浅谈全断面硬岩(花岗岩)盾构掘进刀具的选择与更换
浅谈全断面硬岩（花岗岩）盾构掘进刀具的选择与更换
工程概况
广州市轨道交通七号线一期工程南村站～中间风机房（不含）盾构区间，线路纵断面为下坡，最大坡度为26‰，线路埋深12.04m～36.73m，隧道顶覆土7.86m～32.55m。根据地质勘察资料，隧道主要穿行于<6>全风化泥质粉砂岩、<7>强风化泥质粉砂岩、<8>中风化泥质粉砂岩、<6Z>全风化混合花岗岩、<7Z>强风化混合花岗岩、<8Z>中风化混合花岗岩和<9Z>微风化混合花岗岩等。
盾构区间左线长1678.269m，穿越<8Z>中风化混合花岗岩、<9Z>微风化混合花岗岩及其混合岩地层为962.57m，占左线线路的57.35%；区间右线长1703.560m，穿越<8Z>中风化混合花岗岩、<9Z>微风化混合花岗岩及其混合岩地层为776.806m，占右线线路的45.6%。隧道穿越硬岩地质情况见表1.1。
表1.1 隧道穿越硬岩地质情况
根据地质钻孔资料：
<8Z>中风化混合花岗岩：灰黄、褐黄，细粒花岗变晶结构，条带状构造。裂隙发育，岩体破碎，岩芯呈碎块状局部短柱状，岩质较硬。天然单轴极限抗压强度值为11.43～58.30Mpa，平均值为26.76Mpa。
<9Z>微风化混合花岗岩：浅灰、灰白、青灰，花岗变晶结构，条纹、条带构造。局部裂隙较发育，岩芯呈柱状，局部机械破碎呈碎块状，RQD为50～90%，岩质坚硬。天然单轴极限抗压强度值为为
26.4～107.3Mpa，平均值为73.0Mpa。
盾构机情况
根据本工程线路情况及地层特性，经综合考虑比选，选用德国海瑞克公司生产的直径6280mm的复合式土压平衡盾构机。两台盾构机均为液压驱动式土压平衡盾构机，具有高转速、大推力和大扭矩的特点，盾体中盾和尾盾之间采用铰接连接，便于在曲线上掘进。盾构机配备有适用该标段地层掘进的刀具、渣土改良系统、完善的人仓和保压系统、同步注浆系统，且人仓位于中隔板的上部，以方便刀具更换。
在硬岩段掘进中，盾构机布设的刀具为35把滚刀（31把单刃滚刀，4把双刃滚刀），64把齿刀、8把边刮刀和1把超挖刀，滚刀有高度耐磨的切削环，完全满足在硬岩掘进的需要，刀盘的形状采用防堵塞设计，刀具型式和安装位置便于切割岩石。
刀具的选择
刀具是盾构施工的重要部件，在盾构施工时，选用什么样的刀具通常取决于盾构机掘进通过的地层条件。在硬岩条件下盾构机破岩主要靠盘型滚刀，刀盘旋转带动刀具扫过开挖面，滚刀对围岩的挤压使得
岩层表面形成裂纹继而与掌子面脱落，实现岩层的成功破碎。
3.1滚刀刀圈的材质
滚刀刀圈的材质是滚刀能否胜任掘进硬岩的关键，一般有以下4种类型的刀圈。
耐磨层表面刀圈
适用于掘进硬度40Mpa的紧密地层，硬度80～100Mpa的断裂砾
岩、砂岩、凝灰岩及砂性土等地层。
标准钢刀圈
适用于掘进硬度50～150Mpa的砾岩、大理石、砂岩、灰岩及有石块的地层。
重型钢刀圈
适用于掘进硬度120～250Mpa的硬岩，硬度80～150Mpa的高磨损岩层，如花岗岩、闪长岩、斑岩、大理石、蛇纹石及玄武岩等地层。
镶齿硬质合金刀圈
适用于掘进硬度高达150～250Mpa的花岗岩、斑岩、玄武岩及石英等地层。
dnf狱岩石武器结合本标段的地质情况，在硬岩中掘进选择重型钢刀圈滚刀。
