富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术研究
磨损严重区域
图3.8 刀盘上磨损最严重的滚刀位置
3.3.2砂卵石地层受力滚刀磨损的分析
对于在该砂卵石地层，由滚动受力示意图4.8可以看出，阻止滚刀转动的力矩主要由三部分组成，土仓内渣土的摩擦阻力力矩、刀箱内的渣土的阻力力矩和滚刀的启动力矩（大小为30～50N·m）。
T阻?T土仓＋T刀箱＋T启动 （3.3）
图3.9 滚刀与砂卵石地层的作用
但在该种松散砂卵石地层，由于阻力力矩有三部分组成当滚刀的转动力矩小于阻力力矩时，滚刀便不能转动即：
T转?T租 (3.4)
图3.10即为滚刀实际堵塞不能转动时的照片。
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图3.10 滚刀刀箱内渣土结块的情况
经分析，造成滚刀不转动的原因有以下几点：
（1）开挖面松散，不能给滚刀提供足够的反力，因此不能提供足够大的转动力矩T转；
（2）刀箱内渣土的结块、结饼，使得滚动的阻力力矩T租增大；
（3）由于掘进松散带的存在，刀鼓直接和松散带的卵石接触，经过卵石的撞击，造成了主轴承的启动扭矩增大，从而造成T租加大，使得转动困难； （4）由于滚刀的长期不转动，使得砂卵石对其一个方向发生摩擦，从而造成滚刀的严重偏磨。
3.3.3 刀盘侧面部位滚刀磨损严重的分析
PFC离散单元法的计算发现，在盾构掘进过程中，由于刀具、面板和工作面的相互作用，在工作面前方形成了一明显的“结构松散带”，如图3.11所示。土仓内部颗粒之间的粘结力已经被破坏的区域，而刀盘松散带之前的原始地层是粘结还完好的；而在刀盘前方的一个区域，由于刀盘刀具的挤压、扰动，形成了一个“过渡带”，即“结构松散带”。在该区域大部分的bond已被破坏，地层失去原始的粘接力，呈现出结构松散的特性。而盾构掘进时，刀盘、刀具直接和这一松散带相互作用，因此，相对于传统的也就使在该地层中的EPB掘进机理发生了变化，其中刀盘上滚刀如图3.12所示哦，侧面单侧滚刀如图3.13所示。
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图3.11 松散带示意图
图3.12 刀盘上正面滚刀和侧面滚刀 图3.13 侧面单刃滚刀受力
从图3.11可以看出，在刀盘的前上方存在一松散带，该部位正好对应了刀盘上弧部部位的滚刀。又有结构松散，不能给刀具提供足够的转动扭矩。同时，侧面该位置刀鼓暴露几率大，并且侧面位置线速度高，因此，该位置刀鼓很容易受卵石撞击从而，使得滚刀启动力矩更大。
双刃滚刀在该地层中，滚刀受力面积大，有利于增大转动力矩，同时刀鼓暴露面积减少，有利于保护刀鼓，如图3.14所示。
图3.14 侧面双刃滚刀受力
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3.3.4 中心滚刀偏磨原因分析
刀盘中心部位旋转的线速度小，渣土流通不畅，同时，根据离散元计算结果，在土仓内及工作面的水平土应力分布上，在中下部出现了应力凸起现象，如图3.15所示。
图3.15 离散单元法计算的沿土仓竖向水平应力分布图
因此，应力较大极易引起在中部的土体的固结，造成刀盘的“结饼”，如图3.16所示。
中心结饼
图3.16 刀盘中心结饼
在结泥饼的情况下，滚刀刀箱被堵住，因此使得T刀箱和T土仓增大，因此T阻 增大，大于了T转，使得滚刀不能转动，因此，中心部位滚刀磨损严重的主要原因为刀盘中心结泥饼。
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3.3.5滚刀的适应性设计建议
鉴于以上的分析和磨损的实际情况的验证，在盾构的设计中应根据滚刀在该砂卵石地层中的作用特点对滚刀的设计进行改进及提高。对于滚刀的适应性设计主要有以下几个方面：
（1）尽量使用双刃滚刀，这样可以增大刀圈和开挖面的接触面积，可使转动扭矩增大；
（2）可使用带齿的刀圈。在滚刀刀圈上镶嵌合金钢，以增大刀圈和开挖面接触时的摩擦系数，因而起到增大转动扭矩的效果；
（3）减小滚刀的启动扭矩。若启动扭矩过大，也会给滚刀转动带来困难，因此，在保证滚刀轴承密封安全条件的允许下，可适当降低滚刀的启动扭矩； （4）对刀箱内空隙进行改造。减小刀箱深度，同时采取倒喇叭形状，有力
与渣土的流动，不至于聚集于刀箱内，导致
增大；
（5）对滚刀刀鼓采取加焊耐磨层防护措施，以防止刀鼓破坏使得阻力力矩增大。
3.4 刮刀磨损及离散元计算 3.4.1 单个刮刀磨损分析
单个刀具磨损照片如图3.17所示。
两侧磨损较大 两侧磨损较大 （a）
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中间磨损相对较小