土压平衡顶管机刀盘的改进与实践

土压平衡顶管机刀盘的改进与实践陈文冬（陕西理工学院，陕西汉中，723003）摘要：以西安市东月路雨水管道工程现场施工为例，分析了在西北地区不同地层条件下土压平衡顶管机刀盘磨损严重原因，提出了该地层条件下刀盘刀具合理布置方式、刀具形状改造方案，通过对所提出刀具布置方式和刀具形状等技术措施通过现场施工作业证明，刀盘刀具在连续施工条件下使用寿命从6天提高到30天。关键词：顶管施工；刀盘改进；施工实践；土压平衡顶管机TheImprovementandPracticeofCutterheadforEarthPressureBalanceShieldPipe-JackingMachineChenWendong(ShaanxiUniversityofTechnogy,ShaaxiHanzhong723003)Abstract:IllustratedbythecaseofDongyueroadXi'ancitydrainageengineeringconstruction,Thereasonofcutterwearandtearisdiscussedthatearthpressurebalancepipejackingmachineworkingundertheconditionofdifferentstratum;Thetechnicalmeasuressuchasreasonableofcutterlayoutandcutterretrofitschemefortheworkingstratumisproposed,accordingtoputtheproposedmeasuresintoeffectthroughtheon-siteswork,thecutterheadandcutter’slifeincreasedfrom6daysto30daysintheconditionofcontinuousconstruction.Keywords:Pipejackingconstruction;TheImprovementofcutterhead;Theconstructionpractice;EarthPressureBalanceShield作为一种非开挖施工技术，顶管施工在城市建设中得到普及性应用。由于土压平衡顶管施工方法适应土质范围广，地面变形很小，在城市建设中更是得到广泛采用[1][2]。西安市东月路雨水管道工程C标段主线管道设计管径D3000mm，管道长度2863米，地层含水率较高,工作坑深16米，属于深埋式大管径顶管，其中四个顶进区间属于长距离顶管，而且有部分顶进区间地层变化比较复杂，为此采用土压平衡顶管施工方法作业。辐板式刀盘兼有面板式和辐条式刀盘特点，由较宽的辐条和小块幅板组成，刀具分别布置在宽辐条的两侧和内部，其作业时不仅土压平衡容易控制，土砂流动顺畅，不易堵塞刀盘开口，而且较大的面板有利于布置较多的刀具，同时由于辐条式刀盘开口率相对较小，有利于保护施工中易坍塌的砂卵石、砂性土围岩的稳定，因此采用辐板式刀盘形式[3]。1.问题提出西安市东月路雨水管道工程C标段主线管路由西安市市政设计研究院设计，西安市政道桥建设有限公司承建，全线分7个工作区段，从YA5-YA7起砂砾量逐渐增多，各施工区段情况见下表1。表1顶进区间分布情况序号顶进区间顶进距离（m）地层结构工作坑深度1YA3-YA1565黏性土，无地下水YA3，深28m2YA3-YA5610黏性土3YA5-YA7510黏性土逐步减少，沙砾石含量逐渐增多YA5，深31m4YA8-YA7220沙砾石较多，伴有黏性土YA8，深32m5YA8-YA9260地层，含水率较高YA10，深16m6YA10-YA11326地层，含水率较高由于刀具磨损严重，因此对YA5-YA7顶进完毕后的标准刀具磨损状况进行了抽样调查。刀具施工前厚度原为60mm，在砂砾石地质条件下工作磨损严重，平均磨损率达到50%，见表2。表2改造前刀具施工后磨损情况刀具编号12345678910刀具使用前厚度尺寸mm刀具使用后厚度尺寸mm刀具磨损量mm603228602733602238604119601347604911602634604317603525604020图1为顶管机刀具施工前、后刀盘及刀具照片，由图中可以看出刀具在砂砾石地质条件下磨损率较大，刀具出现严重磨损后，不仅造成顶力增大，延缓工程进度，而且增大维修费用。所以，对刀具进行适应性改造显得尤为必要和迫切。砂砾地质条件下顶进作业不仅造成刀具磨损严重，还造成刀盘盘圈贝型刀磨损严重，图2为YA5-YA7区段施工后刀盘盘圈贝型刀照片，由图片可以看出盘圈贝型刀脱落严重。（a）施工前（b）施工后图1刀具施工前后磨损情况图2刀盘盘圈贝型刀施工后情况2.原因分析在顶管机推力作用下，刀具对开挖面土体会产生一定的压力，随着刀盘的转动，刀盘与刀盘前方土砂之间会有摩擦，从而产生了磨损。刀具的磨损与地质条件(砾石粒径、密度)、刀具材质及刀具在刀盘上的布置方式密切相关[4]。砂卵石对刀盘结构及刀具的磨损大，卵石的含量越高对刀盘刀具的磨损、冲击越大，刀具越易损坏。砂卵石地层中的漂石直径大，需在设计时仔细考虑排石的方法。在全国各地的施工中，砂卵石地层与软硬不均的复合地层一样是困扰盾构施工的难题，需根据实际地质条件对刀盘进行适应性设计[5]。