关键词：富水砂层；盾构机；刀盘磨损；优化措施
一、工程概况
西安地铁十四号线工程（北客站~ 贺韶村）依次沿开发大道、学府中路，向东路敷设，线路全长13.76km。尚贤路站- 学府路站区间为本线第二个区间，区间隧道采用盾构法施工，盾构由尚贤路站始发后向东掘进，先后下穿徐兰大西疏解线特大桥、大西高铁跨西铜公路特大桥及徐兰高铁跨灞河特大桥、侧穿龙记国会山酒店公寓后在学府路站吊出。
区间隧道主要位于粉砂地层、中砂地层中，地下水位位于隧道拱腰位置。沿线隧道掌子面分布有大量的砂土（2-5-3 中砂、局部为2-4-1-3 粉砂）。其中2-5-3 中砂，标准贯入试验N=52.8 击，呈密实状态，石英含量为75.0%，砂层呈散粒结构，具大摩擦角、低黏聚力、高渗透系数、流塑性差、易坍塌、石英含量高等特性。
场地地下水位埋深介于10.50~13.70m，地下水位高程介于359.73~361.11m。区间隧道埋深水位均位于区间隧道拱顶以上，区间隧道洞身均处于全断面富水砂层。盾构机在砂层掘进时刀盘扭矩大、推力大，刀盘易磨损。
根据盾构机的刀盘运转机制及盾构施工原理，刀盘磨损形式主要分为刀盘刀具磨损、刀盘边缘磨损、刀盘正面磨损、刀盘辐板以及辐条内侧磨损。西安地区地质适用的刀盘主要为软土刀盘，刀盘结构由Q345C 高强碳钢焊接而成， 一般设计为辐条式或辐板式结构。刀盘总重约 40t，开口率＞50%，刀盘开挖直径为6280mm。刀盘配置刀具主要有鱼尾刀、撕裂刀、切刀、保径刀、边缘刮刀、超挖刀等。
2.1 刀具磨损机理
（1） 撕裂刀磨损。撕裂刀的功能是破坏土体原有应力和掌子面的整体稳定性，进而减小切削土体的力矩。撕裂刀磨损的主要原因是在撕裂土体过程中刀具受土体摩擦力导致刀高减小，严重时可造成蹦刃。撕裂刀磨损严重时使其破坏土体原有应力能力减弱，导致刀盘切削土体时的力矩增大，同时撕裂刀的刀高减小，在切削过程中切刀的力矩增大，使切刀的磨损过程加快。切削相同土体的时间增加，容易造成超挖现象。
（2） 切刀磨损。切刀的功能是在撕裂刀破坏掌子面土体的原有应力之后，进一步切削掌子面土体。切刀的主要磨损原因是在切削掌子面时切刀与掌子面不断摩擦导致刀刃合金磨损，刀高减小，造成切刀磨损。切刀磨损严重时无法快速切削土体，导致推进速度变慢，容易造成超挖现象。
（3） 边缘刮刀磨损。边缘刮刀的功能是在掘进过程中保障盾构刀盘的开挖直径，保证盾构机顺利通过开挖面。边缘刮刀的主要磨损原因是在刀盘转动过程中边缘刮刀与周围土体不断摩擦导致边缘刮刀磨损，边缘刮刀磨损严重时无法保障盾构刀盘的开挖直径，盾构掘进时推力增大，掘进速度变慢，容易造成超挖现象。
（4） 保径刀磨损。保径刀的功能是保障盾构刀盘的开挖直径，保证盾构机能够顺利通过开挖面。保径刀的主要磨损原因是在盾构掘进过程中随着刀盘的不断转动与周围土体不断摩擦导致保径刀磨损。保径刀磨损严重时无法保障盾构刀盘的开挖直径，盾构推进时的推力增大，掘进速度变慢，容易造成差超挖现象。
2.2 刀盘外圈磨损机理
刀盘外圈主要起到保证开挖直径、使盾体能够顺利通过的作用。刀盘外圈磨损的主要原因是外圈刀具离中心较远， 在转动过程中线速度最大，切削路线长，所以磨损较大。刀盘外圈磨损严重会导致刀盘开挖直径减小、进而磨损切口环，掘进效率下降，在不断扰动地层过程中易出现地面沉降。
2.3 刀盘正面磨损机理
刀盘正面主要起到对掌子面的支撑功能。刀盘正面磨损的主要原因是在盾构掘进过程中刀盘对掌子面支撑的同时也受掌子面的压力，在刀盘转动过程中刀盘的正面与前方掌子面渣土一直接触并且不断摩擦从而造成刀盘正面磨损。刀盘正面磨损严重会对刀盘整体结构造成破坏，导致刀盘无法正常切削掌子面，容易造成掘进缓慢、超挖等现象。
2.4 刀盘辐板内侧磨损机理
刀盘辐板的主要功能是箱式结构用来保证刀盘的整体性，便于安装刀具，承受掌子面对刀盘的压力以及土仓的压力。刀盘辐板内侧磨损的主要原因是盾构刀盘在转动时辐板内侧与土仓内沉积渣土不断摩擦导致辐板内侧磨损。刀盘辐板磨损严重时会破坏刀盘的整体结构，从而影响刀盘的正常切削功能，导致掘进效率下降，出现超挖、沉降等现象。
2.5 渣土改良系统损坏机理
刀盘上布置了6 路泡沫管，同时兼做膨润土管路，其作用是在盾构掘进过程中向掌子面和土仓内注入泡沫和膨润土进行渣土改良，从而达到减小刀盘扭矩、实现土压平衡、减小刀盘的磨损的作用。
