廈門軌道交通2號線跨海段盾構滾刀磨損與更換預測

許黎明, 楊延棟, 周建軍, 陳 饋， 蔡光遠

(1. 廈門軌道交通集團有限公司， 福建 廈門 361001； 2. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

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廈門軌道交通2號線跨海段盾構滾刀磨損與更換預測

許黎明1, 楊延棟2, 周建軍2, 陳 饋2， 蔡光遠1

(1. 廈門軌道交通集團有限公司， 福建 廈門 361001； 2. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

對盾構法施工跨海隧道，有效降低由于滾刀磨損所帶來的作業風險并有計劃地進行滾刀更換十分重要，針對廈門軌道交通2號線跨海段地質條件，基于理論預測模型和實驗預測模型對幾類巖石條件下滾刀的換刀距離進行了預測。通過分析刀具更換工法的適應性，提出對廈門軌道交通2號線跨海段換刀位置與換刀工法的建議： 1)淤泥段采用切削類刀具，換刀方式采用常壓開艙換刀，換刀位置在1#聯絡通道附近； 2)全強風化低壓段采用盤形滾刀，換刀方式以帶壓進艙換刀為主，在該掘進段需要換刀4次，其中第3次在大兔嶼1#中間風井處更換，其余3次均在海底更換； 3)全強風化高壓段采用盤形滾刀，在該掘進段需要換刀4次，換刀方式以飽和氣體帶壓進艙換刀為主； 4)中微風化硬巖段采用盤形滾刀，在該掘進段需要換刀3次，換刀方式以減壓限排換刀為主。

跨海隧道； 滾刀磨損； 磨損預測； 滾刀更換； 換刀方式

0 引言

刀盤刀具磨損已成為盾構法施工跨海隧道所面臨的挑戰之一[1-2]。滾刀磨損后若不能及時更換，容易導致刀具、刀盤甚至盾構設備損壞，繼而因刀具更換或維修引起嚴重的工期延遲，造成項目投資成本增加[3]。對于廈門軌道交通2號線跨海段盾構施工存在同樣的挑戰和風險，因此在盾構施工之前有必要通過理論和實驗的方法來評價巖土的磨蝕性、預測滾刀的磨損量并選擇合適的換刀位置，從而指導工程進度和成本預算，規避和減小施工風險。

目前，對于滾刀磨損的預測問題，國內外專家和學者已開展過針對性研究。G.Wijk[4]提出了滾刀掘進距離與巖石CAI值的平方成反比的滾刀壽命預測模型； A.Bruland[5]利用通過巖石鉆孔Siever’s實驗確定的SJ系數和通過巖粉磨蝕實驗確定的AVS(或AV)巖石磨耗性系數，建立了NTNU模型來預測刀具的壽命；張照煌等[6]利用弧長磨損系數預測盤形滾刀的壽命；楊媛媛等[7]基于圍巖的分類等級預測滾刀的磨損；王瑤等[8]根據滾刀的運轉距離預測滾刀的壽命；魏南珍等[9]根據滾刀的安裝位置即滾刀刀位號預測滾刀的磨損。

上述研究中得出的用于滾刀磨損預測的方法，為廈門軌道交通2號線跨海段刀具磨損與更換預測提供了思路，但由于這些方法的局限性，均未能得到廣泛地應用。在此基礎上，本文提出理論分析結合實驗指標的刀具磨損預測方法，并通過相互驗證提高預測的準確性。通過滾刀磨損機制分析，建立模型并對滾刀磨損進行初步預測；通過現場巖樣的磨蝕性實驗建立巖石的磨蝕性指標，基于實驗結果預測滾刀的磨損量；最后在理論預測結果與實驗預測結果基礎上，結合跨海段地質條件的實際情況，對滾刀更換的位置和工法提出建議。

1 跨海段工程概況

廈門軌道交通2號線跨海段主要連接海滄大道站和東渡路站，區間采用復合式泥水平衡盾構施工。區間設2座中間風井(1#和2#風井),分別位于大兔嶼和廈門本島內側,采用礦山法開挖; 設3座獨立的聯絡通道，均位于海底，采用凍結加固后礦山法施工。跨海段工程平面圖如圖1所示。

