盾構機采用楔形合金齒刀在掘進孤石群的應用研究

杜廣召

（中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074）

1 工程概況

廈門軌道交通2號線2標一工區建湖區間隧道范圍內在掘進中遇到孤石，在盾構下井施工前已采用地面爆破預處理方案進行提前處理，但由于地面條件限制和其它原因造成部分孤石沒有處理徹底。此前，國內尚無土壓平衡盾構在上軟下硬地層遇到孤石直接通過的施工經驗，均采取地面爆破或開倉人工處理方式，而地面爆破和開倉處理孤石因其施工條件限制，耗時長、經濟效益極低，且無法確保孤石處理的施工安全。施工措施采用土壓平衡盾構在軟土地層遇到孤石的盾構施工，對地鐵施工起到了重要保障，盾構掘進突遇孤石如圖1所示。

圖1 盾構掘進突遇孤石

2 工法施工工藝特點分析

（1）采用衡盾泥護壁氣壓開倉技術，可降低施工安全風險，保障地面建筑物安全。

（2）根據掘進地質的性質及刀具鋼材的性能針對性的優化刀具配置，更換新型鑲嵌合金刀可提高破巖滾刀抗沖擊能力提高刀具具強度，有利于加強盾構機刀具沖擊破巖效果。

（3）盾構可直接通過孤石段，無需花費大量人力物力借助輔助措施去處理基巖凸起及孤石。

（4）優化盾構掘進技術參數，可降低刀盤磨損，利于盾構順利掘進。

（5）工藝原理。

盾泥護壁氣壓開倉技術通過向盾構機土倉內逐級壓注通過向土倉采用分級加壓壓注提高了盾構帶壓開倉的安全性能保證氣壓開倉作業安全。根據掘進地質的性質及刀具鋼材的性能針對性的優化刀具配置，更換新型鑲嵌合金刀可提高破巖滾刀抗沖擊能力提高刀具強度，有利于加強盾構機刀具沖擊破巖效果。通過采用鑲嵌楔形合金刀切削沖擊破碎孤石。

3 盾構掘進突遇孤石問題分析

3.1 盾構掘進突遇孤石

孤石區占49%，巖石強度為120～180MPa，建湖區間盾構進入孤石區前，破巖滾刀主要選取的是進口龐萬力制造的原裝盤形滾刀，刀具全部被孤石磕碰缺口、刀圈斷裂、刀具軸承損壞及刀具偏磨，此時就必須拆除更換。

3.2 刀圈斷裂刀具偏磨

后期經過討論與實驗，選用鑲齒滾刀后，刀具順利通過了孤石區、上軟下硬地區。特別是在盾構掘進314環處時盾構開倉發現了前方存在一直徑約2～3m的孤石，通過采用鑲嵌合金齒滾刀順利通過該處，后期孤石區掘進完成后開倉檢查發現整盤刀具除局部均磨外無其他磕碰損壞現象。

4 楔形合金齒刀特點和原理

4.1 楔形合金刀特點

在切削巖石強度差異較大的孤石掌子面時，刀圈易碎裂孤石，貫入至孤石體內，和相鄰刀具刀圈作用通過刀具荷載和轉動力使孤石龜裂，而不至于同僅安裝普通刀具的刀盤一樣在孤石表面摩擦帶動孤石在土倉內旋轉，楔形合金齒刀擠壓壓破巖狀況滾刀破巖原理示意圖如圖2所示。

