盾构滚刀磨损分析

晁小勇

摘要：简要分析国内现有盾构刀具磨损计算及其不足，分析盾构机刀盘配置特点、各项参数及在成都地铁3号线5标熊猫大道站~动物园站~驷马桥站两区间掘进施工过程中的推力、扭矩等参数。通过对盾构推力的计算及与实际统计值的校对，分析总结适合计算盾构刀具磨损的计算方法。为盾构刀具磨损理论计算和盾构换刀里程提出新思路，包括：1）应用刀具磨损系数检测机检测不同刀具在不同地层的磨损系数，2）刀具换刀里程可以根据刀具磨损系数来反算，3）盾构出洞后的实际统计数据可用来验证和指导同类地层刀具磨损系数和相关参数设置。最后，指出渣土改良后刀具磨损系数测量是盾构掘进由未知向“可视”开启的“一扇门”，并提出在刀具磨损数据库模式下实现同步监测盾构刀具可用距离的想法。

关键词：盾构；刀具磨损；推力；扭矩；磨损系数测量；

0引言盾构机问世至今已有近200年历史，国内盾构施工企业也已接近100家，盾构机保有量也有800台左右。截止2014年年底，国内运营或在建地铁城市达33之多，运营总里程2884公里，在建和规划里程7810公里。

目前国内众多盾构施工企业在庞大的城市施工过程中对于刀盘前面的未知地层和刀具磨损情况任然停留在根据刀盘的推力、扭矩来简单的估算，对于换刀里程的把握更是完全靠经验。国内虽然有专家提出过刀具磨损量的计算公式，但是根据该公式推算出来的换刀里程和实际换刀里程相去甚远。有些企业在盾构换刀上甚至付出过血的代价。在这样的背景下，为了更好、更经济、更安全的实现刀具更换，为了让盾构换刀里程的确定更多的基于科学计算和试验数据，有必要提出新的刀具磨损计算理论和验证设备。

1盾构刀具磨损理论现状和不足1.1国内目前对于滚刀磨损量的计算的经验公式δ=0.1KπDNL/V（1）δ——磨损量(mm)；K——磨耗系数(mm/km)；D——盾构刀盘外径(m)；N——刀盘的转动速度(r/min)；L——掘进距离(m)；V——掘进速度(cm/min)1.2换刀里程该公式把磨损系数简单的归类为一个不带单位的常数（和摩擦因数类似）若用公式（1）反推出掘进换刀里程则：L=10δV/（KπDN）（2）若以目前国内刀具寿命20mm磨损来计算，将“表1：熊动区间、动驷区间刀具磨损数据汇总”中数据代入公式（2）则：L1=13577.56mL2=1049.45m而实际情况是：1）熊动区间左线因地层为全断面泥岩，故而刀具在完成1248.427m掘进后磨损量只有3mm（以40号刀具计算），其计算换刀里程“L1=13577.56m”无任何实际意义。2）动驷区间左线为复合地层，刀具在完成1048.811m掘进后实际磨损量为27mm（以40号刀具计算），计算换刀里程L2=1049.45m，且由表2可以看出除40号刀之外其余刀具磨损量较大，最大磨损以达41mm。

该理论的最大不足在于磨损系数的确定由盾构施工贯通后的磨损量和掘进里程的比值简单确定，不能真实反映不同地层、不同渣土改良效果、不同掘进参数下磨损系数的实际值。

2成都地铁3号线熊猫大道站~动物园站~驷马桥站区间盾构参数分析2.1地质概况熊猫大道站~动物园站区间（以下简称熊动区间）盾构隧道位于<4-1-1>粘土和泥岩中。动物园站~驷马桥站区间（以下简称动驷区间）盾构隧道位于卵石层，复合地层（卵石层和泥岩，卵石层、砂层和泥岩等）和泥岩地层中。

2.2本工程盾构机及施工参数简介用于本工程施工的盾构机是中铁装备65号盾构机，其刀盘为面板式，开口率36%，配备17寸中心双联滚刀4把（刀高175mm）、18寸单刃滚刀32把（刀高187.7mm），刀具均为“南昌齿轮有限责任公司盾构刀具分公司”生产。