廈門軌道交通2號線工程跨海段區間長約2 500 m。據初步統計，盾構穿越基巖、半巖半土、基巖全(強)風化層的長度分別為532.5、100、1 935.5 m，分別占掘進長度的20.7%、3.9%、75.4%。穿越海底段地層起伏大，最小覆土厚約8 m，最大覆土厚約60 m，最大水壓約0.55 MPa。

圖1 廈門軌道交通2號線跨海段工程平面圖

工程基巖波動起伏大，有巖石礁盤吐露，又有風化深槽下切且無規律性。海滄側為燕山期侵入花崗巖；廈門島側為凝灰熔巖；中部為淺變質的泥巖、粉砂巖、細砂巖和板巖等，局部為黑云母安山巖。巖石最大抗壓強度達90 MPa，石英含量不超過50%。跨海段的工程地質如圖2所示。

圖2 廈門軌道交通2號線跨海段工程地質示意圖(單位: m)

2 滾刀換刀工法及適應性

現階段盾構滾刀均采用背裝式安裝，應用于滾刀更換的工法主要包括： 常壓開艙換刀、帶壓進艙換刀、飽和氣體帶壓進艙換刀和減壓限排換刀等。

2.1 常壓開艙換刀技術

在地層比較穩定、無大量地下水涌出且無有毒氣體存在的情況下，一般采用常壓開艙換刀。在條件允許的情況下，對于開挖面地層穩定性差或者地下水較豐富的地層，應預先將刀盤開挖面進行加固，實施降水和防水措施，使開挖面具有一定的強度和穩定性，然后開艙對刀盤刀具進行檢查和更換。對不加固地層進行常壓開艙換刀，每次換刀顯性成本低，但地面坍塌風險大，換刀時間不易控制；對盾構前方土體加固后進行常壓開艙換刀，換刀人員的安全有保障，換刀時間較短，地面坍塌的風險較小，但需要對換刀位置進行圍蔽，給交通帶來不便。

常壓開艙換刀的優點： 可以提供較為寬敞和穩定的修復空間，便于換刀工作的順利開展；可以進行焊接和氣割等工作，是最常用的徹底修復刀盤刀具的可靠方法。常壓開艙換刀的缺點： 對于開挖面地層穩定性差或者地下水較豐富的地層，進行常壓開艙換刀時，需要從地面進行地層加固，甚至開挖豎井，影響交通； 工期較長，投資較大。

2.2 帶壓進艙換刀技術

對于氣密性不良的地層，需對刀盤前方開挖面進行土體改良加固處理。在保證刀盤前方及周圍地層滿足氣密性要求的條件下，利用盾構上配有的空氣壓縮機，通過供氣系統將高壓氣輸送到開挖面，并逐步置換密閉艙內的渣土或泥漿，以氣壓代替土壓或泥水壓力。根據對開挖面中心水土壓力的計算，通過氣體壓力調節系統設定氣體壓力來穩定開挖面。開挖面保壓成功后，通過控制閘門來實現人員進艙，并在設定氣體壓力狀態下進行檢查、更換刀具及排除工作面異物等工作。

帶壓進艙換刀優點： 洞內加固，不占用地面，對周圍環境影響小；加固效果好，地面不變形；加固費用相對經濟；可頻繁實施換刀。缺點： 在高壓環境下進行氣割和焊接等作業相當困難，難以對刀盤刀具磨損部位進行徹底修復；帶壓進艙作業工藝復雜，高壓力對人員安全有一定的影響；帶壓進艙換刀的主要風險是開挖面及上部土體失穩造成塌方或地下水涌出，對進艙人員安全造成威脅；進艙人員在加壓和減壓過程中可能造成人體傷害事故。

