摘要：刀盘刀具磨损对盾构推进效率会产生很大的影响，在上海地层中推进，砂性地层对刀具磨损情况较为严重，针对盾构穿越土层特性，如何选择合适的刀具进行施工是非常重要的一环。本文将以上海虹梅南路隧道为例，针对推进过程中刀盘产生的磨损问题进行分析并介绍相应的解决措施。
关键词：超大直径盾构 刀具磨损 虹梅南路
1 引言
盾构施工在轨道交通、公路、地铁、输水等各领域的地下隧道施工中占据极其重要的地位。盾构施工是利用刀盘上的刀具对前方土体进行切削并向前推进的一个过程，刀具按照一定力学规律以及几何学规律布置于刀盘上。一般来说，盾构直径越大，刀盘与土层的接触面越大，就更容易出现同时切削不同地层的情况，从而出现刀片崩断、脱落等现象。刀盘上的刀具与土体直接接触，势必会造成刀具的磨损。就上海地区来说，不仅存在软土地层，在埋深较深的地层也存在砂性地层，在砂性地层中施工会加剧刀具的磨损速度，严重的磨损将会影响盾构的施工效率。于此同时，处理刀具磨损将对施工的成本、进度产生较大影响。
迄今为止，在上海使用超大直径泥水盾构进行施工的案列中，虹梅南路隧道盾构机刀盘的磨损情况最为严重。虹梅南路圆隧道采用一台Φ14.93m全新泥水平衡盾构施工，盾构机在东线隧道推进至1118环时，刀盘磨损检测装置报警，经检查，刀具出现了大范围的严重磨损。施工人员进行了带压换刀后顺利使隧道贯通。本文就整个施工过程中刀盘的磨损情况进行说明，并对造成刀盘磨损的原因进行初步分析，并介绍了相应的解决措施。
2 工程概况
2.1 工程概述
虹梅南路～金海路通道越江段新建工程位于上海市闵行区和奉贤区，全长约5260m，其中圆隧道长约3390m，隧道管片外径为14.5m，每环管片宽度为2m。隧道为双洞双向6车道，西线隧道由奉贤推进至闵行，在闵行工作井调头后进行东线隧道的推进。
2.2 土层情况
虹梅南路隧道岸上段埋置深度为25.2m～52.2m，水上段埋置标高为-46.6m～-51.2m；江中最低点设置泵房，中心里程为WK14+225.52，位于隧道内。
隧道主要在③层灰色淤泥质粉质粘土、④层灰色淤泥质粘土、⑤1层灰色粉质粘土、⑤1-1层灰色粘土、⑤3层灰色砂质粉土夹粉质粘土、⑤41层灰绿色粉质粘土、⑥层暗绿～草黄色粉质粘土、⑦1-1层草黄色粘质粉土夹粉质粘土、⑦1-2层草黄～灰黄色砂质粉土、⑦2层灰黄～灰色粉砂中掘进。盾构穿越深度范围内土层变化较大，有软粘土、粉土和砂土，且同一层内存在土性不均现象，土层的强度差别大。具体断面详见图2.2-1。
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图2.2-1 盾构穿越地层情况示意图
2.3 刀盘设置情况
针对虹梅南路隧道推进涉及土层特性，盾构刀盘设置主、副条幅各8个，刀具共设置周边铲刀144把，刮刀266把。具体详见图2.3-1。
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图2.3-1 盾构刀盘刀具示意图
其中，周边铲刀位于1#刀臂~16#刀臂最外侧，顺时针及逆时针方向各1组，每组9把。
正面刮刀按照一定规律布置，确保刀盘在顺/逆时针旋转时刮刀的运动路径可以覆盖整个刀盘面板，确保在正常推进时，刀盘面板与开挖面不会发生直接接触。在刀盘旋转时，位于面板外侧的刀具的运动轨迹较长，线速度也较大，与开挖面的“摩擦量”也较多。为此，考虑到不同位置上刀具的“摩擦量”的不同，刀具的布置数量由刀盘中心向外逐步增加。刀具的布置如下表所示。其中，#30~#22位置：每个位置各有8组刮刀，每组顺时针及逆时针各1把。#21~#10位置：每个位置各有4组刮刀，每组顺时针及逆时针各1把。#8~#4位置：每个位置各有2组刮刀，每组顺时针及逆时针各1把。#3~#1位置：每个位置各有1组刮刀，每组顺时针及逆时针各1把。详见表2.3-1。
表2.3-1 盾构刀具配置表
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3 刀盘磨损情况
虹梅南路东线隧道共穿越1400环2粉细砂土层，其中包含近200环全断面2粉细砂土层。
从950环起盾构全断面进入⑦土层（上部⑦1-1, ⑦1-2，下部⑦2），此时隧道顶覆土为28m，隧道轴线为竖曲线变坡；
1020环后，出现刀盘扭矩逐环升高，推进速度不断降低的现象。同时发现正转扭矩较反转扭矩大。随着刀盘扭矩的上升，总推力也在不断上升，在1090环开始，盾构起始推力突破140MN，超过了最初的设定的允许推力140MN。
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图3-1 换刀前盾构扭矩及推进速度示意图
从1100环起盾构全断面进入⑦2灰黄灰色粉砂土质，此时隧道顶覆土约为32.7m，隧道竖曲线为-30‰的下坡，平曲线为直线。
至1118环时，刀盘磨损检测装置报警。施工人员开舱检查后确认刀盘正面的刮刀存在数量较大的刀具已出现严重的磨损现象，部分刀片出现了崩断、脱落的情况。如下图所示，刀具中的耐磨刀合金片已完全磨损，部分区域的刀座磨损严重。
