泥水盾構刀具刀筒及聯接螺栓損壞原因及對策
2020-3-5 來源：中鐵十四局集團有限公司 作者： 趙國棟
摘 要: 系統總結了大直徑泥水盾構在土巖復合地層中掘進時其配備的常壓可更換刀具、刀筒及聯接螺栓的失效問題，分析了造成其失效的原因，提出了有針對性的改進措施，并取得了良好的改進效果。
關鍵詞: 刀具，刀筒，復合地層，大直徑泥水盾構
0 引言
隨著我國地鐵事業的蓬勃發展，地鐵隧道修建區域地質條件也越來越復雜，上土下巖復合地層就是近年來比較常見的復雜地層。該地質條件下，開挖面介質軟硬不均，大直徑泥水盾構在土巖復合地層中修建時常常面臨各部件磨損嚴重的問題，然而對于這方面的研究還有所欠缺。在刀具非正常磨損方面，竺維彬等［1］系統總結了復合地層掘進過程中滾刀的磨損情況，定性分析了滾刀的磨損并提出相應對策; 王瑤等［2］對滾刀的磨損情況進行了分析，并總結了相關規律; 王永喜［3］、劉曉毅［4］、林師俊［5］、海鷗［6］、梁戰平［7］等分析了土壓平衡盾構在土巖復合地層中滾刀的損壞情況及相應原因，劉高峰等［8］大體分析了刮刀磨損特點，并提出了一些改進措施; 唐歡［9］、董伯讓［10］等基于工程實例，對盾構刮刀常見的失效形式及原因進行了分析，但上述研究成果與常壓可更換刀具研究無關，目前也尚無針對刀筒及刀具固定螺栓失效的研究。鑒于此，本文立足于武漢軌道交通 8 號線越江隧道盾構段，對工程施工過程中遭遇到的常壓可更換刀具、刀筒及聯接螺栓的非正常損壞情況進行總結，分析造成其失效的原因，提出有針對性的具體改進措施。
1 、工程概況
1． 1 工程簡介
武漢軌道交通 8 號線越江隧道盾構段全長 3 186 m，穿越的地層有粉細砂、泥質粉砂巖、強風化礫巖、弱膠結礫巖、中等膠結礫巖、圓礫土、中粗砂等，其中江中段上部為粉細砂、中間 1 365 m 為強風化礫巖、中下 750 m 為弱膠結礫巖、底部 430 m 為中等膠結礫巖，屬典型的上軟下硬復合地層; 中等膠結礫巖侵入隧道斷面最高達 4． 5 m，最大抗壓強度達 40 MPa。
該隧道采用直徑 12． 5 m 的泥水平衡盾構機，刀盤外側 45%區域布置有滾刀或齒刀( 可互換) ，中心 35% 區域布置有中心刀， 之間 20% 區域布置有正面先行刀，刮刀則密布于除中心 20% 區域以外的區域。
1． 2 遭遇的工程難題
自 590 環( 1 180 m) 起，盾構機進入以中等膠結礫巖為主的復合地層，這期間掘進外在表現為: 分離石子增多，驅動扭矩變大，貫入度變小，掘進速度降低; 陸續出現刀具( 滾刀、刮刀) 崩裂或偏磨、刀筒( 滾刀、刮刀) 磨損或開裂、聯接螺栓松動或斷裂等。
2 、刀具損壞
2． 1 損壞情況總結
主要表現為: 中心刀根部掏空，刮刀與先行刀崩齒、偏磨，二合一齒刀出現兩頭崩齒、中間嚴重磨損，滾刀出現嚴重磨損、偏磨甚至刀圈斷裂，詳見圖 1。
圖 1 刀具磨損情況
2． 2 原因分析
1) 原刀具刀刃偏鈍，對前部泥土擠壓大于切削。2) 刀盤布置281 把刀，每個軌跡 2 把 ～ 6 把，刀密度偏大，特別是刀盤中心區域。3) 刀具材質未兼顧硬度與剛度的平衡; 刀具形狀未兼顧到銳角與鈍角的平衡; 刀刃與其背后母體不成比例; 刀圈及刀刃的材質不太適應復合地層。4) 齒刀及球齒滾刀不適用于中等膠結礫巖地層。5) 先行刀釬焊工藝質量問題導致其刀刃整體脫落。6) 刀具損壞明顯呈現由某軌跡向兩邊輻射的特點: 21 /22 滾刀使用周期過長失效，19 號刮刀處于 21 /22 滾刀軌跡之間，因 21 /22滾刀失效，其承載力大增導致過載; 19 /20 球齒滾刀因打孔鑲齒及焊接原因刀圈強度減弱，同時使用周期過長而失效，18 號刮刀處于 19 /20 滾刀軌跡之間，因 19 /20 滾刀失效，其承載力大增導致過載; 17 /18 滾刀鄰近 18 號刮刀，受其失效影響，導致嚴重偏磨。