泥水盾构刀具磨损机理分析
2019-1-30 来源：沈阳军区工程科研所 长江勘测规划设计研 作者：冯淑芳 洪甘霖
【摘 要】随着城市地下空间开发强度的持续加大，泥水盾构法因其适应性强、施工质量好和对环境干扰小等诸多优势而得到广泛应用，但其刀具磨损已成为制约复杂地层掘进的重要问题。论文分析了泥水盾构切刀的基本切削过程和泥水盾构切刀磨损与地层的特性关系，阐述了不同地层切刀的磨损机理，对不同地层掘进时切刀选择和掘进参数的设置提出了建议。
【关键词】泥水盾构；刀具；磨损机理；地层
1 、引言
我国自 20 世纪 90 年代起开始采用盾构法修建各类隧道。泥水盾构施工优质高效、安全可靠，对周边环境干扰小，适合于在高水压、高渗透、浅覆盖及不稳定地层等复杂地质条件区域施工，使用日渐增多。
泥水盾构需长距离掘进，且换刀条件差，刀具磨损问题已经成为大直径盾构隧道掘进过程中面临的突出问题。因此，研究大直径泥水盾构掘进过程中刀具磨损问题，以减小盾构刀具磨损，避免因刀具磨损失效带来的事故，有利于确保盾构隧道工程经济、安全、高效、顺利的完成
。
2、 切刀的基本切削过程
泥水盾构切刀的基本切削过程是：随着盾构的推进和刀盘的旋转，切刀逐渐插入泥膜，开挖面被切削土体在刀刃及前刀面的双重作用下，发生变形并承受较高应力，一旦应力值超过土体本身的强度，该部分土体将在刀刃附近与原土体分离，并在切刀继续切削的过程中因前刀面的导流作用从原土体脱离开来，成为切屑，进入泥水盾构刀盘前部的泥浆之中。切刀的切削过程示意图见图 1。
图 1 切刀切削过程示意图
切刀切削土体过程中，被切削土体产生的变形可以大致区分为 3 个变形区，如图 2 所示。变形区 I 是切刀刀刃及后刀面部分随着盾构的推进和刀盘的旋转对土体产生挤压作用造成的变形区。变形区 II 主要是前刀面前部的土体由于切刀切削时前刀面对被切削土体产生的外推的作用而造成的剪切变形区。
变形区 III 是随着切削的进行，被切削脱离原土体的切屑向外流动时与切刀前刀面之间产生挤压而造成的变形。
图 2 切削区土体变形示意图
从切刀切削土体的过程来看，土体对切刀的磨损可以区分为两个类型：第一类是切刀切削土体时刀刃部分与被切削土体直接接触、摩擦而使得刀刃变短变平的磨损，这类磨损的持续进行将对刀刃的切削效果产生直接影响，称为一次磨损。第二类为被切削下的土体，即渣土，流动离开被切削地层时对刀具的磨损，称为二次磨损。
切刀切削土体时，被切削土体的破坏是由土体中剪应力超过土体强度极限造成的，土体沿最大剪应力面发生破坏。对被切削脱离的土体及刀具进行受力分析，可以发现刀具的磨损受土体物理性质、刀盘旋转速度、刀具切削时的切深影响很大。当泥水盾构的切刀刀刃磨损后，刀刃倒角变大，摩擦加剧，致使切刀切削时的阻力增大。
切刀的刀刃磨钝之后，刀具磨损面与所切削土体之间的挤压力增大，刀具磨损面与被切削土体间的摩擦力也会增大，从而导致刀具磨损速度的加快。
3 、泥水盾构切刀磨损与地层特性关系
切刀切削不同土体时，切削状态是不一样的，切削产生的渣土形态及其流动方式均不相同，与地层性质、刀具参数（前、后角）、切削速度及切削深度等有关。刀具开挖土体时产生的渣土流动形式主要有 4 种，如图 3 所示[4]。对淤泥、富水黏土、粉土以及粉细砂地层而言，非常适合采用泥水盾构施工。此类地层的特点是土体强度较低，切刀切削土体时，被切削土体在刀刃进给的作用下发生较为连续的剪切变形，切削下来的渣土沿着切刀前刀面向外流动，即为流水型切削。
这种情况下，切刀所受的切削阻力较小而且较为稳定，切刀的磨损主要表现为正常磨损，一般不容易发生崩刃等现象，切刀可以使用较长的距离。
图 3 渣土流动形式
当泥水盾构在强度比较高的黏土、粉土地层掘进切削时，主要发生剪切型的切削。切刀切削土体时，土体产生压缩变形，当土体所受剪应力超过承受极限时，土体会在以刀刃为起点的某个斜面产生剪切破坏，导致土体从被切削地层脱落。当泥水盾构在高强度、低含水量的黏土、粉土地层或者高胶结强度、填充密实的砾砂地层掘进切削时，由于土体自身强度较高，被切削土体在切刀的挤压作用下先产生压缩变形，但并不立即发生破裂，仍然维持相对完整的形状，当被切削土体所受应力随着切刀的继续切削而超过土体自身强度时，裂纹产生在刀刃处，被切削土体随即破坏。
