地鐵富水漂卵石地層盾構滾刀適應性研究

薛俊峰

(中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 400065)

成都平原廣泛分布的第四系全新統沖洪積地層多具有二元結構，其下蘊藏的卵石土是制約地下工程施工的主要因素之一。特別是位于郫縣、溫江附近的地帶，砂卵石層中卵(漂)石粒徑普遍較大，加之地下水運移匯聚、薄砂透鏡體隨機分布造成流砂超方等情況時有發生，對盾構掘進造成了極大威脅[1]。

在此類地層中進行盾構隧道作業最顯著的次生危害為刀具磨損，其中邊滾刀相比中心部位磨損更為嚴重。常規的解決方案是通過注入大量的渣土改良劑進行潤滑間接減小刀具磨耗或者在固定的掘進里程后進行開倉檢查發現磨損后立即換刀，但此類措施的弊端顯而易見[2]。

在這一背景下，研究滾刀的破巖機理，分析滾刀在該類地層下的運作規律，改變刀具本身的結構及材料的組成，提高其適應性，減小磨損成本，成為新的發展方向。合理的盾構刀具選型、刀具布置，合理的啟動推力和扭矩配置，不僅能保證良好的斷面切削效果，還能有效減小刀具不均勻磨損的程度[3]。

1 工程概況

成都地鐵6號線尚錦路站至紅高路站盾構區間位于郫都區，該區間出尚錦路站后沿西區大道下方敷設，區間沿道路走向，呈西北往東南方向，穿越紅光支渠，在西區大道與紅高路交匯口以直線進入紅高路站。線路周邊建筑物較密集，主要為居民住宅、商鋪為主，人口居住較為密集，上方道路交通繁忙。

該擬建工程右線隧道全長1 281.381 m，左線隧道全長為1 283.541 m，中心線間距為13.00～15.20 m。中間設置聯絡通道，采用礦山法施工。底板埋深16.00～24.50 m，隧道頂板埋深10.00～18.50 m。

地質鉆孔揭示地質狀況如圖1顯示。

圖1 工程地質縱斷面

區域地貌單元為岷江一級階地，具有豐富的地表徑流。區間地下水類型主要有兩種：一是存于黏性土層之上填土層中的上層滯水，二是第四系砂卵石層的孔隙潛水。漂卵石層較厚從上至下卵石密度逐漸增加，隧道斷面水位較高，并形成貫通的自由水通道，易結成漏斗，匯集于掌子面，影響盾構作業。

施工前期對盾構區間拱頂以下2 m進行篩分試驗。依據直徑統計分布[4]，報告顯示：卵石粒徑100～200 mm達26.55%～29.43%，粒徑200～300 mm達28.09%～30.42%，粒徑大于300 mm卵石含量達32.6%～36.1%，卵石最大粒徑達600 mm。

根據現場鉆探及調查結果綜合分析，全線均分布有漂石，漂石主要分布在稍密～密實卵石層，埋深主要為地面10 m以下，粒徑超過30 cm的大粒徑漂石主要分布于埋深13 m以下?，F場情況如圖2、圖3所示。

圖2 點位基坑側壁 圖3 地層中大漂石

2 刀盤配置改造

2.1 盾構機配置

區間采用兩臺鐵建重工生產的復合式土壓平衡盾構。刀盤整體結構采用面板加輻條的形式，有效開挖直徑為6 280 mm。刀盤開口率為38%，增加了大粒徑漂卵石的通過率。面板上布置有6個泡沫(膨潤土)噴嘴，適應該地層渣土改良需求。為增加盾構機對于富水漂卵石地層的容錯性，在刀盤迎土面焊接耐磨鋼板及耐磨焊網格，在所有滾刀刀箱周圍和切刀刀座背后焊接耐磨鋼板，并設置兩個磨損檢測點，有效保護了刀箱和刀座。

2.2 刀盤配置改造

刀具配置上針對區間地層富水，卵石粒徑大、含量高、強度大，且易導致刀盤卡頓掘進困難，停機重啟后砂土流失匯水于掌子面等特點，對刀盤的強度等級、刀具布置進行了調整[5]。正面為21把17吋單刃滾刀，貝殼刀12把，導流刀6把，寬切刀36把。將周邊11把單刃滾刀改為18吋刀圈的雙刃滾刀，有效的減少了中心刀的磨損和解決卵石粒徑大的破除[6]。具體布置見圖4、圖5。

圖4 刀盤整體成型圖 圖5 邊緣滾刀布置

3 滾刀適應性分析

3.1 富水漂卵石地層滾刀破巖機理分析

國內國外專家針對盤形滾刀與巖質體相互作用關系已發表大量研究成果，并通過理論、試驗、建模等各方面進行了深入探討。滾刀破巖機理研究具有代表性的成果主要有接觸理論、彈性解理論、滑移線場理論、拉伸破巖理論等。在現場實踐方面，近階段滾刀傳統破巖的討論主要集中于全斷面巖石掘進機TBM對硬巖的破碎，結合盾構機在復合地層中破巖機理的相關討論相對較少。

