針對軟土地層基巖凸起大直徑盾構刀盤選型分析

張開猛

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000）

1 工程概述

1.1 工程概況

某道路提升改造工程是杭州市區規劃的雙向4 車道城市快速路，隧道內設計時速為80km/h。02 標盾構隧道段從東端3#工作井始發，沿某道路向西依次穿越密渡橋路、湖墅路、古新河、地鐵2 號線（下穿）、莫干山路、馬塍路、西溪河、保俶路到達2#工作井接收。南、北線隧道長度均為1743m，線路平面最小曲線半徑為R35000m，豎曲線半徑R4200m，最大坡度40‰。盾構始發端覆土厚度為6m，接收端覆土厚度為13m，隧道最大覆土厚度為24m。

1.2 工程地質

盾構隧道依次穿越地層主要為：④1淤泥質黏土、④2淤泥質粉質粘土夾粉土、⑤1粉質黏土、⑥1淤泥質黏土、⑥2黏土、⑦1黏土、⑦4含黏性土礫砂、⑧2黏土、⑨1含砂粉質粘土、⑨2粉砂、⑩1黏土、?1含礫粉質粘土、?1全風化晶屑玻屑凝灰巖、?2強風化晶屑玻屑凝灰巖、?3中等風化晶屑玻屑凝灰巖、1全風化凝灰巖等。主要地質特性如下：

④1層淤泥質黏土：流塑、無搖振反應、韌性和干強度高。該層性質差，高壓縮性。

④2層淤泥質粉質黏土夾粉土：流塑、薄層狀、層間夾較多粉土、粉砂薄層、條帶，含量約占20%。

⑥1層淤泥質黏土：流塑、無搖振反應、韌性和干強度高。該層性質差，高壓縮性。

⑥2層黏土：流塑、局部軟塑，無搖振反應，干強度和韌性高。該層性質差，高壓縮性。

⑦1層粉質黏土：可塑-硬可塑，韌性和干強度高。該層性質較好，中壓縮性。

⑨1層含砂粉質黏土：硬可塑為主，厚層狀，含較多粉砂，局部夾少量礫石，砂礫含量約占15%～20%，分布不均勻，局部砂土夾層狀富集，干強度中等，韌性中等。該層性質較好，中壓縮性。

?3 中等風化晶屑玻屑凝灰巖：飽和單軸抗壓強度值在42.7 ～110.7MPa 之間，平均值為60.7MPa，巖體較完整。南線約550m 的長度存在?3 上軟下硬地層，進入隧道斷面最大高度10.5m。北線約380m 存在?3 上軟下硬地層，進入隧道斷面最大高度5.2m。

2 工程難點分析

（1）淺覆土軟弱地層掘進、下穿建構筑物，地表沉降控制困難、盾構姿態控制要求高。隧道頂部覆土6 ～24m，始發段覆土厚度為6m，接收段覆土厚度為13m。頂部主要為④2 淤泥質黏土地層，下穿地鐵2 號線、古新河、西溪河，沿線兩側建構筑物密集。

（2）上軟下硬、高強度巖石地層掘進，可能存在刀具異常損壞、軸承偏載、異常磨損等問題。北線約380m、南線約550m 長度范圍內存在中等風化晶屑玻屑凝灰巖基巖凸起，飽和單軸抗壓強度值在42.7 ～110.7MPa。

（3）粉質粘土、淤泥質粘土地層掘進，存在黏土塊滯排、泥水分離困難、刀盤結泥餅問題。④1、④2、⑥2 層淤泥質粘土為流塑狀，⑦1、⑨1、⑩1 層粉質粘土為硬可塑為主。