渣土改良系统的主要损坏原因是在掘进过程中由于刀盘前方水土压力较大，刀盘在与掌子面接触的过程中细砂从管路前方阀口内进入管路造成管路堵塞。渣土改良系统的损坏会导致渣土改良效果变差、刀盘扭矩增大、刀盘磨损加剧， 严重时可导致刀盘解体、塌方等一系列问题。
三、刀盘设计优化措施
根据刀盘的磨损机理分析结果，在刀盘设计时针对刀盘磨损原因制定了以下优化措施：
（1） 撕裂刀的优化措施。将原本的32 把撕裂刀增加到36 把，其中增加了可拆卸撕裂刀4 把，方便更换。撕裂刀刀高由原本的14cm 增高到16cm，增高了耐磨合金高度， 增强了撕裂刀的耐磨性。
（2） 刀盘刀圈的优化措施。由原设计的4 把保径刀增加到8 把，在刀盘外圈增加了5cm 的耐磨块8 个。
四、优化刀盘磨损
4.1 刀具磨损情况分析
尚贤路站~ 学府路站盾构区间贯通后，对盾构刀盘磨损情况进行测量，DZ356 掘进里程为2080m，DZ216 掘进里程为1110m，各盾构机刀盘磨损情况如下。
（1）DZ356 刀具磨损分析：DZ356 刀盘磨损（着重分析撕裂刀）最大值为2.7cm，最小值为0cm，磨损平均值为1.17cm，最可能磨损量在0.5~1.5cm。以上数据标准差S=0.8664，接近于1，表明数据收敛性好。
根据散点图拟合线性方程：W=0.0008R-0.7832（W 为磨损量；R 为轨迹半径），可以看出，当刀盘刀具行走轨迹由内向外逐步增大时，磨耗量也逐步增加，刀具耐磨合金崩角情况也多发生在外圈。
（3）DZ216 刀具磨损分析：DZ216 掘进里程1110m，相比DZ356 少1000m，刀盘磨损量明显大幅减少，其磨损最大值为0.8cm，最小值为0cm，磨损平均值为0.35cm，最可能磨损量在0.1~0.5cm，以上数据标准差S=0.8426，接近于1，表明数据收敛性好。
据刀具的运行轨迹，刀具的不同轨迹的运动周长与轨迹半径成正比，即S=2πR；理想情况下不同轨迹半径的刀盘磨损量与其运行周长成线性关系，即W ∝ 2πR；数据拟合与理论分析相符，即可得W=δR+A。其中δ 为刀盘磨损与刀具布置半径的调整系数，与地质情况的变化、掘进参数的控制以及渣土改良方案相关；A 为磨损数据浮动调节，与刀具的质量、设计刀高与刀具的整体布置相关。
根据本文两个区间的刀具磨损分析，在全断面富水砂层中刀具的磨损拟合方程δ 系数取0.0003~0.0008。
4.2 刀盘磨损分析
DZ356 刀盘外圈耐磨块磨损比较严重，磨损最大值1.25cm，最小值为0.85cm，平均磨损值为0.96875cm；DZ216 刀盘外圈耐磨块磨损较小，磨损最大值为0.425cm，最小值为0.1cm，平均磨损值为0.208cm；在对刀盘检查过程中发现在DZ356 刀盘撕裂刀S6 底座处有一处裂纹，经调查出现裂纹原因是在撕裂刀焊接过程中由于集中焊接导致底座处热应力大，从而导致刀盘出现裂纹。
DZ356 在掘进完成2080m 后撕裂刀磨损范围0.5~1.5cm， 切刀磨损范围 0.1~0.4cm，刀盘外圈耐磨块磨损范围0.85~1.25cm。DZ216 在掘进完成1110m 后撕裂刀磨损范围0.1~0.5cm，切刀磨损范围0.1~0.6cm，刀盘外圈耐磨块磨损范围0.1~0.4cm。两者相比，在相同地层中掘进、掘进里程翻倍的情况下，刀盘磨损量明显不只是简单的倍数关系，而要高于这个数，表明DZ356 盾构机刀盘在后半段掘进中刀具磨耗速率有一定比例的上升。同时可以看出刀盘刀具离中心越远，轨迹半径越大磨损越大，在刀盘设计时可适当增高刀盘外圈刀具的耐磨合金高度。
五、 结 语
本文以西安地铁十四号线SGZCB-1 标尚贤路站- 学府路站盾构区间的盾构刀盘为实践，通过对刀盘磨损的机理进行分析确定刀盘磨损原因，提出了相应的优化措施，并验证了优化措施可以满足盾构机在全断面富水砂层中长距离掘进时对刀盘的要求，为相同地层的地铁盾构施工提供了参考和借鉴。
作者简介：张涛（1989-），男，陕西乾县人，西安市轨道交通集团有限公司工程师，研究方向：地铁建设。
参考文献
[1] 廖云洋. 盾构复合地层掘进刀具的保护技术研究[J].
工程建设与设计，2019（24）：79-82，118.
[2] 张云鹤，刘烁，马岩，杨春梅，刘旭东. 数控微米刨切试验台的设计与试验[J]. 林产工业，2019，46（01）：30-34.
刊登于《中国高新科技》2021年第4期
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