示。从图9中可以看出,相同掘进条件下安装半径较大的滚刀磨损量更大,即刀盘外围35青 岛 理 工 大 学 学 报第4 4卷滚刀更易磨损。在预测安装半径较小的滚刀时,预测值比实测值稍大;而在预测安装半径较大的滚刀时,预测值比实测值略小。说明滚刀的实际磨损量并非与安装半径呈现简单的线性关系,而应是一种更为复杂的非线性关系。限于工程现场条件,后续有待开展更多关于滚刀磨损非线性问题的研究。4.2 非正常磨损施工优化方法4.2.1 降低滚刀非正常磨损的新型滚刀加固方法通过对非正常磨损的刀具进行观察,发现非正常磨损的刀具大多存在固定松动的现象。为解决滚刀非正常磨损问题,对滚刀的加固方法进行创新性研究。在盾构机停机开仓换刀时,同步增加滚刀紧固装置,避免因盾构机盾体震动而造成滚刀偏位的情况。对刀箱进行紧固修复,避免因刀箱变形而引起异常磨损;当刀箱修复完毕后,进行L块与刀箱之间的焊接;再将两根L块固定螺栓之间采用盘条进行焊接。拉紧螺栓焊接在楔块之中,防止螺栓振动引起螺母松动掉落。楔块与拉紧螺栓集成安装后,将拉紧块及预留打孔的钢板穿入,再将双螺母与开口销安装就位,如图1 0所示。该方法既充分利用作业面组织施工,避免了滚刀加固和刀具更换的重复开仓,达到了工期优化的目的,又改进了滚刀加固装置,确保盾构机硬岩掘进中不会因盾体震动而造成螺栓松动引起刀具非正常磨损的问题,具有良好的经济价值。图1 0 针对滚刀非正常磨损的加固工艺4.2.2 降低滚刀非正常磨损的盾构掘进参数控制原则盾构掘进参数也对刀具的磨损存在较大的影响。滚刀受力大小与盾构机滚刀的贯入度成正相关。然而,盾构机的掘进参数是相互影响的,特别是位于软硬不均地层,单个盾构参数的控制更为困难。通过对现场施工数据进行统计分析发现,刀盘扭矩随着刀盘转速的增加而增大,推进速度随着刀盘转速和推力的增大也相应增大,而推进速度增大时刀盘扭矩也相应增大。为减小刀具磨损,降低刀具与硬岩接触时的瞬时冲击力,总结了盾构机在软硬不均段参数控制的“低速度、低转速、低扭矩、小推力、低贯入”原则。同时给出了其他地层盾构推进参数最佳控制范围,见表7,可以较好地降低滚刀磨损情况,并成功应用于1 3号线留-白区间。45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表7 降低盘形滚刀非正常磨损的盾构参数控制原则掘进参数全断面中风化(8 0 M P a)全断面微风化(8 0 1 2 0 M P a)全断面微风化(1 2 0 1 6 0 M P a)软硬不均控制原则刀盘转速/(rm i n-1)2.0 2.42.0 2.21.8 2.21.0 1.2在全断面硬岩地层中刀盘转速遵循“高转速”、软硬不均“低转速”原则。刀盘扭矩/(k Nm)2 0 0 0 3 0 0 01 2 0 0 1 8 0 01 4 0 0 2 0 0 01 2 0 0 2 3 0 0全断面硬岩刀盘扭矩宜控制在1 8 0 0 k Nm内,扭矩波动不得超过4 0 0 k Nm;扭矩波动过大,需开仓检查。推进速度/(mmm i n-1)1 5 2 55 1 23 82 7总推力/k N8 0 1 5 01 0 0 1 5 08 0 2 0 01 0 0 2 0 0推力应根据扭矩、刀具承受的荷载值进行调整。贯入度/(mmr-1)7 1 82 81 42 35 结论 1)本文通过对深圳城市轨道交通1 3号线留-白区间盘形滚刀换刀数据的分析,将该项目盘形滚刀的磨损情况进行了归类,研究了不同滚刀磨损类型所处的易发地层以及造成滚刀不同磨损类型的力学机理,并通过现场地勘揭露的地层性质和开仓换刀揭露的滚刀实际磨损情况进行了验证。2)基于滑移线理论对盘形滚刀正常磨损预测模型进行了改进。该模型优化了R A B I N OW I C Z二体磨损的微犁沟体积计算,并应用上述预测模型预测了深圳城市轨道交通1 3号线全断面微风化黑云母花岗岩地层段单个正面盘形滚刀的磨损体积,预测值与实测值偏差较小,适宜于工程推广。3)对于非正常磨损的刀具,一方面通过观察非正常磨损的盘形滚刀失效现象,设计了盾构滚刀加固施工装置及工法,大大降低了盘形滚刀的非正常磨损比例,减少了开仓频率。另一方面通过对盾构掘进参数进行统计分析,得出了降低盘形滚刀非正常磨损的盾构参数控制原则。参考文献(R e f e r e n c e s):1 G O E L R K,S I N G H B,Z HA O J.U n d e r g r o u n d i n f r a s t r u c t u r e s:P l a n n i n g,d e s i g n,a n d c o n s t r u c t i o nM.O x f o r d:B u t t e r w o r t h-H e i n e m a n n,2 0 1 2.2 C HA P MA N D,M E T J E N,S T R K A.I n t r o d u c t i o n t o t u n n e l c o n s t r u c t i o nM.G a i n e s v i l l e:C r c P r e s s,2 0 1 7.3 T A T I Y A R.C i v i l e x c a v a t i o n s a n d t u n n e l i n g:A p r a c t i c a l g u i d eM.L o n d o n:T h o m a s T e l f o r d,2 0 0 5.4 J I N D,Y U A N D,L I X,e t a l.P r o b a b i l i s t i c a n a l y s i s o f t h e d i s c c u t t e r f a i l u r e d u r i n g T B M t u n n e l i n g i n h a r d r o c kJ.T u n n e l i n g a n d U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o g y,2 0 2 1,1 0 9:1 0 3 7 4 4.5 MO E I N O S S A D A T S R,AHA N G A R I K,S HAH R I A R K.C o n t r o l o f g r o u n d s e t t l e m e n t s c a u s e d b y E P B S t u n n e l i n g u s i n g a n i n t e l l i-g e n t p r e d i c t i v e m o d e lJ.I n d i a n G e o t e c h n i c a l J o u r n a l,2 0 1 8,4 8(3