泥水盾構(gòu)刀具刀筒及聯(lián)接螺栓損壞原因及對(duì)策
2020-3-5 來(lái)源：中鐵十四局集團(tuán)有限公司 作者： 趙國(guó)棟
摘 要: 系統(tǒng)總結(jié)了大直徑泥水盾構(gòu)在土巖復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)其配備的常壓可更換刀具、刀筒及聯(lián)接螺栓的失效問(wèn)題，分析了造成其失效的原因，提出了有針對(duì)性的改進(jìn)措施，并取得了良好的改進(jìn)效果。
關(guān)鍵詞: 刀具，刀筒，復(fù)合地層，大直徑泥水盾構(gòu)
0 引言
隨著我國(guó)地鐵事業(yè)的蓬勃發(fā)展，地鐵隧道修建區(qū)域地質(zhì)條件也越來(lái)越復(fù)雜，上土下巖復(fù)合地層就是近年來(lái)比較常見(jiàn)的復(fù)雜地層。該地質(zhì)條件下，開(kāi)挖面介質(zhì)軟硬不均，大直徑泥水盾構(gòu)在土巖復(fù)合地層中修建時(shí)常常面臨各部件磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，然而對(duì)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(tǒng)總結(jié)了復(fù)合地層掘進(jìn)過(guò)程中滾刀的磨損情況，定性分析了滾刀的磨損并提出相應(yīng)對(duì)策; 王瑤等［2］對(duì)滾刀的磨損情況進(jìn)行了分析，并總結(jié)了相關(guān)規(guī)律; 王永喜［3］、劉曉毅［4］、林師?。?］、海鷗［6］、梁戰(zhàn)平［7］等分析了土壓平衡盾構(gòu)在土巖復(fù)合地層中滾刀的損壞情況及相應(yīng)原因，劉高峰等［8］大體分析了刮刀磨損特點(diǎn)，并提出了一些改進(jìn)措施; 唐歡［9］、董伯讓［10］等基于工程實(shí)例，對(duì)盾構(gòu)刮刀常見(jiàn)的失效形式及原因進(jìn)行了分析，但上述研究成果與常壓可更換刀具研究無(wú)關(guān)，目前也尚無(wú)針對(duì)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(hào)線越江隧道盾構(gòu)段，對(duì)工程施工過(guò)程中遭遇到的常壓可更換刀具、刀筒及聯(lián)接螺栓的非正常損壞情況進(jìn)行總結(jié)，分析造成其失效的原因，提出有針對(duì)性的具體改進(jìn)措施。
1 、工程概況
1． 1 工程簡(jiǎn)介
武漢軌道交通 8 號(hào)線越江隧道盾構(gòu)段全長(zhǎng) 3 186 m，穿越的地層有粉細(xì)砂、泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化礫巖、弱膠結(jié)礫巖、中等膠結(jié)礫巖、圓礫土、中粗砂等，其中江中段上部為粉細(xì)砂、中間 1 365 m 為強(qiáng)風(fēng)化礫巖、中下 750 m 為弱膠結(jié)礫巖、底部 430 m 為中等膠結(jié)礫巖，屬典型的上軟下硬復(fù)合地層; 中等膠結(jié)礫巖侵入隧道斷面最高達(dá) 4． 5 m，最大抗壓強(qiáng)度達(dá) 40 MPa。
該隧道采用直徑 12． 5 m 的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤(pán)外側(cè) 45%區(qū)域布置有滾刀或齒刀( 可互換) ，中心 35% 區(qū)域布置有中心刀， 之間 20% 區(qū)域布置有正面先行刀，刮刀則密布于除中心 20% 區(qū)域以外的區(qū)域。
1． 2 遭遇的工程難題
自 590 環(huán)( 1 180 m) 起，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入以中等膠結(jié)礫巖為主的復(fù)合地層，這期間掘進(jìn)外在表現(xiàn)為: 分離石子增多，驅(qū)動(dòng)扭矩變大，貫入度變小，掘進(jìn)速度降低; 陸續(xù)出現(xiàn)刀具( 滾刀、刮刀) 崩裂或偏磨、刀筒( 滾刀、刮刀) 磨損或開(kāi)裂、聯(lián)接螺栓松動(dòng)或斷裂等。