7) 由于滾刀與刮刀的設計受力分別為 310 k N，100 k N，底部的中等膠結礫巖強度遠大于詳勘的 24． 4 MPa，在貫入度均值 10 mm/rot 的情況下，由于操作不穩貫入度瞬間值高達 28 mm/rot ～ 36 mm/rot，任何刀具都承受不了如此大的瞬間沖擊力，滾刀刀圈首先受損，經多次沖擊后最終疲勞崩斷，失去切削功能，接著把本應滾刀承擔的切削力加到了相鄰軌跡的刮刀上，又導致刮刀超載而嚴重磨損甚至崩齒。8) 操作人員對滾刀磨損傳感器報警不夠敏感，導致刀具檢查不及時。9) 刀盤副臂上的大刮刀破損脫落導致底部的礫石渣土堆積，造成刀具二次磨損。
2． 3 應對措施
1) 根據地層變化適時改變刀型、角度及尺寸。2 ) 中心區域去掉部分刮刀，每個軌跡僅保留 2 把。3) 滾刀采用耐沖擊性更強的光圓式而非球齒式; 刮刀采用改進型，材質優先考慮剛度;正面先行刀處于無滾刀覆蓋區域，宜加強釬焊工藝，兩端封閉焊接保護; 采用改進型，材質兼顧硬度與剛度; 中心刀采用改進型，兩端封閉焊接保護，多考慮硬度及渣土流動性。4) 刀具廠家切實加強滾刀刀圈、刮刀刀刃的材質。5) 合理設置刀具檢查周期，并根據報警情況及時調整檢查。6) 擇機高壓進倉焊接安裝刀盤副臂上的大刮刀，解決底部礫石堆積刀具二次磨損問題。
3 、刀筒損壞
3． 1 損壞情況總結
滾刀失效( 斷裂或脫落) 后其刀筒嚴重磨損，最嚴重時掘進13 環就損壞 15 把，呈現出以 21 /22 滾刀為中心，刀筒磨損最為頻繁，漸次向兩邊輻射遞減的規律; 軟土刀( 刮刀、正面先行刀、中心刀) 外刀筒頻繁開裂，其中刮刀刀筒自法蘭拐彎處開裂 15 cm ～25 cm 不等，詳見圖 2。
圖 2 刀筒損壞情況
3． 2 原因分析
1) 受地質因素影響滾刀雙刃受力不均，加上滾刀設計為不合理的單軸雙刃( 特別是刀盤外過渡圓弧處) ，導致滾刀嚴重偏磨，磨到一定高度后刀筒相應部位隨之磨損。2) 底部的碎石卡在滾刀側面導致滾刀不轉，轉到中上部粉細砂層時又因反作用力小導致滾刀不轉而平磨，磨到一定高度后刀筒相應部位隨之磨損。3) 滾刀固定螺栓部分或全部斷裂，導致滾刀失去支撐點而無法轉動，直接引起刀筒磨損。4) 滾刀失效后，本該滾刀承受的力瞬間作用在與其臨近軌跡的刮刀上，過大的阻力首先傳遞到刮刀內刀筒上，導致刮刀固定螺栓受力過大受剪易折，嚴重者甚至將內刀筒端蓋頂出，造成高壓冒漿危險; 最終作用在刮刀外刀筒上，導致外刀筒閘門處開焊甚至閘門法蘭變形漏漿。5) 以部分刮刀為例:13L 刮刀的切削軌跡在滾刀 9 /10 兩刃之間，809 環時，9 /10 滾刀雖然正面磨損僅 11 mm ～ 13 mm，但偏磨量卻高達 60 mm，滾刀單刃失效直接導致 13L 刮刀位于底部時需要破巖而過載，此時與13L 刮刀相連的內刀筒逆運動方向大幅度擺動，直接碰到了與其外端相連、中間只有 1． 5 mm 間隙的刮刀外刀筒，經多次撞擊后，再加上力臂的作用，過大的彎扭矩導致刮刀應力最集中處即薄弱的法蘭拐彎處開裂。以此類推，14Ｒ 刮刀的切削軌跡在滾刀 11 /12 兩刃之間，15Ｒ 刮刀的切削軌跡在滾刀 13 /14 兩刃之間，18L 刮刀的切削軌跡在滾刀 19 /20 兩刃之間，17Ｒ 刮刀的切削軌跡在滾刀 17 /18 兩刃之間，除了磨損量有所不同外，其刀筒開裂過程均同 13L 刮刀。
3． 3 應對措施
