新型防泥餅盾構刀盤研究

李繼龍

摘要： 本文以廣州地鐵五號線【西場-草暖公園】區間為例，主要針對困擾盾構施工比較常見問題—刀盤結泥餅，主要研究目的為降低盾構施工中刀盤結泥餅頻率，減少盾構施工停工時間及人工進倉頻率以降低施工風險提高施工效率。本文主要以改進刀盤設計為出發點，采用子母刀盤設計，增加中心轉速及開口率。該設計規避了原經典刀盤設計中存在的結泥餅的誘因，可顯著降低結泥餅風險。

Abstract： This paper takes the Xichang-Caonuan Park section of the Guangzhou Metro Line 5 as an example to focus on the relatively common mud cake problem of cutterhead plagued in the construction of shields. The main research purpose is to reduce the frequency of mud cake problem of cutterhead during shield construction， reduce the construction time of the shield construction and the frequency of manual entry to warehouse， reduce construction risks and improve construction efficiency. This paper mainly takes the improvement of the cutterhead design as the starting point， adopts the design of the child-mother cutterhead， and increases the center rotation speed and the opening ratio. This design circumvents the incentives for mud cake problem in the original classic cutterhead designs and can significantly reduce the risk of mud cake.

關鍵詞： 泥餅；開口率；刀盤；貫入度

Key words： mud cake；opening rate；cutterhead；penetration

中圖分類號：U455.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）21-0132-02

0 引言

隨著國內人民生活水平的不斷提高，地下軌道交通日益為各城市居民出行的首選交通方式。因此，國內各城市也紛紛將地鐵建設提上日程。在地鐵建設中，最常用的設備為盾構機，盾構機在地下施工領域具有安全、高效的特點。但是盾構施工中經常遇到刀盤結泥餅這一施工難題，一旦刀盤結泥餅，最直接的影響就是停機處理泥餅，處理泥餅過程中往往伴隨著人工進倉甚至是人工帶壓進倉，不但影響了施工工期的整體安排，還大大增加了施工風險，降低了工程利潤。

1 泥餅形成原因

刀盤泥餅形成機理主要是：刀盤在泥巖、泥質砂巖、粉質黏土等地層中，刀具切削下來的泥土和其它地質細顆粒在刀盤內重新集結并固化，阻塞刀盤渣土導流通道、阻礙刀具旋轉及切削土體。半個多世紀以來，盾構施工領域一直在尋找突破這一盾構施工難題的方法，但大多是治標不治本，直至今天，刀盤結泥餅仍為盾構施工中的頭號難題。

刀盤結泥餅后，盾構機掘進參數不穩定、推力大、扭矩高、速度慢、溫度異常等，使盾構施工效率大大降低，同時也嚴重影響盾構機設備壽命。

1.1 地質因素

盾構機穿越地層中的泥巖、泥質砂巖、粉質黏土、泥質粉砂巖富含礦物質元素，這些元素被刀盤切削后形成粉粒狀，在土倉內構成了形成泥餅的基礎物質，當形成泥餅條件具備時，這些顆粒狀物質重新集結并硬化，附著在刀盤或者土倉內，從而形成泥餅。

1.2 刀盤設計因素

盾構機刀盤設計也是刀盤結泥餅的一個主要因素。刀盤中心開口率偏小：在掘進過程中刀盤中心轉速低（n轉速一定，v與r成正比）對切削下來的渣土擾動小，如果中心部位刀盤開口率偏小，就會使低速流動的渣土在中心部位集結，從而形成泥餅；刀盤內攪拌棒數量偏少：現在市場上大多數盾構機尤其是超大型盾構機為了節約制造及運行成本，大多采用中心支撐主軸承設計，該設計帶來的直接影響就是土倉中心部位缺少被動攪拌棒，當盾構機穿越富含礦物質地層時，渣土在中心部位不能被充分攪拌，致使盾構機刀盤中心結泥餅；刀盤刀具布置也是刀盤結泥餅的一個主要因素：刀具布置不合理致使切削下來的渣土塊大小不均、滾刀偏磨，進一步降低了掘進速度與出渣效率，使土倉內渣土集結形成泥餅。

1.3 施工中控制參數因素

盾構施工過程中，盾構機操作手對相應地層制定的掘進參數也是刀盤結泥餅的一個重要因素。在掘進過程中，操作手要根據實際情況實時判斷地層狀況，采用合理的掘進參數、渣土改良措施（土壓平衡盾構機）、泥漿配合比參數（泥水平衡盾構機）；盾構機保養也必須跟蹤到位，充分發揮目前盾構機上具有的防泥餅設備的功效。

2 子母刀盤防泥餅原理

刀盤結泥餅最重要的一個因素就是刀盤中心部位開口率，普通刀盤中心部位開口率受限于中心部位刀具布置，因此刀盤中心開口率低，使得中心部位極易結泥餅。從結泥餅原理上分析得知：在盾構機刀盤層面需要解決兩個問題，第一、刀盤中心部位開口率過低；第二、刀盤中心轉速過慢。如果能解決以上兩方面問題，即可大大降低刀盤結泥餅概率。

新型子母刀盤設計，克服了傳統刀盤在刀盤結泥餅方面的弊病，中心部位采用兩個或多個（依照盾構機大小及內部空間而定）子刀盤設計，將大部分刀具集成到子刀盤上，為中心部位余出大部分空間用來渣土導流，從而解決了中心開口率的問題；另外，子刀盤擁有自主的驅動系統，在轉速方面不受母刀盤的控制，可適當提高子刀盤轉速，以提高中心渣土導流的流速。

3 結語

本文結合廣州地鐵的實際情況，針對廣州地區地層情況復雜、施工風險高等特點，設計新型防泥餅刀盤，希望對廣州及全國地下工程盾構施工提供借鑒，對未來珠三角大直徑盾構施工刀盤設計有參考意義。

參考文獻：

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