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鉴定技术文件之四刀具磨损机理研究与预测

鉴定技术文件之四刀具磨损机理研究与预测

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刀具磨损机理研究与预测

1项目依托工程及研究意义

1.1项目依托工程

课题依托成都地铁1号线2标盾构区间一期工程，其中地铁线路由北向南沿人民北路南部和人民中路敷设，共三个区间，即人民北路站～文武路站区间、文武路站～骡马市站区间、骡马市站～天府广场站区间。区间隧道大部分都采用盾构法施工，全长4799.09米。盾构区间隧道线路间距为11m～15m

图1.1刀盘前地层情况图1.2基坑开挖时土体状况

盾构隧道从2-8、3-4、3-7〉等砂卵石地层中通过。卵石成分主要为灰岩、砂岩、石英岩，卵石含量达67％，中间夹杂大漂石。砂卵石具有分选性差，强度高等特点。

2-8卵石土（Q4al）：黄灰色，黄褐色，中密～密实为主，部分密实，潮湿～饱和。卵石成分主要为中等风化的岩浆岩、变质岩、砂岩等硬质岩组成。磨圆度较好，以亚圆形为主，少量圆形，分选性差，卵石含量65～75%，粒径以30～70mm为主，钻探揭示最大粒径145mm，夹零星漂石，充填物为细砂及圆砾。

3-4粉、细砂（Q3fgl+al）：灰绿色，饱和，中密，夹少量卵石。呈透镜体状分布。

3-7卵石土（Q3fgl+al）：褐黄、黄色，以中密～密实为主，饱和。卵石成分主要为中等风化的岩浆岩、变质岩、砂岩等硬质岩组成。磨圆度较好，以亚圆形为主，少量圆形，分选性差，卵石含量60～75%，粒径以30～70mm为主，据钻探揭示，最大粒径150mm，夹零星漂石，充填物为砂及砾石，具弱泥质胶结或微钙质胶结。

隧道通过地层含水丰富，根据钻孔揭示，隧道区间分布的卵石土及所夹透镜状砂层为地下水主要含水层，含水量丰富，含水层厚20～22.6m，区间范围内卵石土分选性差，渗透性强。

1.2研究目的和意义

成都地铁独特大面积砂卵石地层是一种典型力学不稳定地层，颗粒之间孔隙大，几乎没有粘聚力，砂卵石在无水状态下，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏，盾构周围土体成拱性差。刀盘旋转切削时，地层很容易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌，引起较大围岩扰动，使开挖面和洞壁失去稳定，控制不好导致地表塌陷。

通过几个月盾构掘进发现当前面临的主要问题是，砂卵石地层盾构施工切削刀具磨耗、破损、脱落较为严重。掘进过程中刀具磨耗和缺损，会使盾构机降低掘进速度加大切削器旋转负荷，甚至是陷于掘进停止、而频繁开仓检查和换刀所带来的开挖面崩塌和地表沉陷等事故（如图1.3和1.4），也加大了施工风险和工程费用，成为影响盾构工法掘进效率和施工安全的主要因素。

图1.3盾构开仓后恢复推进引起的地面塌陷图1.4开仓后掌子面坍塌情况

减少刀具磨损需要考虑很多方面，包括刀具本身的材质、刀具结构形式刀具切削的外部条件等。我国现有盾构机在这方面还缺乏研究，使盾构机在掘进施工中频繁更换刀具，既浪费金钱，又耽误工期。

成都特定砂卵石、高富水、大含量地层条件下进行盾构施工，在国内属于首例，在国外也是比较罕见的。EPB盾构在大面积长距离砂卵石地层中掘进时盾构刀具磨损极为严重，这不但影响了盾构机的使用寿命，更重要的是常使盾构推进无法进行，而开舱换刀很可能引起开挖面失稳坍塌，给整个工程工期、造价带来严重影响，甚至对施工人员生命及周围建筑物安全构成严重威胁。而目前国内外对盾构刀具磨损的研究为数不多，特别是对土压平衡盾构在大面积砂卵石地层掘进时刀具磨损的研究还不成熟，砂卵石地层盾构刀具磨损为盾构隧道领域一个新课题。因此，研究如何减少砂卵石地层土压平衡盾构刀具磨损，探明盾构在砂卵石地层中最长掘进距离具有重要意义。

2本工程刀具布置及耐磨策略

2.1本工程刀具布置

2.1.1常用刀具

盾构掘进是依靠刀具和地层相互作用实现。盾构用于隧道掘进的刀具按照刀具形状、作用方式可分作不同类型。目前盾构机及硬岩TBM所采用的刀具种类众多，为了便于研究及管理，常采用如下的分类方法对刀具进行分类，见表2.1。

表2.1刀具的分