2 、刀具損壞
2． 1 損壞情況總結(jié)
主要表現(xiàn)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(xiàn)兩頭崩齒、中間嚴(yán)重磨損，滾刀出現(xiàn)嚴(yán)重磨損、偏磨甚至刀圈斷裂，詳見(jiàn)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(duì)前部泥土擠壓大于切削。2) 刀盤(pán)布置281 把刀，每個(gè)軌跡 2 把 ～ 6 把，刀密度偏大，特別是刀盤(pán)中心區(qū)域。3) 刀具材質(zhì)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(zhì)不太適應(yīng)復(fù)合地層。4) 齒刀及球齒滾刀不適用于中等膠結(jié)礫巖地層。5) 先行刀釬焊工藝質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致其刀刃整體脫落。6) 刀具損壞明顯呈現(xiàn)由某軌跡向兩邊輻射的特點(diǎn): 21 /22 滾刀使用周期過(guò)長(zhǎng)失效，19 號(hào)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(dǎo)致過(guò)載; 19 /20 球齒滾刀因打孔鑲齒及焊接原因刀圈強(qiáng)度減弱，同時(shí)使用周期過(guò)長(zhǎng)而失效，18 號(hào)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(dǎo)致過(guò)載; 17 /18 滾刀鄰近 18 號(hào)刮刀，受其失效影響，導(dǎo)致嚴(yán)重偏磨。7) 由于滾刀與刮刀的設(shè)計(jì)受力分別為 310 k N，100 k N，底部的中等膠結(jié)礫巖強(qiáng)度遠(yuǎn)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(wěn)貫入度瞬間值高達(dá) 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(jīng)多次沖擊后最終疲勞崩斷，失去切削功能，接著把本應(yīng)滾刀承擔(dān)的切削力加到了相鄰軌跡的刮刀上，又導(dǎo)致刮刀超載而嚴(yán)重磨損甚至崩齒。8) 操作人員對(duì)滾刀磨損傳感器報(bào)警不夠敏感，導(dǎo)致刀具檢查不及時(shí)。9) 刀盤(pán)副臂上的大刮刀破損脫落導(dǎo)致底部的礫石渣土堆積，造成刀具二次磨損。
2． 3 應(yīng)對(duì)措施
1) 根據(jù)地層變化適時(shí)改變刀型、角度及尺寸。2 ) 中心區(qū)域去掉部分刮刀，每個(gè)軌跡僅保留 2 把。3) 滾刀采用耐沖擊性更強(qiáng)的光圓式而非球齒式; 刮刀采用改進(jìn)型，材質(zhì)優(yōu)先考慮剛度;正面先行刀處于無(wú)滾刀覆蓋區(qū)域，宜加強(qiáng)釬焊工藝，兩端封閉焊接保護(hù); 采用改進(jìn)型，材質(zhì)兼顧硬度與剛度; 中心刀采用改進(jìn)型，兩端封閉焊接保護(hù)，多考慮硬度及渣土流動(dòng)性。4) 刀具廠家切實(shí)加強(qiáng)滾刀刀圈、刮刀刀刃的材質(zhì)。5) 合理設(shè)置刀具檢查周期，并根據(jù)報(bào)警情況及時(shí)調(diào)整檢查。6) 擇機(jī)高壓進(jìn)倉(cāng)焊接安裝刀盤(pán)副臂上的大刮刀，解決底部礫石堆積刀具二次磨損問(wèn)題。
3 、刀筒損壞
3． 1 損壞情況總結(jié)
滾刀失效( 斷裂或脫落) 后其刀筒嚴(yán)重磨損，最嚴(yán)重時(shí)掘進(jìn)13 環(huán)就損壞 15 把，呈現(xiàn)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(guī)律; 軟土刀( 刮刀、正面先行刀、中心刀) 外刀筒頻繁開(kāi)裂，其中刮刀刀筒自法蘭拐彎處開(kāi)裂 15 cm ～25 cm 不等，詳見(jiàn)圖 2。
