成都地铁盾构刀具磨损分析研究 刘高峰 ，宋天田 （１．成都地铁有限责任公司，成都６１００３１；２．同济大学城市轨道与铁道工程系，上海２０１８０４） 摘要：成都地铁隧道盾构法掘进中，刀具严重磨损成了制约工程顺利进行的一大难题。在对刀具切削原理的分析和盾构掘进中的 刀具磨损情况进行了现场调查的基础上，对滚刀和刮刀的磨损特点及原因进行了分析和研究，指出了磨损的主要原因，最后提出了 合理的建议和意见。 关键词：盾构隧道；成都地铁；砂卵石；滚刀；刮刀；磨损 中图分类号：Ｕ４５５．３ 文献标识码：Ａ ・ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｗｅａｒｉｎｇ ｏｆ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｔｏｏｌｓ ｏｆ Ｓｈｉｅｌｄ Ｍａｃｈｉｎｅｓ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｍｅｔｒｏ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ＬＩＵ Ｇａｏ—ｆｅｎｇ，ＳＯＮＧ Ｔｉａｎ—ｔｉａｎ （１．Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｍｅｔｒｏ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｕｒｂａｎ Ｒａｉｌ Ｔｒａｎｓｉｔ ａｎｄ Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇ］ｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０ １ ８０４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌ ｗｅａｒｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｄｉｉｆｃｕｌｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗｈｉｃｈ ｒｅｓｔｒｉｃｔｓ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｍｅｔｒｏ ｔｕｎ— ｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｗｅａｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｂｏｒｉｎｇ ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ａｒｅ ｍａｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ａｎｄ ｃａｕｓｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｅａｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｃ ｃｕｔｔｅｒｓ ａｎｄ ｓｃｒａｐｅｒｓ，ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｅａｒｉｎｇ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｍａｄｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ；Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｍｅｔｒｏ；ｃｏｂｂｌｅ ａｎｄ ｓａｎｄ ｇｒｏｕｎｄ；ｄｉｓｃ ｃｕｔｔｅｒ；ｓｃｒａｐｅｒ；ｗｅａｒｉｎｇ Ｏ 引言 卜—一滚刀问距————－＿｛ 滚刀２ 滚刀１ 盾构法隧道技术已成功应用于城市地铁隧道的修 建中，但在成都的砂卵石地层中应用盾构法施工隧道 的一个很重要问题就是盾构的刀具消耗严重。