圖2 楔形合金齒刀擠壓壓破巖狀況滾刀破巖原理

4.2 壓柱式楔形合金刀特點

建湖區間孤石區掘進刀圈崩裂脫落、刀具缺口、采用楔形鑲齒刀圈，足夠高的硬度，增加耐磨性，減少刀圈磨損增大了滾刀附著力，減少滾刀偏磨；其壽命是鋼刀圈的3～5倍。

4.3 施工材料

主要施工材料見表1。

4.4 質量保證措施和盾構施工安全保證

4.4.1 質量保證措施

滾刀刀圈硬度選擇為鎢鈷硬質合金，刀體硬度HRA85-88之間，厚度在19～22mm的圓弧刀刃，刀刃采用鑲嵌式的合金齒。

表1 主要施工材料

刀具更換完成后采用風動扳手復緊使刀具螺栓擰緊度達到要求，必要時人工使用敲起板手緊人工復緊監測。

4.4.2 構施工安全保證

（1）作業人員必須清楚了解隧道內施工全過程。

（2）對盾構機定期進行保養，對電瓶車、盾構機系統定期進行檢查，保證設備安全性。

（3）對隧道內運輸作業進行專門交底，制定專門運輸管理規定和應急預案，定崗定責，加強隧道內施工管理。運輸作業嚴格按方案中速度行駛，不得緊急制動。

（4）晚間作業，要有充足的燈光，監護人員要密切注意作業全過程。

（5）按頻率嚴格進行地面監控測量，隨時反饋監控信息，控制地面沉降，保證地面建筑物安全。

4.4.3 環保措施

自然環境保護、環境衛生。對施工場地進行詳細測量，編制出詳細的地表監測布置圖，盡量不破壞原有的植被、管線，保護自然環境。

5 效益分析

5.1 經濟效益

采用楔形合金刀穿越孤石區施工工法施工工藝既保證了工程質量和施工安全，同時降低了刀具消耗，最大程度上縮短的孤石處理時間加快了施工進度，建湖區間提前1個月完成隧道貫通，直接降低成本約200萬元（孤石處理費用）。主要經濟效益分析如下：

廈門地鐵2號線1標一工區建湖區間節支總額約200萬元（節約帶壓人工費60萬元，節帶壓約料費20萬元，刀具材料費100萬元，節約交通協調費20萬元），新增利潤200×0.85=170萬元，新增稅收200×0.15=30萬元。

工法施工工藝施工工藝在廈門市地鐵施工中的成功應用，實現了盾構在密集孤石地層中的首次突破，對廈門市地鐵線路設計優化有重大的指導意義，因其而產生的間接經濟效益是非常可觀的。

5.2 社會效益

在廈門地鐵2號線各標段盾構掘進施工中其他單位在類似孤石地段頻繁更換刀具、大量投入人力物力進行孤石處理，本項目憑借這一技術，盾構機安全、快速的通過了密集孤石地層，獲得業內人士的高度評價，該技術已被廣泛推薦使用，并為類似地層條件下盾構施工提供了借鑒和參考。

6 應用案例

6.1 廈門地鐵2號線建-湖區間

該工法施工工藝主要用于孤石區占49%巖石強度為120～180MPa，通過采用工法施工工藝施工工藝妥善解決了盾構在富水密集孤石地層掘進過程中刀具極易損壞開倉換刀頻繁的難題，順利完成了盾構在密集孤石群下的穿越，縮短施工周期近1個月。

6.2 廈門地鐵2號線育-呂區間

廈門地鐵2號線育呂區間位于于廈門市中心城區，盾構區間穿越地層孤石占比量高、項目自盾構施工以來頻繁更換刀具，盾構掘進困難，多次遇見地層不穩定開倉難的難題。2018年8月，經研究，該項目采用了工法施工工藝施工工藝的關鍵技術目前盾構左線已安全順利到達，右線剩余150環貫通。期間盾構順利穿越孤石區20處確保了施工工期和施工質量，產生了顯著的社會效益和經濟效益。

7 結束語

土壓平衡盾構機采用楔形合金刀穿越孤石區施工工法施工工藝既妥善解決了盾構掘進過程中刀具易損壞開倉頻繁的難題，并有效增大了刀具的使用里程，最大限度的降低了施工中換刀作業的風險，縮短施工周期，推廣應用會產生良好的社會效益和經濟效益。