3.2滚刀直径
滚刀按刀圈外径规格一般分为12"、15.5"、17"及19"等系列，施工实践表明，17"单刃滚刀（外径432mm）可以较好的用于掘进硬岩地层，刀圈高于刀盘面板175mm，其刀圈可以更换，根据岩石的强度可以选用破岩能力不同的刀圈。
3.3滚刀厂家的比选
本标段使用了洛阳九久、沪马、庞万力等厂家生产或维修的滚刀，通过对硬岩掘进中刀具的更换数量、刀具的磨损情况等进行分析，选择适合本标段的刀具厂家，并在施工中选择合理的掘进参数，确保盾构在硬岩中顺利掘进。
右线在YDK17+581.89（对应274环、<7Z>地层）进行了全盘刀具
的更换，刀具为洛阳九久生产的刀具，恢复掘进后穿过全断面<7Z>和<7Z><8Z><9Z>的混合地层进入<8Z><9Z>地层，掘进到363环开仓换刀。在YDK17+669.405～YDK17+856.902段，对应环数为361～4
87环，隧道基本处于全断面中、微风化混合花岗岩地层中，共换刀5次。刀具更换情况见表3.1。YDK17+669.405～YDK17+856.902段地质断面图见图3.1。
表3.1检查更换刀具情况
图3.1 YDK17+669.405～YDK17+856.902段地质断面图
由表3.1、图3.1可知，洛阳九久的刀具在混合岩段掘进63环，刀具更换28把单刃滚刀，平均2.25环/把；沪马刀具在硬岩段掘进62环，刀具更换26把单刃滚刀，2把双刃滚刀，平均2.21环/把；庞万力刀具在硬岩段掘进62环，刀具更换27把单刃滚刀，2把双刃滚刀，平均2.14环/把。经综合比选后选用沪马刀具厂家生产和维修的刀具。
刀具磨损原因分析及应对措施
4.1刀具磨损原因分析
盾构在全断面硬岩中掘进，刀具磨损常见形式有：均匀磨损、偏磨、崩刀圈、刀圈脱落等，见图4.1所示。
a) 均匀磨损 b) 偏磨
C) 崩刀圈 d) 刀圈脱落
图4.1 刀具磨损、损坏情况
通过现场施工观察及分析，刀具磨损原因如下：
掌子面岩面强度大，且石英含量高达40～45%，对刀具磨损量大，同时刀具与硬岩摩擦产生大量的热加速刀具的磨损，掌子面情况见图4.2；
刮刀出现磨损、脱落、崩裂等，特别是刀盘外周的刀具磨损严重，见图4.3，以至于滚刀破岩后岩石无法正常刮落，辅助刀具对滚刀保护基本失去作用，导致滚刀受损严重；
刀具螺帽发生松动现象，甚至螺杆出现脱落，此时继续掘进时，松动的刀具随着刀盘转动，刀轴也会跟着抖动造成刀具无法正常受力破岩，从而影响刀具寿命；
盾构姿态不均衡，在调节姿态时各分区油缸压差过大，使整个刀盘面受力不均，导致在转动刀盘时刀具在不同位置受到的阻力扭矩不同，刀具旋转不均匀，引起刀圈偏磨；
海瑞克盾构机边缘滚刀（31#-39#）布置较为薄弱，每个边缘轮廓轨迹上只有一把刀具，一旦发生刀具损坏，易引起周边刀具连锁性破坏。
图4.2 开仓掌子面情况
图4.3 刮刀磨损严重
4.2应对措施
盾构在全断面硬岩中掘进时，采用敞开式掘进模式，加快螺旋机转速，减少土仓内的积土，通过向掌子面注入泡沫，降低刀具温度，润滑刀具，以此减少对刀具的影响；
将刀具螺母全部更换为自锁螺母，垫片更换为阴阳子母垫片，防

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