这会带 来频繁的换刀、地层加固、换刀安全等一系列问题，严重 影响了工程的顺利进行。针对试验段的刀具磨损情况 做出分析与研究，希望有助于下一步工程的顺利开展。 图１ 滚刀破岩原理 ｌ 盾构常用刀具及原理 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｂｙ ｄｉｓｃ ｃｕｔｔｅｒｓ 用于盾构隧道掘进的刀具按照形状、作用方式可 从盘形滚刀的发展历史看，主要有３种类型的滚 分为不同的类型。在硬岩地层中采用滚刀，软土地层 刀截面：尖刃楔形截面（ａ）、弧刃楔形截面（ｂ）和近似 常用切削刀具。 常截面（Ｃ），分别见图２。随着刀具的磨损，尖刃楔形 １．１ 盘型滚刀 截面滚刀很快就会钝化而变得破岩效率低下；弧刃楔 盘型滚刀，常简称为滚刀。工作时滚刀在推进力 形截面滚刀稍好一些；而常截面滚刀随刀具的磨损能 的作用下，排列在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀 基本保持其恒定的断面尺寸。因此，现在一般采用后 盘的旋转，岩面被碾出一系列同心圆，利用滚刀的楔块 者进行破碎岩石。盘形滚刀的几何参数主要有：滚刀 作用，当超过岩石受力极限时，两个同心圆之间的岩石 直径Ｄ，刀刃角 ，刀尖圆弧半径（或刀尖宽度） 、滚 中间裂缝贯通，岩片被剥落，从而达到破岩挖掘的作 刀的启动扭矩 等。滚刀截面形式、几何参数及岩石 用。如图１所示。 的物理力学性质对破岩力、切入深度、破岩效率、能量消 耗等均有较大的影响。 图２滚刀截面形式及几何参数 Ｆｉｇ．２ Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ ｔｙｐｅｓ ａｎｄ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｓｈａｐｅｓ ｏｆ ｄｉｓｃ ｃｕｔｔｅｒｓ １．２ 切削刀具 切削刀的切削原理主要是在盾构机向前推进的同 时，刀具随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道 前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削 力，不断将开挖面前方土体切削下来。切削时，刀具通 常做两个方向的运动：一个是沿开挖面的运动，它起着 分离岩土的作用；另一个是切入开挖面的运动，它改变 切削的厚度，如图３所示。 图３ 盾构切削刀切削原理图 Ｆｉｇ．３ Ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｂｉｔｓ 对于切削式刀具，其开挖的土屑具有不同的流动 形态，主要与土砂的组成成分及其性状，以及切削角 度、切削速度和切削厚度等因素有关，可以概括为１） 流动型切削；２）裂断型切削；３）剪断型切削；４）剥离 型切削４种形态。如图４。 ａ）流动型 ｂ）断裂型 ｃ）剪断型 ｄ）剥离型 图４ 切削土屑的流动形态 Ｆｉｇ．４ Ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｆｌｏｗｉｎｇ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｅｘｃａｖａｔｅｄ ｍｕｃｋｓ ２设备条件 刀盘上采用了滚刀（单刃或双刃）、刮刀相结合的 刀具配置，如图５所示。 图５ 采用的面板式刀盘 Ｆｉｇ．５ Ｃｕｔｔｅｒ ｈｅａｄ 滚刀：可装配４０刃滚刀，滚刀刀刃高度１６０ ｍｍ； 编号从ｌ 到４０ ，滚刀可与齿刀互换。各滚刀到刀盘 中心的距离见图６。 图６ 各滚刀到刀盘中心的距离 Ｆｉｇ．６ Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｅａｃｈ ｄｉｓｃ ｃｕｔｔｅｒ ｔｏ ｃｕｔｔｅｒ ｈｅａｄ ｃｅｎｔｅｒ 正面小刮刀２８把，刀刃高度ｌ１０ｍｍ；边大刮刀８ 把；弧状大刮刀８把；开口率２５％。 ３ 滚刀磨损特点及原因分析 经过试验段的掘进，盾构刀具磨损的主要表现为： 滚刀以非正常磨损为主；刀圈严重偏磨、刀圈脱落；边 缘刮刀磨损破坏严重等。 ３．