根據目前國內外有關壓縮空氣作業規范，如英國1996年衛生部制定的《壓縮空氣工作規范》、我國2014年頒布的CJJ 217—2014《盾構法開倉及氣壓作業技術規范》[10]等，帶壓進艙作業一般不能超過0.36 MPa，對于超過0.36 MPa的高壓空氣作業，目前國內外沒有相應的標準；我國的GB/T 12521—2008《空氣潛水減壓技術要求》[11]只適用于潛水深度在60 m以內的空氣潛水。在高壓下，作業人員呼吸的壓縮空氣中的氮氣易溶于人體組織從而引起“氮麻醉”，對作業人員造成傷害； 同時，工作壓力越高，作業人員在高壓環境下持續工作的時間將會越短，而對應的減壓時間將會大幅增加，造成帶壓進艙作業的功效降低。因此，目前國內帶壓進艙換刀的壓力一般控制在0.3 MPa以內，若高于0.3 MPa，則需要專業人員運用飽和氣體帶壓進艙技術更換刀具。

帶壓進艙換刀需要配合高性能泥漿來穩定開挖面。隨著高性能泥漿在盾構工程中的成功應用，可以利用膨潤土泥漿(或高分子聚合物泥漿)在隧道開挖面形成良好的泥膜(具有密封隧道開挖面、降低透氣性的作用)，以平衡密閉艙內壓力并保持開挖面的穩定。目前國內在壓縮空氣條件下通過利用高質量泥膜來維護掌子面穩定繼而進行帶壓進艙換刀的技術已經成熟[12]。

2.3 飽和氣體帶壓進艙換刀技術

飽和潛水是一種適用于高水壓條件下開展長時間作業的潛水方式。作為一種可使潛水員直接暴露于高壓環境下開展水下作業的潛水方式，飽和潛水已廣泛應用于失事潛艇救援、海底施工作業、水下資源勘探和海洋科學考察等軍事和民用領域。基于飽和潛水的工作原理，為了擴大帶壓進艙作業的適應范圍，國外盾構制造商聯合承包商與潛水公司開展潛水與壓縮空氣作業的相關研究，提出了飽和氣體帶壓進艙作業工法[13]。

飽和氣體帶壓進艙換刀技術是飽和潛水和帶壓進艙換刀相結合的結果，其作業原理同飽和潛水基本相同，僅僅是工作環境和所處介質不同。飽和潛水作業的工作環境為海(湖)底，介質為海(湖)水；而飽和氣體帶壓進艙作業所處環境為刀盤密閉艙。為了避免高壓情況下呼吸普通空氣引起的“氮麻醉”現象，一般將普通空氣換成惰性氣體(如氦氣)與氧氣按照比例混合的氣體。目前，采用飽和氣體潛水工作的方法可以連續工作幾天甚至幾個星期，工作效率大幅提高，擴展了帶壓進艙換刀技術在地下工程領域的應用范圍。南京緯三路過江隧道在修建時開展了0.65 MPa壓力下的飽和氣體帶壓進艙換刀作業[14]。

2.4 減壓限排換刀技術

由于帶壓進艙換刀技術具有一定的操作難度，特別是隨著壓力的增加，其難度極劇增加，進艙人員(非專業人員)的工作時間大大降低。如在0.2 MPa壓力以內，進艙人員的工作時間可以達到3 h左右；在0.2～0.25 MPa壓力下，進艙人員的工作時間在2 h以內； 而當壓力超過0.35 MPa時，進艙人員的工作時間不能超過30 min。

減壓限排換刀技術是指在掘進工作面不能自穩且地下水較為豐富的地段，通過對地層滲流場的分析，采取建立泥膜或超前注漿的措施以減小地層滲透系數，達到降低平衡壓力、保持隧道開挖面穩定且控制工作面滲流量的目標，從而提供低壓進艙的條件。通過降低進艙作業壓力，既可以保證安全作業，又可以大大提高帶壓進艙的工作效率。