1) 焊補、打磨，修復磨損的滾刀刀筒。2) 聯系專業廠家對刮刀刀筒潛在的裂痕進行探測。3) 預定成品滾刀、刮刀刀筒。4) 從閘門法蘭處用三角鐵對刮刀外刀筒進行加固。5) 從刀臂內側對刮刀內刀筒端蓋壓塊進行圓鋼支撐。
4 、聯接螺栓損壞
4． 1 損壞情況總結
在中等膠結礫巖為主的復合地層中，刮刀刀頭聯接螺栓變形及滾刀固定螺栓斷裂頻繁; 地質由中等膠結礫巖逐漸轉為弱膠結時，滾刀螺栓頻繁松動斷裂，甚至滾刀掉入刀筒內( 見圖 3) 。因螺栓全斷先后造成 7 把滾刀、5 把齒刀、2 把刮刀脫落刀盤面，直接經濟損失 30 多萬元。
圖 3 聯接螺栓損壞情況
4． 2 原因分析
1) 底部局部礫巖過硬，超過了 310 k N 的滾刀受力設計及100 k N 的刮刀受力設計，直接造成其聯接螺栓過載。2) 由于軟硬不均，加上礫巖厚薄變化，貫入度在一定范圍內忽高忽低而不好控制，最終造成聯接螺栓受力不均，在高點時過載。3) 底部弱膠結地層中存在著較大的塊石或礫巖，外緣滾刀由于處于過渡圓弧處結構受力復雜，再加上刀盤上支撐滾刀刀筒的外轂被嚴重磨損，滾刀刀筒外圈密封不良且側向受力增大，間接地影響到了滾刀的受力甚至軌跡，最終傳遞到滾刀單側聯接螺栓上，從而帶動滾刀及其聯接螺栓受力及力矩增加甚至超載。4) 聯接螺栓拆裝次數遠超 6 次，內在組織已存在一定程度的疲勞變形。5) 聯接螺栓拉伸強度不足或抗剪切強度不足，硬度與剛度兼容度不好。6) 刀筒使用高達 20 次左右，并且多次取斷絲，刀筒內的螺栓內絲存局部受傷甚至疲勞; 另外安裝順序不合理、安裝步驟簡化、緊固力矩不勻等。
4． 3 應對措施
1) 適度控制貫入度，并隨著地質變化適時而變。2) 將內層反作用力不足的滾刀及時更換為齒刀。3) 擇機高壓進倉，焊修刀盤上與滾刀刀筒相配合的圓轂。4) 凡是拆卸超過 6 次的聯接螺栓，無論變形與否一律更換新的。5) 盡量采購盾構機原裝螺栓或國產著名螺栓，嘗試更換更高等級的，加強驗收，利用第三方檢測機構分批抽樣進行破壞性試驗并出具報告。6) 加強螺栓安裝控制———裝刀前用絲攻對刀筒上的內絲進行順絲修正，用氣或水將清理下來的雜物( 鐵屑、泥土) 沖掉，最后用柴油清孔; 為了彌補嚙合輕度偏離，擬在螺栓螺母嚙合絲扣端部呈 180°。滴上兩滴螺紋防松劑; 螺栓緊固嚴格按自內而外、對角擰緊的原則; 緊固力矩嚴格按規定的三步驟進行; 為了消除緊固力矩不均勻，采用風炮預緊、液壓扳手復緊的精準方式; 受傷較嚴重的母牙考慮攻絲擴孔，甚至考慮刀箱報廢換新。
5 、改進效果
在分析常壓可更換刀具( 滾刀、刮刀) 損壞、刀筒( 滾刀、刮刀)損壞、聯接螺栓損壞原因的基礎上，對盾構機存在的刮刀磨損或偏磨、滾刀崩裂或平磨、滾刀刀筒磨損、軟土刀外刀筒開裂、刮刀聯接螺栓變形、滾刀螺栓斷裂等典型問題進行了有針對性的處理措施，取得了顯著的改進效果: 在地質幾乎沒有變化的條件下，改進后，刀具、刀筒及聯接螺栓有效使用壽命成倍提高，刀具、刀筒、聯接螺栓更換次數大大降低，盾構日掘進量也由 2 環 ～ 3 環提高至 4 環 ～ 5 環，提高了工作效率，追趕了工期，節約了盾構耗材成本，最為重要地降低了盾構施工的江底風險。
6 結語
本文通過對武漢軌道交通 8 號線越江隧道盾構機在復合地層經歷的刀具、刀筒及其聯接螺栓損壞的大量案例，由表及里深入淺出的剖析，較詳盡地闡述了從現象到檢查過程再到原因分析直至處理措施的全過程覆蓋，是一份不可多得的同類地質掘進可參考的作業指導手冊，必將發揮出其更大的經濟效益及社會效益。
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