由于东月路顶管工程属于深埋式大管径顶管，其中四个顶进区间属于长距离顶管，部分顶进区间地层变化比较复杂。当适合黏土土层施工的刀盘在施工中碰到局部砂卵石地层条件时，刀具会出现快速磨损，甚至折断。3.刀盘刀具布置方式改进措施3.1刀盘刀具的非对称布置由于施工区段既包含黏土层地质条件，又夹杂砂砾石含量，改进的刀盘刀具应同时具备适合黏土层作业刀盘刀具结构特点，又能有效解决砂砾石对刀具造成的磨损或折断问题。全断面掘进技术具有掘进效率高的优点，特别适合黏土层顶管施工[6]。经分析，刀盘上刀具折断主要是刀具切削较大卵石时所致，如果能将一次切削改为多刀反复切削，使各刀具从不同方位顶进或挖掘卵石，使得刀具先将卵石撬松、挖出，然后送入螺旋推进器进口或顶到掘进断面外。为此，采用刀盘上刀具非对称布置措施，即刀盘上各刀具圆周轨迹不重复，使得刀具在刀盘上的轨迹均匀的布满整个刀盘。右图为改造后刀盘示意图。如图3所示，在刀盘工作时，先由刀臂4上的刀具3对砂砾石进行切削，然后由刀臂5上的刀具8对刀臂1未切削部位再行切削，依此类推，达到全断面切削的效果。由于刀盘上各刀具轨迹线2不重合，当刀盘上各刀具遭遇卵石时，即可达到逐步撬松卵石，进而挖出卵石的效果。图3刀盘刀具布置示意图1—刀盘2—各刀具轨迹线3、7—刀具4、5、6、8—刀臂图4刀盘刀具布置方式改造前后对比3.2刀具改进砂砾石地质条件下施工作业后不仅存在刀具磨损，刀座磨损也十分显著，刀座磨损后直接造成刀座脱落、丢失[7]。顶管机刀盘旋转切削时刀体所受摩擦来自多个方向，仅仅在主切削方向使用合金刀块只能强化切削刀刃的耐磨损能力，对于也会参与切削功能的刀座部分因耐磨损能力弱，就必然出现快速磨损区域，如图5（a）阴影部分。为防止刀座部分出现磨损而致使合金刀块或刀座脱落、丢失，在刀头的顶面及两个侧面均安装合金块，见图5（b）所示。由于在刀座耐磨损能力较弱区域增设了合金刀块，就提高刀座耐磨损能力，也形成了全断面切削掘进效果，延长了刀头的使用寿命，提高掘进效率。（a）（b）图5刀座磨损区域和刀具刀座改进示意图1—合金刀块2—刀座刀具形状经上述改造后，在顶进过程中，刀坐的磨损速度大为降低，合金刀块未发生丢失现象。表3为刀具改造前、后刀座、合金刀块丢失和刀座磨损情况统计表。表3刀具改造前、后刀座、合金刀块丢失和刀座磨损情况统计表项目改造前改造后刀座丢失率平均刀座磨损量（mm）合金刀块丢失率5%105%0203.3增设先行刀和边缘强化刀采用先行刀，可显著增加切削土体的流动性，大大降低切刀的阻力，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。布置先行刀时应尽量将其布置在齿型切刀的边缘处，以利于更好的在切刀切削前将土体分层松动[8]。在刀盘的外周增加先行刀，其宽度略比刀盘上普通刀具窄，高度比普通刀具高20mm，施工时，先由先行刀起到松动作用，然后再由其它刀具切削，图6增设先行刀和边缘强化刀后刀盘实物照片将已经松动的砂砾石用较小的力切削下来，这样，既减小了工作时的扭矩损失，又减小了刀具的磨损。外侧增加强化先行刀，两端合金部分工作时具有较大的冲击能力，当遇到较多卵石时，可以充分发挥作用。刀盘改进时还在刀盘周围增加四把边缘刀，起到保护刀盘外径作用，而且边刀所工作的地层均是由强化先行刀进行松动后的土层，刀盘受力得以减轻。4刀盘改进后施工效果改进后刀盘应用于YA8-YA7区段，该区段施工时没有再补焊刀座，在完成全区段施工后检视发现，刀具磨损较改进前得到明显减轻，刀盘合金刀块丢失和刀座脱落问题也得到显著改善。刀具在连续施工条件下使用寿命从6天提高到30天。参考文献[1]张润利，张春远．工程机械专利信息之顶管机篇[J]．工程机械文摘，2006（3）：16～21[2]MitsuruKurokawa，TakashiKuhara．Constructionofshafttunnelbyslurrypipejackingthroughsedimentarygroundunderhighwaterpressure[J]．TunnellingandUndergroundSpaceTechnology，2004（19）：355[3]王振飞，张成平，孙顶立等．富水砂卵石地层大直径盾构刀具的磨损与适应性[J]．北京交通大学学报，2013,37（3）：62～66[4]刘高峰，宋天田．成都地铁盾构刀具磨损分析研究[J]．隧道建设，2007，27（6）:98~93[5]刘永强．砂卵石地层土压平衡式盾构机的刀盘设计[D]．天津大学硕士学位论文，2010，5:7~8[6]邓洪超，林琳．全断面掘进顶管螺旋翼刀盘主结构参数的优化分析[J]．工程机械，2008，32(12):33~39[7]黄清飞．砂卵石地层盾构刀盘刀具与土相互作用及其选型设计研究[D]．北京交通大学博士学位论文，2010，6:27~29[8]王洪新．土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究[J]．土木工程学报，2010，43（3）:88~91作者简介：陈文冬（1989-），男，陕西汉中人，硕士研究生，研究方向机械装备的设计及制造研究。通讯地址：陕西省汉中市陕西理工学院机械工程学院测控教研室邮政编码：723003电子信箱：[e-mail]联系电话：[phone]身份证号码：612301198912080512