減壓限排換刀常采用的措施有： 通過對滲流場的分析，確定允許的滲流量，以確保排水能力能夠滿足要求；通過建立泥膜或采取超前注漿措施，確保滲流量可控；通過建立一定的平衡壓力，分析工作面的平衡性，以確定降壓幅度；在密閉艙內建立可靠的排水措施，在排水的情況下確保艙內氣壓的穩定。減壓限排換刀技術在廣深港獅子洋海底隧道的修建中得到了應用[15]。

3 廈門軌道交通2號線跨海段滾刀磨損預測

3.1 巖樣磨蝕性實驗

為了預測廈門軌道交通2號線跨海段的滾刀磨損，通過鉆孔取芯獲取了不同分化程度的花崗巖、石英砂巖、安山巖、凝灰熔巖以及泥質砂巖的現場巖樣。通過巖石礦物成分衍射實驗獲取各類巖石的礦物成分構成，并通過文獻[16]的方法計算得到了巖石的等效石英含量；通過MTS實驗機巖石單軸壓縮實驗獲取巖石的單軸抗壓強度；通過巖石磨損性伺服儀獲取巖石的磨蝕性指標CAI值。巖石磨蝕性實驗結果如表1所示。

通過巖石磨蝕性指標CAI值可初步判斷廈門軌道交通2號線跨海段各類巖石對滾刀的磨損程度，另外從實驗結果可以看出巖石的磨蝕性與等效石英含量和抗壓強度的乘積具有一定的正相關性。

表1 巖石磨蝕性實驗結果

注： 兩項乘積為等效石英含量與抗壓強度的乘積。

3.2 滾刀磨損的理論模型預測

廈門軌道交通2號線跨海段擬采用泥水平衡盾構施工，開挖直徑7.05 m，刀盤上布置17 in雙刃滾刀4把，18 in單刃滾刀39把，共計47個刀刃。18 in刀圈允許的最大磨損量為30 mm，但一般超過25 mm即需要進行更換。根據文獻[17]建立的理論預測模型對不同安裝位置滾刀的磨損速率與換刀距離進行預測，得出不同巖性條件下滾刀的磨損速率和換刀距離如圖3所示。

從理論預測結果可以看出： 對于磨蝕性相對較高的中風化花崗巖、中風化石英砂巖、中風化泥質砂巖以及中風化安山巖，邊滾刀的不換刀掘進距離在100 m左右，正滾刀的不換刀距離掘進在200 m左右。因此建議： 1)從進入地震反射較硬巖面線到盾構出洞約440 m的全斷面硬巖段，每掘進100 m更換邊滾刀一次，每掘進200 m更換全盤滾刀一次； 2)從入海到進入地震反射較硬巖面線之前，盾構穿越的地層主要為全風化或碎裂狀強風化的泥質砂巖和變質砂巖，建議每掘進200～250 m更換邊滾刀一次，每掘進400～500 m更換全盤滾刀一次。

(a) 磨損速率預測

(b) 換刀距離預測

3.3 滾刀磨損的實驗模型預測

根據現場統計，直徑18 in刃寬3/4 in的滾刀刀圈的最大磨損質量為7.0 kg，參考滾刀質量損失率與CAI的關系[4]，根據滾刀的磨蝕性實驗分析得出

λ=0.75CAI。

式中λ表示滾刀每破巖1 m3所消耗的滾刀質量。

隨著盤形滾刀安裝半徑的增大，滾刀的磨損速率加快。根據已有地鐵盾構刀具消耗的統計結果[17]，邊滾刀累計磨損量往往有正滾刀平均累計磨損量的2倍之多，因此邊滾刀的換刀距離通常為正滾刀平均換刀距離的1/2。

根據各類巖石的磨蝕性指標CAI預測整個刀盤滾刀的換刀掘進距離，將表1中各類巖石的CAI值帶入公式求得滾刀的質量損失率；刀圈允許的最大磨損質量除以滾刀的質量損失率，計算得出單把滾刀的最大破巖量；所有滾刀的最大破巖量之和除以隧道斷面面積，得到滾刀的平均換刀距離，結果如表2所示。