熊动区间掘进里程1248.427m，盾构推进速度43.75mm/min（平均值），刀盘转速1.36rpm。

动驷区间掘进里程1048.811m，盾构推进速度35.96mm/min（平均值），刀盘转速1.35rpm。

2.3熊动区间、动驷区间刀具磨损统计分析熊动区间、动驷区间刀具磨损量及用公式（2）计算得磨损系数K见下表：表1：熊动区间、动驷区间刀具磨损数据汇总

3盾构推力计算及分析根据国内徐前卫、朱合华、丁文其、苏斌、苏艺、江玉生、张厚美、吴秀国等[1~10]盾构理论研究领域的专家学者对盾构推力的计算模型，分析本标段盾构推力理论参数如下（因地层不同对刀盘扭矩的计算参数不同，而动熊区间地层情况较为单一，在改良效果一定的情况下，土体的参数变异较小，故而在此只对动熊区间做研究。）：3.1推力F=F1+F1+F2+F3+F4其中：F----盾构推力；F1---盾构外壳与土体之间的摩擦阻力；F2---作用在刀盘上的力；F3---盾尾密封与管片之间的摩擦阻力；F4---台车的牵引力。

F1=uπD0LMPrF2=πDc2pf/4F3=9.8WrnrurF4=9.8Wtut带入数据计算得到推力如下：F=13042.95KN;F1=1219.66KN;F2=11408.75KN;F3=91.14KN;F4=323.4KN3.2理论参数与实际值对比在研究的熊动区间左线，其理论推力为13042.95KN，实际平均推力9757.6KN。

由上述对比可以看出：实际平均推力和理论推力的差异较大，因其计算中除F2之外其他部分计算不确定因素较少，故而用实际平均推力减去其他理论推力得到的修正后的F2`来估算刀具磨损情况，F2`=8123.40KN。

4刀具磨损量计算模型结合以上计算，可知盾构掘进过程中施加在刀具上的正向压力F=F2’=8123.40KN。

4.1盾构推进产生的刀圈摩擦力假设地层情况均一，渣土改良效果均衡，且不考虑刀具之间、刀具和刀盘面板之间的高度差，则刀具随刀盘公转过程中作用在刀具上的推力是平均分布的（即每个刀圈上受到的推力都是F刀圈=3.5405KN）。

4.2刀具磨损量计算公式推导因为刀具在随刀盘转动的同时也在自转（刀具密封未被破坏前），故而刀具切削土体也可看做是刀具贯入土体的部分在土体上做滚动，刀具磨损可相应的看做是刀具在土体上滚动摩擦导致的磨损。这部分磨损δ`应该和动摩擦因数μ成正比，和刀具摩擦力f成正比，和刀圈贯入土体部分的面积S成正比，和磨损系数K成正比，和刀具运行距离L`成正比。

则刀具磨损公式可以表述为：δ`=KμSL`f（3）其中S=60π457arccos[（457-187.5）/457]/360=12887.87mm2；L`=2πrLN/V，r为刀具轨迹半径；δ`=KμSL`f=0.02577574Kμ2πrLF刀圈/V（4）根据公式（3）、（4）推导出在已知刀具磨损系数、刀具型号尺寸的情况下可以推算出换刀里程L：L=38.80δ`V/(Kμ2πrNF刀圈)(5)及在已知刀具磨损量和刀具运行距离和刀圈受力的情况下，推算出刀具磨损系数KK=38.80δ`V/(μ2πrLF刀圈N)(6)5盾构刀具磨损系数测量根据公式（6），针对刀具磨损系数的测量，笔者所在单位已开发出一款专门用于盾构刀具磨损系数测量的仪器。如下图：6展望在应用刀具磨损系数测量的仪器对刀具磨损系数进行精确测量后，首先可对地铁在建城市的盾构施工项目做刀具磨损系数检测并建立数据库，之后和盾构制造企业合作将根据公式（5）计算出的换刀里程和盾构机控制软件相结合。进而实现刀具磨损监测自动化。

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