圖 2 刀筒損壞情況
3． 2 原因分析
1) 受地質(zhì)因素影響滾刀雙刃受力不均，加上滾刀設(shè)計(jì)為不合理的單軸雙刃( 特別是刀盤(pán)外過(guò)渡圓弧處) ，導(dǎo)致滾刀嚴(yán)重偏磨，磨到一定高度后刀筒相應(yīng)部位隨之磨損。2) 底部的碎石卡在滾刀側(cè)面導(dǎo)致滾刀不轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到中上部粉細(xì)砂層時(shí)又因反作用力小導(dǎo)致滾刀不轉(zhuǎn)而平磨，磨到一定高度后刀筒相應(yīng)部位隨之磨損。3) 滾刀固定螺栓部分或全部斷裂，導(dǎo)致滾刀失去支撐點(diǎn)而無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)大的阻力首先傳遞到刮刀內(nèi)刀筒上，導(dǎo)致刮刀固定螺栓受力過(guò)大受剪易折，嚴(yán)重者甚至將內(nèi)刀筒端蓋頂出，造成高壓冒漿危險(xiǎn); 最終作用在刮刀外刀筒上，導(dǎo)致外刀筒閘門(mén)處開(kāi)焊甚至閘門(mén)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(huán)時(shí)，9 /10 滾刀雖然正面磨損僅 11 mm ～ 13 mm，但偏磨量卻高達(dá) 60 mm，滾刀單刃失效直接導(dǎo)致 13L 刮刀位于底部時(shí)需要破巖而過(guò)載，此時(shí)與13L 刮刀相連的內(nèi)刀筒逆運(yùn)動(dòng)方向大幅度擺動(dòng)，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(jīng)多次撞擊后，再加上力臂的作用，過(guò)大的彎扭矩導(dǎo)致刮刀應(yīng)力最集中處即薄弱的法蘭拐彎處開(kāi)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(kāi)裂過(guò)程均同 13L 刮刀。
3． 3 應(yīng)對(duì)措施
1) 焊補(bǔ)、打磨，修復(fù)磨損的滾刀刀筒。2) 聯(lián)系專業(yè)廠家對(duì)刮刀刀筒潛在的裂痕進(jìn)行探測(cè)。3) 預(yù)定成品滾刀、刮刀刀筒。4) 從閘門(mén)法蘭處用三角鐵對(duì)刮刀外刀筒進(jìn)行加固。5) 從刀臂內(nèi)側(cè)對(duì)刮刀內(nèi)刀筒端蓋壓塊進(jìn)行圓鋼支撐。
4 、聯(lián)接螺栓損壞
4． 1 損壞情況總結(jié)
在中等膠結(jié)礫巖為主的復(fù)合地層中，刮刀刀頭聯(lián)接螺栓變形及滾刀固定螺栓斷裂頻繁; 地質(zhì)由中等膠結(jié)礫巖逐漸轉(zhuǎn)為弱膠結(jié)時(shí)，滾刀螺栓頻繁松動(dòng)斷裂，甚至滾刀掉入刀筒內(nèi)( 見(jiàn)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(pán)面，直接經(jīng)濟(jì)損失 30 多萬(wàn)元。
圖 3 聯(lián)接螺栓損壞情況
4． 2 原因分析
1) 底部局部礫巖過(guò)硬，超過(guò)了 310 k N 的滾刀受力設(shè)計(jì)及100 k N 的刮刀受力設(shè)計(jì)，直接造成其聯(lián)接螺栓過(guò)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(nèi)忽高忽低而不好控制，最終造成聯(lián)接螺栓受力不均，在高點(diǎn)時(shí)過(guò)載。3) 底部弱膠結(jié)地層中存在著較大的塊石或礫巖，外緣滾刀由于處于過(guò)渡圓弧處結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，再加上刀盤(pán)上支撐滾刀刀筒的外轂被嚴(yán)重磨損，滾刀刀筒外圈密封不良且側(cè)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(cè)聯(lián)接螺栓上，從而帶動(dòng)滾刀及其聯(lián)接螺栓受力及力矩增加甚至超載。