论文(盾构穿越半断面硬岩段掘进刀具磨损控制技术)

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1、盾构穿越半断面硬岩段掘进刀具磨损控制技术作者：李强摘要：杭州地铁2号线沿线隧道主要穿越地层为粉砂、粉土、淤泥质地层，但受隧道线形、周边环境等因素，杭州地铁2号线杭发厂站~人民路站上行线盾构于市心中路（靠近萧绍路）交通繁忙区域成功穿越了50m半断面岩层。由于该段岩层强度较大、地质较复杂，并且沿线隧道呈倒“V”形，盾构穿越半断面硬岩期间，出现刀盘刀具偏磨现象，在进行相关施工参数的优化及各项辅助措施下，盾构顺利穿越了50m半断面岩层。关键词：盾构掘进半断面岩层引言：随着杭州地铁1号线工程的完工和2号线工程施工的开展，盾构法施工在杭州地

2、区软土掘进领域积累了大量的施工经验，但对于盾构半断面硬岩段掘进施工缺乏相关的经验。目前，盾构在半断面硬岩段掘进施工是一项重大难题，如何合理配置刀盘刀具，在穿越半断面岩层过程中如何克服刀盘刀具磨损严重，并解决刀具磨损检测等问题是盾构施工需解决的核心问题。正文1、工程概况杭发厂站～民路站区间地质纵剖面图杭州地铁2号线杭发厂站～人民路站区间盾构上行线由杭发厂站上行线始发推至人民路站，并在人民路站调头后返回杭发厂站。上行线掘进过程中，盾构由杭发厂站始发后先后穿越了425m粉砂性土层、50m半断面硬岩段、627m淤泥质土层，硬岩段表层0.

3、5m8为强风化石英砂岩、其余为中风化石英砂岩、中风化凝灰质岩，岩石侵入隧道最高处为5m,岩层强度等级为50Mpa。岩层取芯如下所示：中风化石英砂岩芯样图（岩层存在细微裂隙、纹理）1、适合软土、半断面硬岩段掘进的盾构刀盘、刀具配置设计鉴于软土区间盾构将局部区域穿越半断面硬岩段，盾构刀盘必须配置适合软土及硬岩掘进的刀盘、刀具。在盾构设计过程中进行了针对性进行研究分析，对刀盘结构进行有限元分析，使刀盘构架满足盾构硬岩掘进受力要求。刀盘为辐条式，挖掘直径为6510mm，面板开口率为48%。刀盘硬岩掘进受力有限元分析在进行刀具选用时，根据

4、半断面岩层强度等级进行刀具配置，刀盘刀具由滚刀、仿形刀、齿刀、外周保护刀组成。刀具名称把数刃数8中心贝壳刀816正面滚刀2020周边滚刀88超挖滚刀22仿形齿刀11标准切削齿刀150150磨损检测齿刀22外周保护刀1212其中，滚刀主要用于硬岩段掘进切削岩层，齿刀主要用于切削软土地层，考虑到硬岩穿越段对齿刀的保护，正面滚刀刀刃高出齿刀80mm。刀盘构造及刀盘配置示意图1、滚刀硬岩切削破碎原理刀盘切削岩层时，在盾构推力、刀盘旋转作用下刀盘盘行滚刀刀刃对岩层产生挤压、剪切、拉裂等综合作用，同时滚刀在岩层切向反作用力下产生自转扭矩，当

5、该反作用力达到滚刀额定启动扭矩时开始自转。在刀刃作用下产生小块破碎体，继而被压密形成密实核，随后密实核将滚刀压力传递给周围岩石，并产生径向裂纹，其中有一条或多条裂纹向刀刃两侧向延伸，到达自由面或与相邻裂纹交汇，形成岩石碎片，在滚刀正常切削作用下岩层破碎主要呈小块破碎状，如下图所示。8滚刀切削硬岩破碎原理图1、盾构穿越半断面硬岩段时滚刀刀具产生偏磨的主要因素盾构穿越半断面岩层时滚刀易产生偏磨现象，导致这一现象主要是由于滚刀无法在切削时进行自转，造成单边刀刃磨损严重，无法正常进行硬岩切削，甚至导致滚刀破坏。如下图所示：偏磨滚刀实物图

6、造成滚刀偏磨的主要因素如下：（1）滚刀在穿越硬岩前软土层掘进时产生偏磨现象盾构刀具在粉砂性土层中磨损量相对较大，滚刀在穿越硬岩前长距离穿越粉砂性土层时，滚刀与粉砂土层产生摩擦，造成滚刀刀刃局部磨损。盾构穿越粉砂性土层时滚刀受土层切向反作用力相对较小，滚刀切向自转扭矩未达到设定值，无法进行自转，因此迎土面刀刃磨损相对较大。（2）滚刀刀架受土体阻塞作用，影响滚刀液压轴承密封，无法进行自转由于半断面岩层掘进时不同于全断面岩层掘进，在全断面岩层掘进时滚刀刀架基本处于悬空状态无异物阻塞，但在半断面硬岩段掘进过程中滚刀在进入岩层前及在岩层掘

7、进过程中周边土体受扰动进入刀架形成阻塞作用，8影响滚刀液压轴承密封，并对滚刀形成包裹作用，使滚刀无法自转。刀盘滚刀受土体阻塞图（土仓内向迎土面方向拍摄，迎土面刀刃已偏磨）（3）滚刀自转启动扭矩设定不符合岩层切削要求在进行滚刀安装前，滚刀必须根据穿越岩层情况合理设定自转启动扭矩，设定启动扭矩是否合理直接影响滚刀磨损量，如设定不当将产生滚刀偏磨现象。滚刀启动扭矩的设定应综合考虑岩层强度、软土阻塞作用等因素。（4）盾构半断面硬岩段掘进参数不合理，造成滚刀偏磨、崩裂半断面硬岩段应按照贯入度进行掘进速度控制，刀盘转速按1转/min控制，贯

8、入度按3mm~10mm/min控制。进入半断面硬岩段后应及时调整盾构掘进施工参数、盾构姿态，盾构进入硬岩段后刀盘扭矩将呈递增现象，由于盾构下部受岩层阻力作用，下部千斤顶推力较大，推进速度受岩层阻力影响将减速至3~10mm/min，各盾构施工参数变化如下图所示。8