從實驗預測結果來看，除凝灰熔巖外，其他巖石平均換刀距離為200～300 m，邊滾刀換刀距離為100～150 m。由此得出以下建議： 1)從進入地震反射較硬巖面線到盾構出洞約440 m的全斷面硬巖段，每掘進100 m更換邊滾刀一次，每掘進200 m更換全盤滾刀一次； 2)從入海到進入地震反射較硬巖面線之前，盾構穿越的地層主要為全風化或碎裂狀強風化的泥質砂巖和變質砂巖，建議每掘進200～250 m更換邊滾刀一次，每掘進400～500 m更換全盤滾刀一次。

表2 基于實驗預測模型的滾刀換刀距離

Table 2 Prediction results of disc cutter replacing places based on testing prediction model

巖石類別風化程度CAI/mm平均換刀距離/m邊滾刀換刀距離/m花崗巖石英砂巖安山巖凝灰熔巖泥質砂巖微風化0.410200.9100.5中風化0.391220.9110.5微風化0.390222.0111.0中風化0.383230.2115.1微風化0.338295.6147.8中風化0.328313.9156.9微風化0.205803.6401.8中風化0.187965.7482.8微風化0.341290.4145.2中風化0.338295.6147.8

4 廈門軌道交通2號線跨海段滾刀更換的位置與工法建議

根據理論和實驗2個方面的刀具磨損初步預測結果，將跨海段(約2 500 m掘進距離)劃分為4個區段進行研究。

4.1 淤泥掘進段

盾構從海滄大道側始發，至1#聯絡通道入海之前，該掘進段長約350 m，盾構主要在淤泥中掘進，地層對刀具的磨蝕性低，不換刀掘進距離可達500 m以上。

該掘進段刀具配置建議采用全盤軟土刀具。由于滾刀在淤泥地層中掘進時往往達不到滾刀的啟動扭矩且易結泥餅，導致滾刀偏磨，因此不宜采用盤形滾刀。該掘進段主要為陸地段，掘進結束后在1#聯絡通道附近可對地層進行加固，換刀方式建議采用常壓開艙換刀，將全盤軟土刀具更換成全盤滾刀，為進入全風化或碎裂狀強風化段并開始全面入海做好準備。

4.2 全強風化低壓段

從1#聯絡通道全面入海到大兔嶼進入主航道海域之前，該掘進段長約860 m，地層主要以全強風化花崗巖、變質砂巖和泥質砂巖為主，巖石風化程度高。根據理論與實驗預測結果，該掘進段建議每掘進200～250 m更換邊滾刀一次，每掘進400～500 m更換全盤滾刀一次。

該掘進段需換刀4次，其中第3次在大兔嶼1#中間風井處更換。由于大兔嶼1#中間風井采用礦山法施工，可以提前進行地層處理，故可采用常壓開艙換刀；其余3次均在海底換刀，但由于埋深和水深均淺，進艙壓力小于0.3 MPa，屬于低壓區，換刀工法可采用帶壓進艙換刀。在4次換刀中，第1次和第3次更換邊滾刀，第2次和第4次更換全盤滾刀。

4.3 全強風化高壓段

從大兔嶼進入主航道海域到進入地震反射較硬巖面線之前，該掘進段長約870 m，地層主要以全強風化花崗巖、變質砂巖和泥質砂巖為主，巖石風化程度高。根據理論與實驗預測結果，該掘進段建議每掘進200～250 m更換邊滾刀一次，每掘進400～500 m更換全盤滾刀一次，需換刀4次。

該掘進段刀具配置建議采用全盤滾刀。由于主航道下方的水壓普遍大于0.3 MPa，最大為0.55 MPa，因此普通的帶壓進艙換刀已無法滿足工程需要，需采用飽和氣體帶壓進艙換刀技術。該掘進段頂部地層主要為淤泥和泥質砂巖，具有很好的氣密性；開挖面則需制備優質泥膜來確保換刀空間的密閉性。該區段換刀壓力均大于0.3 MPa，普通作業人員已無法完成，需聯系專業潛水公司采用飽和氣體帶壓進艙技術換刀。