4) 聯(lián)接螺栓拆裝次數(shù)遠(yuǎn)超 6 次，內(nèi)在組織已存在一定程度的疲勞變形。5) 聯(lián)接螺栓拉伸強(qiáng)度不足或抗剪切強(qiáng)度不足，硬度與剛度兼容度不好。6) 刀筒使用高達(dá) 20 次左右，并且多次取斷絲，刀筒內(nèi)的螺栓內(nèi)絲存局部受傷甚至疲勞; 另外安裝順序不合理、安裝步驟簡(jiǎn)化、緊固力矩不勻等。
4． 3 應(yīng)對(duì)措施
1) 適度控制貫入度，并隨著地質(zhì)變化適時(shí)而變。2) 將內(nèi)層反作用力不足的滾刀及時(shí)更換為齒刀。3) 擇機(jī)高壓進(jìn)倉(cāng)，焊修刀盤(pán)上與滾刀刀筒相配合的圓轂。4) 凡是拆卸超過(guò) 6 次的聯(lián)接螺栓，無(wú)論變形與否一律更換新的。5) 盡量采購(gòu)盾構(gòu)機(jī)原裝螺栓或國(guó)產(chǎn)著名螺栓，嘗試更換更高等級(jí)的，加強(qiáng)驗(yàn)收，利用第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)分批抽樣進(jìn)行破壞性試驗(yàn)并出具報(bào)告。6) 加強(qiáng)螺栓安裝控制———裝刀前用絲攻對(duì)刀筒上的內(nèi)絲進(jìn)行順絲修正，用氣或水將清理下來(lái)的雜物( 鐵屑、泥土) 沖掉，最后用柴油清孔; 為了彌補(bǔ)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(yán)格按自內(nèi)而外、對(duì)角擰緊的原則; 緊固力矩嚴(yán)格按規(guī)定的三步驟進(jìn)行; 為了消除緊固力矩不均勻，采用風(fēng)炮預(yù)緊、液壓扳手復(fù)緊的精準(zhǔn)方式; 受傷較嚴(yán)重的母牙考慮攻絲擴(kuò)孔，甚至考慮刀箱報(bào)廢換新。
5 、改進(jìn)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(lián)接螺栓損壞原因的基礎(chǔ)上，對(duì)盾構(gòu)機(jī)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(kāi)裂、刮刀聯(lián)接螺栓變形、滾刀螺栓斷裂等典型問(wèn)題進(jìn)行了有針對(duì)性的處理措施，取得了顯著的改進(jìn)效果: 在地質(zhì)幾乎沒(méi)有變化的條件下，改進(jìn)后，刀具、刀筒及聯(lián)接螺栓有效使用壽命成倍提高，刀具、刀筒、聯(lián)接螺栓更換次數(shù)大大降低，盾構(gòu)日掘進(jìn)量也由 2 環(huán) ～ 3 環(huán)提高至 4 環(huán) ～ 5 環(huán)，提高了工作效率，追趕了工期，節(jié)約了盾構(gòu)耗材成本，最為重要地降低了盾構(gòu)施工的江底風(fēng)險(xiǎn)。
6 結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)武漢軌道交通 8 號(hào)線越江隧道盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層經(jīng)歷的刀具、刀筒及其聯(lián)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(xiàn)象到檢查過(guò)程再到原因分析直至處理措施的全過(guò)程覆蓋，是一份不可多得的同類地質(zhì)掘進(jìn)可參考的作業(yè)指導(dǎo)手冊(cè)，必將發(fā)揮出其更大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。
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