3 盾構針對性設計

3.1 刀盤設計

刀盤結構設計采用8 主梁+8 面板復合形式，滿足足夠的剛性強度，同時需考慮刀具合理布置、渣土在倉內的易流動、易排渣。設計方案見圖1，刀盤參數見表1。

圖1 刀盤設計

3.2 刀盤刀具配置

（1）刀盤中心設計18 寸滾刀和正面設計20 寸滾刀（滾刀可與撕裂刀、羊角刀互換），可增加滾刀的耐沖擊性、耐磨性、更易啟動。（2）刀盤正面采用90mm 的較小刀間距設計，周邊弧形區域每個軌跡布置2 個刀刃，可提高邊源區刀具掘進距離；在正面半徑3040mm 以外的滾刀軌跡上向周邊布置焊接撕裂刀，保護刀盤結構。（3）在刀盤周邊分2 層高差10mm 布置24 把保徑刀，增強刀盤保徑能力；配置普通超挖刀和滾刀超挖刀各1 把，在需要時滿足擴挖需求。

表1 刀盤參數表

3.3 刀盤耐磨及檢測

（1）刀盤面板無刀孔區域采用耐磨復合鋼板全覆蓋，大圓環外側為合金塊加高鉻高錳耐磨鋼板，大圓環后端面焊接耐磨復合鋼板。（2）設置面板磨損監測、刮刀液壓式磨損檢測傳感器對面板和刀具狀態進行實時監測，設置滾刀旋轉檢測傳感器，可以監測滾刀在軟土地層中掘進是否旋轉。

3.4 滾刀選型

區間掘進先后進入軟土層、砂礫層、強風化軟巖層、中風化硬巖等地層。推進過程中滾刀極易因軟土地層不轉偏磨、基巖突起段受到強力撞擊而損壞。結合滾刀的破巖機理及刀具形式，采用剃度硬度重型光面刀圈、重型加密扁齒刀圈兩種刀具配置方案：

（1）方案一：剃度硬度重型光面刀圈。①采用刃厚22mm 圓頂重型刀圈，R8 或者R9 圓弧過渡。刃口截面為斜度不大的梯形,其截面近似于等截面。刀圈在磨損過程中，其寬度及與巖石接觸面積變化不大，對推進力的增加和貫入度的影響較小，可以同時兼顧破巖與耐磨性。②采用剃度硬度刀圈，其沖擊功相比整體硬度刀圈可提高一倍，可以增強刀圈抗沖擊能力。

表2 重型扁齒滾刀與光面滾刀對比案例分析

（2）方案二：重型加密扁齒刀圈。①采用刃厚22mm 刀圈鑲入扁齒合金、WC 顆粒熔敷焊耐磨焊層可增大摩擦阻力，對于軟土地層易啟動，降低偏磨風險。②合金截面形狀為楔形、尺寸為φ22×40mm，合金齒埋深為36mm，埋深大不易掉齒，提高合金齒的抗撞擊能力，對于硬巖地層刀具切入掌子面時的阻力小，利于連續破巖；③加密重型鑲齒刀圈合金數量比不加密重型鑲齒刀圈增加約10 顆，合金間隙減小，中碳高合金結構鋼刀圈材質為普通光圈韌性的6 ～10 倍，耐磨性大大增強。

（3）重型扁齒滾刀與光面滾刀對比案例分析。

（4）滾刀選型建議。重型加密扁齒滾刀的耐磨性、刀圈抗沖擊能力、啟動能力都優于光面刀圈滾刀，在其他相似復雜巖層、中微風化砂巖層、中風化石灰巖層及軟硬不均的破碎巖層中使用效果良好。延長刀具的使用壽命長，可減少區間換刀次數，建議此區間使用重型加密扁齒滾刀。

3.5 刀盤泥餅處理措施

刀盤開口率31%，中心開口較大便于渣土流動；在刀盤背部中心旋轉接頭沖刷口，配置P0.1 泥漿泵沖刷系統，最大沖刷流量1000m3/h，可對刀盤中心、背部進行沖刷防止渣土堆積和結泥餅。

4 下一步工程應用

在施工過程中進行掘進參數、刀具磨損檢測數據的統計和分析，結合不同地質性能指標進行參數的合理優化。根據盾構隧道地質、現有地面道路條件以及刀具磨損檢測數據情況，在掘進過程中預先擬定停機檢查刀具位置，避免刀盤、刀具的異常磨損影響施工。