砂卵石地層土壓平衡盾構的刀具適應性改造設計

（成都軌道交通集團有限公司， 四川 成都 610041）

砂卵石地層土壓平衡盾構的刀具適應性改造設計

羅 杰

（成都軌道交通集團有限公司， 四川 成都 610041）

以成都地鐵三號線為施工背景，針對土壓平衡盾構機在長距離以及砂卵石層掘進盾構設備磨損較快，刀具頻繁出現更換的問題，通過盾構機在砂卵石地層中的掘進機理及現場實踐，分析研究了土壓平衡盾構機刀具的主動適應性改造。研究得出：在刀盤上按照阿基米德螺旋線的規律排列進行布置滾刀或撕裂刀，采用滾刀距離刀盤面板比刮刀距離刀盤面板高30mm的設計，將中心刀具由中心雙聯滾刀組合改為中心單刃撕裂刀+中心雙刃撕裂刀組合等改造措施，得到較好的掘進效果，驗證了研究成果的可行性和實用性，可在類似工程中推廣。

土壓平衡盾構機；刀具改造；砂卵石層

1 前言

相對于砂卵石地層的順利掘進，土壓平衡盾構機特別是在長距離以及砂卵石層掘進初期出現諸多機械上的問題[1]，其中盾構設備磨損較快，刀具頻繁出現更換的問題尤為突出。針對目前存在的難題，在成都地鐵三號線施工中，我們將改造既有盾構機的刀盤刀具配置，我們就盾構隧道施工實際掘進情況得出，改造后的盾構機[2]可達到長距離掘進、降低刀盤刀具磨損和提高掘進效率的目的。

2 盾構刀具分析

（1）刀具形式

盾構刀具[3-4]是根據本區間地層的不同強度和地質特點，根據刀具在該地層中不同的破巖機理來進行設計和選擇的。刀盤上可以安裝不同類型的刀具以適應不同地層的開挖，主要刀具類型為滾刀、刮刀，根據不同的地質類型刀具可以互換。盾構機刀具形式見表1。

表1 盾構機刀具形式

2）滾刀受力分析

在硬巖地層滾刀受刀盤向前的推力，在開挖面滾動，根據推力大小，直接由開挖面提供可大可小的轉動力矩，而同時幾乎沒有阻力力矩。在富水砂卵石地層中，滾刀前方和“松散帶”的渣土接觸，同時渣土在刀箱里擠滿，經過壓密結塊，產生阻力力矩阻止了滾刀滾動。

要使滾刀轉動，必須滿足滾刀轉動力矩T轉大于阻止滾刀轉動力T阻。因此，如果滾刀在硬巖地層，由于沒有T土倉和 T刀箱，因此只要滿足轉動力矩 T轉大于啟動力矩，滾刀即可以轉動，因此，在硬巖地地層掘進，滾刀不會發生偏磨。

在砂卵石地層中的滾刀掘進，由于在開挖工作面前方形成了一個“結構松散帶”，也改變了刀具的作用方式.由于該松散帶的存在，主要有以下作用特點。

1) 由于結構松散，不能給滾刀提供足夠的轉動力矩T轉；

2) 松散帶渣土直接和刀鼓接觸，而且接觸力大，甚至出現撞擊，因此，對刀鼓的破壞、磨損加大，造成T啟動增大；

同時，土倉內的渣土也使得刀箱內的阻力力矩T刀箱增大，便造成在砂卵石地層中滾刀的滾動失效，從而造成偏磨，掘進效率低下，致使滾刀在盾構刀盤轉動掘進中不能發生轉動。由硬巖地層中的滾刀摩擦變成了滑動摩擦，造成了滾刀的嚴重偏磨、以致報廢。

2 刀具適應性改造

刀具磨損影響因素主要有地質條件、刀具配置、刀盤開口率及渣土改良狀況，其中地質條件為外在客觀因素，具不可更改性，砂卵石地層其地質條件決定了刀盤刀具磨損非常嚴重，下面就刀具方面的改造進行論述。

2.1 刀具布置

根據文獻[5-7]中敘述，由于土倉中間容易產生“應力凸起”，為提高渣土的流動性，一方面應該提高開口度，另一方面中部不應布置密集的滾刀，應布置有利于渣土分流的先行刀和刮刀。

在刀盤上按照阿基米德螺旋線的規律排列布置的滾刀或撕裂刀，如圖1所示，不同類型的刀具設計，考慮了全斷面卵石土層掘進時對滾刀的保護，而采用滾刀距離刀盤面板比刮刀距離刀盤面板高30mm，從而達到保護刀具的目的。

圖1 刀盤上滾刀與撕裂刀位置布置圖

（2）不同粒徑的卵石的處理

當粒徑低于290mm的卵石可通過刀盤開口直接進入土倉并通過螺旋輸送機輸出；當粒徑大于290mm的卵石需進行刀具剝落處理。

2.2 刀具改造

通過對地鐵3號線駟～駟盾構區間的刀具開倉檢查情況分析，右線10#盾構機已經掘進463.5m（309環），刀具無嚴重磨損，目前刀具能夠滿足右線剩余271.5m（181環）的正常掘進，于是采取了開倉不更換刀具辦。直至駟～駟區間右線貫通，未出現盾構因刀具磨損問題導致的盾構掘進困難現象。根據對磨損刀具的位置、磨損的程度和刀具配置的分析，尤其是相近切削軌跡發生較大磨損的情況下對后期掘進是否產生不利影響等方面的綜合判定：為保證盾構施工安全，駟～駟區間左線開倉對偏磨的11#刀，磨損量較大的29#、31#、32#、34#刀進行更換。