１ 滚刀正常磨损 刀具的破岩效率与滚刀的刃口宽度有关，随着刀 圈磨损量的增加，刃口的宽度增加，当达到一定范围时 会影响掘进速度，甚至不能再掘进。滚刀的正常失效 是指刀圈刃口宽度超过规定值（一般２０ ｍｍ）的均匀磨 损（图７），是刀具失效的主要形式，其磨损主要发生在 相对比较单一、均匀的地层中。正常失效的刀具换下来 后除刀圈磨损不能使用外，其它各部分均可正常使用。 图７ 正常磨损的滚刀 Ｆｉｇ．７ Ｄｉｓｃ ｃｕｔｔｅｒ ｗｉｔｈ ｒｅｇｕｌａｒ ｗｅａｒｉｎｇ ３．２ 滚刀非正常磨损形式 根据试验段的统计，对于滚刀来说，非正常磨损主 要有如下几种。 （１）刀圈偏（弦）磨 滚刀刀圈的偏（弦）磨在几次换刀中经常遇到。 主要形式如图８所示。 图８ 刀圈偏（弦）磨 Ｆｉｇ．８ Ｄｉｓｃ ｃｕｔｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ｐａ￣ｉＭ ｗｅａｒｉｎｇ （２）刀圈断裂或进裂 出现的刀圈断裂或进裂照片如图９所示，究其原 因，主要为刀具受到过大的冲击荷载。盾构在掘进过 程中刀盘低速档时的平均转速在１．１～１．４ ｒ／ｍｉａｒ。瞬 时转速有１．８～２ ｒ／ｍｉｎ。以２ ｒ／ｍｉｎ计算，此时靠近刀 盘边部的部分线速度为： ＝２・２・ ・３＝３４ ｍ／ｍｉｎ＝０．６３ ｍ／ｓ 图９ 刀圈断裂或进裂 Ｆｉｇ．９ Ｄｉｓｃ ｃｕｔｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｏｒ ｂｕｒｓｔ ｒｉｎｇｓ 由于漂石的存在，当刀盘转动时周边部位的滚刀 就以０．６３ ｍ／ｓ速度冲撞在漂石上，有可能造成刀圈断 裂。如果滚刀刀圈已经偏磨的情况下，就更容易发生。 （３）刀圈移位或脱落 ￥３６５盾构机从天府广场贯通出来时发现部分刀 具出现刀圈移位、脱落。如图１０所示。 图１０ 刀圈移位或脱落 Ｆｉｇ．１０ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｒ ｆａｌｌｉｎｇ ｏｆ ｃｕｔｔｅｒ ｒｉｎｇｓ 造成刀圈移位或脱落的主要原因为刀圈承受了过 大的侧向力。同时，如果刀圈装配的质量差，掘进参数 不合理也是造成刀圈脱落的原因。 ３．３ 滚刀磨损位置特点 对更换下来的滚刀磨损情况进行测量，不同位置 的刀具磨损程度不同，主要呈以下特点： ①中心滚刀磨损严重； ②正面滚刀磨损一般； ③侧面滚刀磨损严重。 ３．４滚刀磨损主要原因分析 滚刀严重偏磨是滚刀破坏的主要形式，滚刀偏磨 的主要原因是滚刀在盾构掘进过程中，不能随刀盘一 起转动，滚动变为滑动，滚刀一侧长时间和开挖面摩 增大。 擦，造成了滚刀的严重偏磨。 滚刀不能正常转动有两方面的原因：１）开挖面提 供的转动扭矩不能使滚刀转动；２）轴承的损坏。 ３．４．１ 滚刀转动的成因 在硬岩地层掘进中滚刀受刀盘向前的推力，在开 图ｌ２ 滚刀刀箱内渣土结块的情况 挖面滚动，直接由开挖面提供转动力矩，几乎没有阻力 力矩。而在砂卵石地层，刀箱里容易挤满砂土，经过压 密结块，产生阻力力矩阻止滚刀滚动。掘进中滚刀受 力情况如图１１所示。 土 阻力 ｃ＝ 开挖面 开挖面施加给 滚刀的转动力 图１１ 掘进中滚刀受力示意图 Ｆｉｇ．１ １ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｓｃ ｃｕｔｔｅｒ 要使滚刀转动，必须满足： ＞ 这里 为使滚刀转动的力矩； 为阻止滚刀转 动的力。 如果滚刀在硬岩地层掘进，由于没有 土仓和 箱，只要满足： ＞ 动 滚刀即可以转动，因此，在硬岩地层掘进，滚刀不 会发生偏磨。 对于在该砂卵石地层，由滚动受力示意图可以看 出，阻止滚刀转动的力矩主要由三部分组成，土仓内渣 土的摩擦阻力力矩，刀箱内渣土的阻力力矩和滚刀的 启动力矩（大小为３Ｏ～５０ Ｎ・ｍ）。 ｚ ＝Ｔｉｅ＋ 箱＋ 动 在砂卵石地层，当滚刀的转动力矩小于阻力力矩 时，滚刀便不能转动，即： ＜ 图１２即为滚刀实际堵塞不能转动的照片。 ３．４．２ 滚刀不转动的原因 ①开挖面松散，不能给滚刀提供足够的反力，因此 不能提供足够大的转动力矩 。 ②刀箱内渣土的结块、结饼，使得滚动的阻力力矩 Ｆｉｇ．１ ２ Ｂｌｏｃｋａｇｅ ｉｎ ｄｉｓｃ ｃｕｔｔｅｒ ｃａｓｅ ３．