硬岩隧道掘进中刀盘刀具磨损分析研究

1. 引言

盾构机隧道施工中会受到诸多环境因数影响 [1]。由于带压条 件下的刀具检查和维护耗时、危险、有风险，因此，准确描述盾 构过程中刀具磨损的影响因素，是保证刀具的使用寿命，保障隧 道顺利施工重要的前提 [2]。

盾构机的圆柱形护盾对已开挖但还未衬砌的隧洞段起着临时 支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将 地下水挡在外面。其中，刀盘在盾构机前端并与隧道掌子面接触， 具有平衡土压力作用 [3]。盾构施工过程中的施工参数与地质参数， 如推力、掘进速度、转速、岩石硬度都将影响刀具的磨损量[4,5]。刀具在不同强度的岩层中磨损特性会有明显的不同。[6]

2. 工程概况

本 标 段 盾 构 隧 道 沿 线 基 岩 强 风 化 带 岩 石 (VI0) 厚 0.50m～8.60m , 弱风化带岩石 (VI1) 一般厚 0.40m～13.60m 。 洞身围岩一般以微风化带岩石为主。桩号 隧洞围岩上部为强～弱风化带岩石，其中钻孔 ZKDS15 处隧洞全断面位于强～弱风化带岩石内。隧洞洞身均位于基岩内，岩性为奥陶系上统长坞组 (O3c) 厚层～巨厚层砂岩夹粉砂质泥岩。砂岩属较坚硬岩，局部为坚硬岩。粉砂质泥岩为较软岩～较坚硬岩。隧洞桩0+120～0+200 、 0+250～0+300 、 0+400～0+550 及 0+780～0+880 处砂岩分布较广，其余洞段以粉砂质泥岩为主，局部夹砂岩互层。

3. 运行参数与地质参数对盾构机磨损的影响探讨

为了量化研究刀具磨损量与掘进参数之间的关系，定义了两 个参数：刀具的时间寿命 (Lh) 与刀具开挖寿命 (Lv), 用 于 衡 量刀具寿命。随着掘进距离的增加，Lh 值越来越小，Lv 也越来越小。 可知在开挖过程中，随着岩石是硬度增加，刀具的更换更加频繁， 刀具的磨损越来越大。

盾构机实际测量推力大小是由掘进面和平衡隧道掘进面的土 压力所需要的力决定，针对每一开仓换到周期取推力平均值；随 着掘进距离的增加，推力平均值先增加后慢慢减小。其平均值与 刀具寿命之间相关性比较大，证明盾构机的推力是刀具磨损的关 键影响因数之一。扭矩与刀具寿命的相关性也很类似，扭矩与 Lv 也是正相关，随着 Lv 值的增大，扭矩也在相应增大，但是他们 之间的相关性不是特别大，表明在该项目中扭矩是刀具磨损的次 要原因。

刀盘平均转速与刀具寿命之间没有明显的相关性，显示在该 项目的转速区间，刀盘转速几乎不影响刀盘的磨损。但是在分析 推进速度与刀具寿命时，在剔除起始段影响后，可以推进速度与 刀具寿命间的相关性非常显著 , 显示推进速度是影响刀具磨损的 重要因数。同时，两者存在负相关性表明该项目中刀具磨损量会 随着速度的增加而增加，其原因推进速度随岩石硬度增加而减小， 同时增加了磨损量。在压力与刀具寿命的相关性分析中也出现相 似的负相关性，但是相关性不是特别明显。

4. 结语

本文硬岩盾构中地质参数与各施工参数对刀具磨损间关系， 并定义了 Lv 与Lh 两个刀具寿命参数。在刀具寿命与各参数相关 性分析过程中发现，该项目岩石强度、推力与推进速度是影响刀 具磨损主要因素，土压力和扭矩是次级影响因数，转速不影响刀 具的磨损量。并且刀具的磨损量与到轨道半径成正相关。需要指 出的是，回归分析结果有一定的局限性，只可用于评价类似硬岩 进刀具磨损的统计分析结果。

参考文献：

[1] 富水硅质岩地层土压平衡盾构机掘进中刀具更换的分析与 总结 _ 董志成 pdf>[J].

[2] 汪熙洋 . 盾构机掘进中刀具损坏问题及其维护 [J]. 设备管 理与维修，2021,06):59-61.

[3] 吴恩启，侯天凡，闵锐，et al. 类矩形盾构机刀盘受力分析 与检测研究[J].机械强度，2021,43(03):538-45.Wu Enqi,

[4] 曹希奎，王旭春，卢泽霖，et al. 基于扭转能量的土压平衡 盾构刀具磨损预测研究[J]. 低温建筑技术，2020,42(10):102-6.

[5] 曹利，邱龔 . 基于推进参数的盾构刀具磨损预测模型研究 D]. 现代隧道技术，2017,54(03):155-61.Cao Li,Qiu Yan.

[6] 李强，甘鹏路 . 复合地层盾构刀具磨损控制技术研究 [J]. 现代隧道技术，2020,57(01):168-74.