断裂型切削实际上是剪切型切削的特殊形态，不同之处在于断裂型切削产生的土渣较剪切型切削的更小。当泥水盾构在普通砾砂及砂卵石地层掘进时，由于土体颗粒的粒径较大，而粘聚力较小，切刀切削时所起的作用并非切削，而是松动地层，从土体中把砾石、卵石等的大颗粒剥离出来，也即切刀在该地层主要发生剥离性切削。
被切削土体的破坏形态及切削下来的土渣的流动形式与土体发生破坏时的受力状态有关。流水型切削、剪切型切削、断裂型切削中被切削土体破坏是由剪切变形导致的塑性破坏，而在剥落型切削中，拉伸变形是导致被切削土体发生脆性破坏的主因。
土屑流动形态受切削土体参数、切削速度和切深等因素的影响，因此，在同一地层切削时，不同的掘进参数、不同的刀具参数会改变切刀切削时渣土的流动方式。
4 、不同地层条件下刀具的磨损机理
切刀切削时，土体中的硬质颗粒使切刀刀刃逐渐损耗，导致切刀磨损，随着切削的进行，磨损愈加严重，切刀的刀刃慢慢被磨平，如果切削继续进行，则会进一步磨损刀体。这样的磨损是切刀在切削中最常见的磨损状态，称之为正常磨损。工程实践证明，一般情况下切刀的正常磨损较慢。当泥水盾构在淤泥、黏土、粉土等地层中掘进时，以流水型、剪切型切削为主，刀刃通常为正常磨损，后刀面的磨损也很轻微，在此类地层掘进时，刀具可采用大前角、小后角的设计，并在切削中采用较高的刀盘转速，这样既可以减小推进阻力又能降低推进扭矩，从而提高了掘进效率。
切刀在粉细砂地层切削时，刀具的磨损同样主要为正常磨损，但该类地层中石英等硬质颗粒含量高，在切刀后角比较小的情况下，切屑的流动会对后刀面造成较为严重的磨损，即二次磨损（见图 4）。在此类地层掘进时，切刀的后角要比在淤泥、黏土、粉土地层切削时取得更大。当泥水盾构在砾砂及砂卵石地层掘进时，对刀具的磨损十分严重。
图 4 切刀后刀面二次磨损
此类地层中，不但切刀的正常磨损速度很块，而且后刀面的磨损速度也远大于在前述两类地层中掘进时的情况。当后刀面被磨损到一定程度是，会造成刀刃与刀体的连结强度降低，进而导致刀刃的脱落。切刀在此类地层工作，面临的另一个严重问题是刀具极易出现刀刃崩裂的现象。由于此类地层中硬质颗粒的体积大、强度高，切刀切削时对刀刃的冲击较大，加之本地的以剥落型切削为主，被剥离的砾石、卵石不但会对刀具造成严重的二次磨损，而且它们被剥离原土体坠落的过程中有可能会撞击其他刀具，容易导致其他刀具因冲击而破坏（见图 5）。
图 5 砾砂及砂卵石地层刀具磨损
切刀在此类地层中切削时，要适当地降低刀盘旋转速度，尽量避免切刀以较高的速度切削地层时与地层中的砾石、卵石发生撞击，同时，考虑到刀刃在该地层很容易与各种大体积硬质颗粒相碰，切刀的刀刃要适当钝一些，以增强抗冲击能力。
5 、结语
盾构刀具切削不同类型地层时，刀体受力及切削下来的土渣流动情况均不相同，对刀具的磨损机理也不一样。当泥水盾构在淤泥、黏土、粉土等地层中掘进时，刀刃的磨损为正常磨损，且磨损轻微；在粉细砂地层切削时，刀具的磨损同样主要为正常磨损，但该类地层中二次磨损较为严重，有可能导致刀具合金齿脱落；在砾砂及砂卵石地层切削时，刀具的正常磨损速度快，二次磨损严重，可能导致刀刃与刀体的连结强度降低，进而导致刀刃的脱落；地层中的大块硬质颗粒会对切刀产生较大冲击，致使切刀刀刃崩裂；被剥离的砾石、卵石不但会对刀具造成严重的二次磨损，还有可能会撞击其他刀具，导致其它刀具因冲击而破坏。
切削不同地层时，盾构刀具所用材料硬度及抗弯强度应当有所选择，刀具的参数及合金与刀体连结工艺也应有所不同，以达到较好的切削效果，降低刀具磨损。在砾砂及砂卵石地层掘进时，在满足施工进度要求时，刀盘转速、掘进速度、锥入度都应该尽量取小，以降低刀具磨损；为降低渣土对刀具二次磨损的同时防止泥浆中硬质颗粒对刀具的二次磨损过大，泥浆密度要保持在一定的范围内。
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