５ 中心及侧面位置滚刀磨损分析 ３．５．１ 侧面滚刀磨损分析 刀盘侧面滚刀，在地层松散，抗力不足，不能提供 足够的转动力矩时。容易造成松散地层直接和刀体的 刀鼓接触，引起刀鼓的损伤。受力如图１３所示。 开挖扰动松散区 图ｌ３ 刀盘上正面滚刀和侧面滚刀 Ｆｉｇ．１３ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｏｎｔ ｄｉｓｃ ｃｕｔｔｅｒｓ ａｎｄ ｓｉｄｅ ｄｉｓｃ ｃｕｔｔｅｒｓ 同时，侧面位置刀鼓暴露几率大，并且侧面位置线 速度高，刀鼓很容易受卵石撞击使得滚刀轴承破坏，难 以转动。 双刃滚刀在该地层中，滚刀受力面积大，有利于增 大转动力矩，同时刀鼓暴露面积减少，有利于保护刀 鼓，如图１４所示。 图１４ 侧面双刃滚刀受力 Ｆｉｇ．１４ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄｕａｌ—ｒｉｎｇ ｓｉｄｅ ｄｉｓｃ ｃｕｔｔｅｒｓ ３．５．２ 中心滚刀偏磨原因分析 的主要方法。 由于刀盘中心部位旋转的线速度小，渣土流通不 畅，在结泥饼的情况下，滚刀刀箱被堵住，使得 箱和 土合增大， 阳大于 ，使得滚刀不能转动，因此，中 心部位滚刀磨损严重的主要原因为刀盘中心结泥饼。 如图１５。 图ｌ５ 刀盘中心结饼 Ｆｉｇ．１ ５ Ｃｌｏｇｇｉｎｇ ａｔ ｃｕｔｔｅｒ ｈｅａｄ ｃｅｎｔｅｒ ４ 刮刀的磨损研究 ４．１ 单个刮刀磨损特点 单个刀具磨损情况如图１６所示，两侧磨损量大， 中间小。 图１６ 一个小刮刀磨损的照片 Ｆｉｇ．１６ 、、’Ｉｌ¨ｓｃｒａｐｅｒ ４．２ 不同位置刮刀的磨损特点 根据统计，刮刀的磨损随着位置编号的增大而增 大。见图１７。 从以上的分析研究ⅡＪ 得到： ①单个刮刀的磨损为两ｆｆＪ！ｊｊ磨损大，中间磨损小； ②同一号位置的酬 的孵损赶摹本一样； ③随号数增大，刮刀的磨损也越严重； 因此，刮刀的磨损随弓 数增大主要与刀具的行程 有关，行程越大磨损量也越大 ５ 结论及建议 在砂卵行地层中进行晒构掘进时，防止滚刀偏磨 图ｌ７ 刮刀的磨损情况 Ｆｉｇ．１７ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅａｒｉｎｇ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｓｃｒａｐｅｒｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ 、 ５．１ 防止滚刀偏磨的措施 增大转动力矩和减少阻力力矩。可以采取以下措 施减小偏磨： ①双刃滚刀可增大转动力矩并能保护刀鼓； ②增大渣土流动性可以有效地减少渣土在刀箱里 的结块以降低摩阻力矩； ③刀盘弧形侧面装配双刃滚刀比单刃滚刀在受力 及减少磨损上较为合理； ④由于刮刀磨损随刀具号数大而增 因此，根据 刀具位置适当加强刀具的耐磨配置； ⑤滚刀刀鼓上堆焊耐磨材料，防止滚刀刀体的破坏； ⑥选择合理的掘进参数和稳定开挖面的辅助措 施。改善刀具的受力状态，减少非正常损坏。 ５．２ 对于刮刀的措施和建议 ①改进刮刀几何形状的设计，使之更符合渣土流 动状态； ②沿径向对刮刀的材料进行保护和改进，保证不 同位置刮刀寿命的一致性。 同时，针对该特殊地层，不应拘泥于现有的刀具类 型与材料，积极探索刀具的新形式、新材料。 参考文献 ［１］ 宋天田，周顺华，黄胜．富水砂卵石地层土压平衡盾构的 适应性研究［Ｃ］／／第４届中日盾构技术交流会论文集． 广州：２００７：１４５—１５０． ［２］ 宋克志，潘爱国．盾构切削刀具的工作原理分析［Ｊ］．建 筑机械，２００７，（２）：７４—７６． ［３］ 张风祥，朱合华，傅德明．盾构隧道［Ｍ］．北京：人民交通 出版社，２００４． ［４］ 宋天田，周顺华．复合地层条件下盾构刀盘设计研究 ［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００７，３（３）：４７９—４８２． ［５］段浩，宋天田．成都地铁盾构法隧道施工难点及措施 ［Ｃ］／／第４届中日盾构技术交流会论文集．广州：２００７： ２２８—２３ ．