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图3-2 刀具磨损示意图
后续，待盾构接收后，可发现刀盘周边耐磨圈部位也出现了较为严重的磨损，如下图所示。
图3-3 刀盘耐磨圈磨损示意图4 刀盘修复过程
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为了保证刀盘每个轨迹、旋转顺逆时针方向上至少存在2把情况良好的刀具，根据刀盘勘验的结果，编制了刀具更换方案。
正面刮刀：更换2#、5#、6#、9#、10#、13#、辐条上磨损严重的刀具，总计22把刮刀；
图4-1 正面刮刀更换示意图
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周边铲刀：更换3#，7#，11#，15#条幅上的所有铲刀，总计32把周边铲刀；
图4-2 周边铲刀更换示意图
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此次换刀过程历时45天，换刀后刀盘扭矩下降、推进速度上升，均有明显改善，扭矩及推进速度变化如下图所示。
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图4-3 换刀后扭矩及推进速度示意图
5 刀盘磨损原因分析
5.1 正面刮刀磨损分析
至今为止，在上海使用超大直径泥水盾构的施工案列中，虹梅南路隧道盾构机刀盘的磨损情况最为严重。
上海地区类似的施工案例，如上海长江隧道与上海长江西路隧道，同样使用超大直径泥水平衡盾构，单台单次推进距离分别为7.5km及3.4km。在盾构完成接收后，刀盘正面的刮刀以及周边的耐磨条均中未发生明显磨损。可见，推进距离并非造成刀盘磨损的主要因素。
长江隧道主要穿越灰色淤泥质粘土、⑤2灰色粘质粉土、⑤3灰色粉质粘土。
长江西路隧道主要穿越④灰色淤泥质粘土、⑤1灰色粘土、⑤3灰色粉质粘土、⑧灰色粉质粘土、⑦草黄~灰色粘质粉土夹粉质粘土。
与上述两条隧道相比，虹梅南路隧道穿越大量2粉砂土层。上海地区2粉砂土层的比贯入阻力Ps要远大于其他软土地层，这与刀具上刀片崩坏、脱落的现象相匹配；另一方面，2粉砂土层中石英等高硬度物质加剧了刀盘的磨损速度。
另外，在盾构推进的过程中，盾构机泥水舱内2台搅拌机先后发生无法正常旋转的故障，左侧搅拌机故障发生于35环，右侧搅拌机故障发生于1092环。
盾构接收后，施工人员对盾构机泥水舱进行了清理，进而发现泥水舱中搅拌机附近存在大量的钢筋混凝土块。
由于盾构机在始发及接收过程中对地下连续墙中钢筋混凝土结构的凿除是非常彻底的，所以大量钢筋混凝土块极有可能来自于盾构推进区内的不明地下障碍物，对大量高硬度物质的切割可能造成该型盾构刀具的额外损坏，这在刀具刀头的折断现象上也得到了印证。
5.2 周边耐磨圈磨损分析
刀盘耐磨环出现磨损，在盾构机切口环侧出现了弧型的磨损现象，而盾构切口环侧并未有明显磨损。经分析，其发生的过程大致可为三个阶段。
第一阶段：由于刀盘半径略大于耐磨环半径，刀盘周边铲刀未发生磨损时，在刀盘旋转时刀盘周边的耐磨条与土体几乎不发生摩擦。、
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图5.2-1 一阶段施工状态示意图
第二阶段：当刀盘周边铲刀的磨损量等于15mm时，刀盘的开挖半径等于耐磨环的半径，周边刀与耐磨条同时与土体发生摩擦。
图5.2-2 二阶段施工状态示意图
第三阶段：刀盘周边刀与耐磨条继续发生磨损。当刀盘外径小于切口环外径后，在盾构推进时，土体因挤压被迫进入刀盘与切头环之间的通道内。由于盾构推进时刀盘处于持续旋转的工作状态，按照推进速度40毫米/分钟来计算，则每推进1环隧道（环宽2米），刀盘与土体之间持续摩擦时间约为50分钟；刀盘直径为14.93米，按照刀盘旋转速1转/分钟来计算，则每推进一环隧道，刀盘与周边土体之间的摩擦距离约2344米。而刀盘的切口环在推进时不发生旋转，每推进一环隧道，与土体的摩擦距离为2米，因此出现了刀盘周边单侧磨损情况较严重的现象。
6 思考与小结
1）随着上海地区浅层地下空间利用的趋近饱和，轨道交通、公路、市政等领域的隧道深度正在日益增大。往后的盾构法施工将更多地涉及砂性地层，盾构机刀盘、刀具等部件的选型也需考虑复合地层带来的影响。对于施工周边环境保护要求较高的工程，可考虑选用具备常压换刀功能的刀盘。
2）在长距里涉及砂性地层的工程中，应考虑安装刀盘正面可视化勘测设备，以便于更高效、经济地确认刀具磨损情况，同时减少人工进舱所带来的安全问题。
3）通过施工数据中的变化可以对刀具磨损情况做一个初步判断。刀盘扭矩与推力的不合理增大，刀盘正反转扭矩差异大等，都是刀具磨损的信号。应尽早确认是否存在刀具磨损，以便于施工技术人员根据周边环境、后续地质条件等因素提前筹划更换刀具的时机。
4）针对砂性地层，应综合安全、进度、成本等因素，综合考虑泥水指标的改良方式，从而通过增加润滑，减少刀具的磨损速率。
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