通過對駟～駟區間左右線刀具磨損分析，產生較大磨損的軌跡主要集中在27#～34#刀范圍內，刀盤正面區磨損較小，發生最大磨損的刀具屬于刀盤正面區向邊緣區過渡的部位，即處于刀盤弧部的滾刀磨損量最大；在盾構機出洞時發現盾構機刀盤中心處仍有結泥餅現象，并且伴有部分中心滾刀偏磨的現象。

分析上述現象，總結原因認為：

1）盾構機推力過大，刀盤前方土壓力變大，土體容易糊刀盤；

2）盾構掘進并伴有多次長時間停機的現象，掌子面壓力不穩，由于施工采取的保壓措施會造成掌子面前方土體固結，盾構機恢復掘進時，刀盤前方土體盾構出土不暢，其刀盤中心部位的滾刀被雜物和泥土包裹住；

3）中心滾刀的開口率未達到施工要求，造成出土不暢；

4）在實際掘進施工中，中心滾刀隨著刀盤的轉動，其滾刀的線速度非常小，不能給滾刀提供足夠的轉動力矩，同時，土倉內的渣土也使得刀箱內的阻力力矩T刀箱增大，便造成在砂卵石地層中滾刀的滾動失效，由硬巖地層中的滾刀摩擦變成了滑動摩擦，造成了滾刀的嚴重偏磨、以致報廢。

經過研究討論得出：將刀盤中心部位的4把中心雙聯滾刀改成中心撕裂刀，即先行刀。改變刀盤中心部位的出渣環境，將中心部位的削切土體隨著先行刀的轉動，向周圍移動進入土倉，避免了刀盤被泥土包裹；使用中心撕裂刀還提高了材質的耐磨性能及允許磨損量。

鑒于以上的分析和刀具磨損的實際情況的驗證，在盾構的設計中需對刀具進行改進及提高。改進后的刀具情況如表2所示。

表2 改造后刀盤刀具情況統計表

邊刮刀 8 把焊接撕裂刀 29 把保徑刀 8 把

3 案例驗證

在施工過程中必須觀測分析盾構穿越地層的特性，在推進過程中應充分了解施工速度、盾構掘進性能、泥土溫度之間的能量轉換關系及其對“泥餅”形成的影響。控制好推進速度，減少“泥餅”產生的機率。在后續的區間施工中使用改造后的刀具配置，再結合渣土改良、設置合理的構掘進參數、控制循環水溫度以及要求盾構達到“連續、快速、穩定”施工。如駟～李區間左線538m、右線529m，李～馬區間左線790.8m、右線1046.4m，區間均未換刀，順利完成貫通，達到了良好的效果。

盾構機的自身設計制造要合理，刀具的配置和刀盤結構參數需優化；盾構長時間的停機會導致土艙內土壓逐步升高、流動性減弱、刀盤及刀具板結泥餅的可能性增加，盾構掘進要求“連續、快速、穩定”施工；施工中的盾構掘進參數的設定相當關鍵，在容易出現泥餅的地層中尤其要注意土壓力、千斤頂推力及刀盤轉速等參數的設定，當遇到刀盤的扭矩比較大時，可以通過向掌子面和土艙內加注泡沫、膨潤土以及聚合物等添加劑來降低刀盤的扭矩，以實現刀盤的較高轉速；將整個盾構施工當成一個系統工程來對待，各種因素，如地層地質、盾構機狀況、隧道內通風及外界溫度應做到有機結合。

4 結論

根據土壓平衡盾構機在砂卵石地層中的掘進機理及現場的實踐，重點分析研究了土壓平衡盾構機刀具的主動適應性改造。主要結論如下：

（1）在刀盤上按照阿基米德螺旋線的規律排列布置的滾刀或撕裂刀，可滿足盾構在富水砂卵石地層施工中，刀盤掌子面的開挖要求；不同類型的刀具設計，而采用滾刀距離刀盤面板比刮刀距離刀盤面板高30mm，從而達到全斷面卵石土層掘進時對滾刀的保護。

（2）將中心刀具由中心雙聯滾刀組合改為中心單刃撕裂刀+中心雙刃撕裂刀組合，得到較好的掘進效果，可以為類似工程提供參考。

（3）刀具改造設計應用在工程實例中，創造了隧道區間1公里內未換刀的記錄，驗證了研究成果的可行性和實用性，其成果可在類似工程中進行推廣。

[1] 張鳳祥,朱合華,傅德明.盾構隧道[M],北京:人民交通出版社,2004,68-70.

[2] 曹智.中國中鐵盾構在成都地鐵砂卵石地層中的施工應用[J].現代隧道技術, 2014,51(2):127-132.

[3] 張明富,袁大軍,黃清飛等.砂卵石地層盾構刀具動態磨損分析[J].巖石力學與工程學報, 2008,27(2):397-402.

[4] 胡顯鵬.砂卵石地層土壓平衡盾構掘進刀具磨損研究[D].北京交通大學,2006.

[5] 劉永強.砂卵石地層土壓平衡式盾構機的刀盤設計[D].天津大學,2010.

[6] 宋克志.砂卵石地層盾構刀盤與土體相互作用研究[D].同濟大學,2009.

[7] 黃清飛.砂卵石地層盾構刀盤刀具與土相互作用及其選型設計研究[D].北京交通大學,2010.

TU7

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1007-6344（2017）08-0088-01