4.4 中微風化硬巖段

進入地震反射較硬巖面線到盾構出洞為全斷面硬巖段，該掘進段長約440 m，地層主要以中微風化變質石英砂巖為主，對刀具消耗嚴重。根據理論與實驗預測結果，該掘進段建議每掘進100～150 m更換邊滾刀一次，每掘進200～250 m更換全盤滾刀一次，需換刀3次。

該掘進段刀具配置建議采用全盤滾刀。由于海底地層穩定性好、透水性中等，同時考慮作業效率，建議采用減壓限排換刀方式。

5 結論與討論

通過對廈門軌道交通2號線跨海段現場巖樣開展磨蝕性實驗和換刀工法適應性的分析，得到以下結論。

1)基于理論預測模型和實驗預測模型對跨海段巖石地層刀具磨損進行預測，建議中微風化地層每掘進100～150 m更換邊滾刀一次，每掘進200～300 m更換全盤滾刀一次；全強風化地層每掘進200～250 m更換邊滾刀一次，每掘進400～500 m更換全盤滾刀一次。

2)掘進距離為350 m的淤泥掘進段建議采用全盤軟土刀；掘進距離為860 m的全強風化低壓段建議采用全盤滾刀，換刀4次，換刀工法以帶壓進艙換刀為主；掘進距離為870 m的全強風化高壓段建議采用全盤滾刀，換刀4次，換刀工法以飽和氣體帶壓進艙換刀為主；掘進距離為440 m的中微風化硬巖段建議采用全盤滾刀，換刀3次，換刀工法以減壓限排換刀為主。

盾構在地質條件復雜的地層中掘進，滾刀不僅會發生正常磨損，也會發生異常磨損。異常磨損的發生往往存在偶然性，無法進行有效預測，一旦滾刀發生異常磨損，跨海隧道盾構施工將面臨嚴重的風險。對于本文預測結果的準確性，需進一步對該工程跟進研究，通過了解施工現場刀具的更換情況，對預測方法進行驗證與修正。

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Prediction of Disc Cutter Wear and Replacement of Shield used in Sea-crossing Section of Xiamen Rail Transit Line No. 2

XU Liming1, YANG Yandong2, ZHOU Jianjun2, CHEN Kui2, CAI Guangyuan1

(1. Xiamen Rail Transit Group Co., Ltd., Xiamen 361001, Fujian, China; 2. State Key Laboratory of Shield Machine and Boring Technology, Zhengzhou 450001, Henan, China)

It is very important to reduce the construction risk of shield disc cutter replacement. The shield disc cutter replacing places of sea-crossing section of Xiamen Rail Transit Line No. 2 are predicted based on theoretical prediction model and testing prediction model under different kinds of rocks. The shield disc cutter replacing places and technologies are proposed by analyzing the feasibility of cutter replacing technologies. 1) The cutting cutter is used in silt soil; the cutter is replaced close to connecting gallery No.1 under atmospheric pressure. 2) The disc cutter is used in fully-weathered soil with low pressure; the cutters should be replaced by 4 times under hyperbaric pressure (1 times at intermediate ventilation shaft No. 1 and 3 times under sea). 3) The disc cutter is used in fully-weathered soil with high pressure; the cutters should be replaced by 4 times under saturated air hyperbaric pressure. 4) The disc cutter is used in moderately-slightly weathered soil; the cutters should be replaced by 3 times by using pressure reduction method.

sea-crossing tunnel; disc cutter wear; wear prediction; disc cutter replacement; cutter replacing method

2016-04-26;

2016-06-28

廈門市科技計劃重大項目(3502Z20151006)； 國家重點基礎研究發展計劃(“973”計劃)項目(2014CB046906)； 中鐵隧道集團科技創新計劃項目(隧研合2014-01)

許黎明(1962—)，男，福建泉州人，1983年畢業于福州大學，道路與橋梁專業，本科，高級工程師，從事城市軌道交通建設管理及技術研究工作。E-mail: xlm1962@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.015

U 455.43

A

1672-741X(2016)11-1379-06