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1、凿岩机械气动工具，2009（2） 南京长江隧道工程是中国长江上长度最 长、盾构直径最大、工程难度最高、挑战性最 多的工程之一，隧道为西北东南走向，起止 K3+600K6+532.756，全长2932.756m，考虑 到南京长江隧道地层不稳且地下水丰富，选 择使用泥水平衡式盾构机进行施工。 根据地 质剖面图反应的地质情况， 隧道盾构机在 5100 m处进入复合地层之后，开挖面底部出 现长度约为250m的砾砂地层， 根据盾构机 出渣情况来看，出现以下问题： （1）在进浆比重一定的情况下，相比较而 言， 进入复合地层之间， 出浆比重大幅度增 加，并且随着砾砂层的增加而增加。 （2）出浆比重增大，导致
2、P2泵出口压力 相应增大， 目前给P2.1，P2.3泵带来了较大 压力。 （3）刀盘扭矩增大，并且波动变大。 扭矩及其波动的增大， 出浆比重的大幅 增大，使我们对刀具的磨损产生了担忧。如果 不采取措施优化掘进参数1，有可能导致刀 具磨损超过限值而不得不更换刀具， 而泥水 盾构机在这种工况中一般不具备换刀条件， 即使需要更换刀具， 也需要预先采取加固措 施，耗时长，成本高。 因此，在砾砂地层掘进 中，科学分析盾构刀具磨损产生的原因、影响 刀具磨损的因素，采取措施优化掘进参数，最 大限度地减少因刀具磨损超过限值而更换刀 具成为首先要解决的问题。 1刀具磨损分类 1.1初次磨损 初次磨损发生在刀具切
3、削围岩的直接接 触过程中， 物粒间的粘结力影响刀具切削土 壤的物理作用。根据以往经验，颗粒间的粘结 力越高，刀具的消耗就越高，南京河床下的泥 土中有软质颗粒结合物，粘性较低，因此容易 切削， 对于目前已完成的掘进主要是淤泥质 粉质粘土层和淤泥质粉质土夹粉土层， 很明 显的，没有造成明显的初次磨损。但在隧道掘 进5100m之后，有一段250m左右的砾石层， 会造成刀具的初次磨损较大， 估计磨损形式 主要为撞击导致的刀具硬质合金崩裂2 ，图 1 为刮刀的典型初次磨损（崩齿）。 1.2二次磨损 二次磨损则是由于碴土沿金属刀具流动 而带来的磨损。 对于刀具磨损来说最硬的矿 浅谈南京长江隧道砾砂层盾构刀
4、具的保护 陈鹏 （中铁十四局集团有限公司 隧道分公司，山东 济南250002） 摘要： 对南京长江隧道泥水平衡式盾构机在穿越长江砾砂地层时的盾构刀具 磨损进行了分析。介绍了影响盾构刀具磨损的主要因素，并以南京长江隧道掘进砾 石地层为例进行计算。 关键词：盾构刀具；磨损；掘进参数 中图分类号：U455.3+1 文献标识码：B 图1刀具的初次磨损 崩齿 45 凿岩机械气动工具，2009（2） 物就是石英，而江底细粉砂层的石英含量较 高， 会使刀具产生较明显的二次磨损。 在 5100m之后的250m的砾石层中， 砾石也会 对刀具产生较大的二次磨损。 因此，南京项 目中，针对砾石地层，估计初次磨损不是
5、很重 要，而二次磨损则在刀具使用寿命中扮演一 个很重要的影响角色。 图2所示为刀具的二 次磨损。 2影响刀具磨损的因素 2.1刀盘转速 一般而言，在较硬的地层中，基于掌子面 较稳定，刀盘对土体的扰动可以忽略，提高转 速是在维持相当掘进速度的情况下降低锥入 度的一种手段，应选择较快的刀盘转速。但在 其他参数（锥入度，推进速度）一定的情况下， 单纯分析刀盘转速对刀具磨损的影响， 高转 速对于刀具的磨损无疑是不利的。因为，高转 速必然使刀盘上的刀具产生更大的线速度， 线速度增大， 一方面会增大刀具与掌子面上 的石块的撞击力， 刀头上耐磨但是脆性大的 合金刀头容易崩裂， 导致刀具的一次磨损增 大；另一
6、方面，刀具总的运转历程增大，也会 增大刀具的二次磨损。 因此，相同的条件下， 从保护刀具、减少刀具磨损出发，刀盘转速应 当选择小的数值。 2.2锥入度 锥入度代表刀具切入掌子面的深度，在 其他参数（刀盘转速，推进速度）一定的情况 下，锥入度增大，则刀具受力增大，刀盘扭矩 变大，不利于刀具保护和推进。 因此，一般应 当选取小的锥入度。 2.3刀盘扭矩 刀盘扭矩直观地反应了刀盘与掌子面之 间作用力的大小，明显的，作用力越大，则对 刀具和刀盘的磨损就越大，所以，在其他条件 一定的情况下，应当使扭矩尽可能的小。降低 扭矩最直接的途径就是减小锥入度。 2.4推进速度 在刀盘转速一定的情况下， 推进速度的
7、 改变会直接反映到锥入度的变化上， 并立即 体现在刀盘扭矩的变化上。所以，刀盘转速一 定的情况下，推进速度应当取小值。但是推进 速度的减小应当以不影响正常进度为前提。 2.5泥水质量 虽然在盾构刀具逐渐磨损过程中加入任 何液体物质都会改变磨损的机械性质， 泥水 起到润滑作用， 磨损颗粒就可能顺着滑落而 不会产生较大破坏作用，从而保护了刀具。由 于泥水内物质的流动， 泥水流动带来的冲刷 通常会加速盾构刀具的二次磨损过程， 泥水 密度越大，加剧过程越明显，因此通常情况下 密度不能超过1.4103kg/m3。 3实例 以南京长江隧道掘进砾石地层为例进行 分析。 已知Pmax=50，L=2000mm，
8、D为刀盘最 外缘直径。根据现场实际情况，为了维持每班 4环的理论进度， 每环掘进和拼装的总时间 不能超过3h， 拼装时间基本稳定在80- 100min， 因此， 掘进的时间不能超过80- 100min。通过以上单项因素的分析，为了保护 盾构刀具， 减少刀具磨损， 应当使刀盘转速 n，锥入度P，推进速度V都尽可能小。 但是， 这里存在一个反比的关系：P=V/n， 所以，我 们不可能使这3个参数同时变小， 而只能寻 求一个最佳平衡点。 考虑进度， 对推进速度V的控制，V应 当越大越好， 但是V一旦增大， 为了保证P 图2刀具的二次磨损 46 凿岩机械气动工具，2009（2） 最近，兖州矿业（集团）
9、公司南屯煤矿煤矸石热 电厂对双螺杆空压机的运行及维护技术进行了总结 与分析，对国内同行具有很好的参考价值。 该厂的三期、四期工程共配套12台英格索兰空气 压缩机，自2002年以后分别投入运行。 其中，6台为水 冷机组，用于煤泥雾化风、检修和仪表用风；6台为风冷 机组，用于除灰用风、石灰石粉输送用风。运行环境。 最好是封闭式机房，有轴流风机保持室内通风。否则，空 气压缩机的进气滤芯更换非常频繁。风冷式机组最好将 冷却风引至室外。该厂除灰用空气压缩机在初运行时便 出现这个问题，热风在室内循环，造成室内温度过高，机 组超温停机。维护经验是：空气滤芯是影响空气压 缩机效率的主要因素。其堵塞的程度直接影
10、响空气压缩 机出力，要经常检查滤芯的堵塞程度。 英格索兰空气压 缩机一般在控制面板或空气滤芯壳体上有滤芯压差报 警。 出现报警时要及时更换空气滤芯，更换时要将滤芯 壳体内的油污等清理干净。定期排水。 空气压缩机在 停运24 h后，由油气分离器底部的放油口处放油，将沉 积在底部的水及杂质排放出来， 直至看到干净的油 为止。定期检查压力控制器、排气电磁阀、回油管、 最小压力阀等。 压力控制器和排气电磁阀的故障会 引起空气压缩机排气管内漏。 用手接触排气管，在空 气压缩机加载时，若管道烫手则说明内漏。 回油管的 作用是将不断沉积在油气分离器芯底部的油利用压 差的作用抽回到主机回油口。 回油管不畅会导
11、致排 气含油量过高、油耗增加。 在空气压缩机运行时，用 手接触回油管， 若回油管温度与油气分离器温度差 别较大，说明回油管不畅或回油管过滤器堵塞。 最小 压力阀， 保证空气压缩机系统中油气分离器内始终 有形成油循环的最小压力，同时具有逆止功能，防止 管网中的压缩空气向分离器内倒灌。 若空气压缩机 在运行中突然出现加载、 卸载频繁， 而且卸载时间 长、排气量大，说明最小压力阀损坏。 （兖州矿业集团设计研究院李剑峰 报道） 双螺杆空压机运行及维护技术 不增大或不超限，必须增大n ，而 n的增大是 我们不希望的。 所以，为了降低n和P，必须 降低V，以不影响进度为前提，可得 Vmin=L/Tmax=
12、2000/100=20mm/min Vmax=L/Tmin2000/80=25mm/min 掘进时间不超过80min，即推进速度不能 低于25mm/min，否则将影响进度。 锥入度P的 最大值不允许超过50，得刀盘转速最佳，n=Vmin /Pmax=25/50=0.5rpm。 每环掘进时间T=2000/30= 6min，取刀盘最外缘刀具总行程S为 S=nD60T =nD602000/V=D602000/（V/n） 将P=V/N代入上式，锥入度P取Pmax=50 时，边缘刀具的单环行程最短，代入上式得： Smin= D60 40。 在实际的推进中，推进速 度受出浆比重的影响较为严重， 暂设定V=
13、 30mm/min， 出浆比重可控制在1.351.38 ，则 N=V/P =30/50=0.6 rpm，实际中为了维持较小 的锥入度，我们将刀盘转速设定为1.0rpm。 4结论 对于砾石层中的磨损加大和二次磨损加 剧，可以采取如下措施降低磨损以保护刀具： （1） 避免了由于高速运转和大锥入度导 致的一次磨损，在掘进时降低推力，降低刀盘 转速，使刀盘转速尽量维持在1rpm，减少刀 具的锥入度，将锥入度维持在30左右，这样 可以保持2030mm/min的掘进速度，不会对 进度产生影响。 （2）严格控制刀盘扭矩，参考在淤泥质粉 质粘土层和细粉砂层中的刀盘扭矩数值，尽 量使刀盘扭矩靠近这两个地层中的扭矩值。 这样也可以降低一次磨损。 （3）降低进浆比重，加大进出泥浆流量， 将出浆比重控制在1.351.38， 严禁 超 过 1.40，以减少石块在土仓内的停留时间，降低 二次磨损。 参考文献： 1张明富，袁大军，黄清飞 等.砂卵石地层盾构刀具 动态磨损分析J.岩石力学与工程学报，2008，27 （2）：397402 2邹积波.盾构刀具磨损原因探析J.建设机械， 2003，11：5758 （收稿日期：2009-2-16） ! 47