傳統破巖具體切割過程如圖6所示，安裝在刀盤上的滾刀隨刀盤轉動，在掘進機推進力的作用下，對巖石造成擠壓、剪切或拉張，并侵入巖石內部。微觀狀態下，裂紋由接觸面中心點在此作用的基礎上向兩側發展，并在端頭端尾首先衍生至巖石表面，與相鄰滾刀形成切割槽逐漸連接，產生破碎巖塊并掉落。影響此類較穩定硬巖地層破巖效率的兩大因素主要為向滾刀施加的垂直推力及促使滾刀在巖層中轉動的扭矩[7]。

圖6 傳統滾刀破巖處理

滾刀破巖模型方面近階段主要基于csm破巖模型、東北大學破巖模型等。上述破巖理論大多將刀具橫剖面假定為V字型剖面，接觸切割巖體的過程處理為靜壓力切割并建立相應的模型。

而此次施工中遭遇的成都地區富水漂卵石層與前述傳統硬巖層差別極大，相比破巖處理過程可能更為復雜。如圖7所示，盾構機在該地層中掘進時，由于作業面粒徑分布不均的卵(漂)石間夾雜有大量中細沙作為填充介質，而介質中又存在孔隙或地下水運移現象，導致滾刀在進行切割時一定程度上受影響，不會完全造成卵(漂)石的破碎。甚至部分卵石發生隨機動態偏移，則將前述傳統破巖機理運用到實際施工中成效較低。

圖7 富水漂卵石地層滾刀破巖處理

3.2 滾刀適應性分析

如圖7所示，盾構掘進過程中，滾刀由于長期受到卵(漂)石接觸面反力的沖擊荷載及該地層的摩擦阻力，極易造成不同軌跡且不均勻的偏磨，需要在施工階段進行檢查及即時換刀，以免影響施工節奏，造成換刀頻率較高。

根據盾構區間第一次開倉換刀結果證實了上述推測，發現在施工中采取參數控制、施加強效渣土改良劑等辦法進行調節后，滾刀磨耗量依然較大。除正常磨損外，多數刀具存在偏磨、弦磨、斷刃和刀圈脫落等異?，F象，周邊滾刀報廢居多。

如圖8、圖9所示，編號為S31的雙刃滾刀發生偏磨(磨損量在45 mm左右)，編號為S32、S34、S34、S35、S36、S39B等的單刃滾刀發生嚴重偏磨并報廢。其中左線推進至855環里程總計更換刀具92把；右線推進至855環里程總計更換刀具95把。左線報廢總計25把，中心刀4把(各2把)；右線總計報廢刀具23把。

圖8 編號S31雙刃滾刀

圖9 部分單刃滾刀

針對常規復合盾構，如果掘進中大量滾刀作為主體破巖刀具，為了防止滾刀偏磨或過載，貫入度應控制在臨界范圍內，同時由于刀盤扭矩取決于負載，在驅動功率設計一定的情況下，過大的啟動扭矩將直接影響到刀盤轉速的范圍及自轉反力。但富水漂卵石地層具有較大的相對松散性，掘進中掌子面易于坍塌的特性，以此類推造成了多種相關掘進參數的統計研究工作仍十分困難，規律性較低。

同時，在成都地區砂卵石地層中, 滾刀的啟動扭矩是決定滾刀能否正常工作的關鍵因素之一[8]?，F階段若不改變盾構機本身的參數配置，通過進行對比研究來控制確定適宜的啟動扭矩，從而減緩滾刀偏磨，仍是比較科學的手段之一。

在開倉換刀階段通過觀察發現，多因素疊加亦會導致滾刀嚴重偏磨的情況發生。其中，常規密封不當不足造成的滾刀損壞性偏磨；盾構穿越某區域大漂石含量較高，造成部分卵石長期卡停于開口處造成的偏磨；區段地層卵石含量差導致的不均勻沖擊造成的偏磨等都是較不穩定且難以控制的因素。

4 破巖評價

4.1 富水漂卵石地層破巖效率

為了能更好的反映某地層滾刀破巖效率并進行評價，引入了破巖比能耗這一概念。滾刀破巖比能耗表示其破壞或切削單位體積巖石所消耗的能量，目前對盾構TBM滾刀破巖效率評價大多采用量化計算破巖比能的方法，其中巖石破碎體積為影響破巖比能耗的關鍵因素[9]。

對于滾刀破巖比能耗可由下式進行計算[10]：

式中：ηSE為單滾刀所消耗能量(MJ/m3)；Fn為法向推壓力(kN)；Fr為切向滾動力(kN)；h為平均貫入度(mm)；l為平均滾壓距離(mm)；V為巖石破碎體積(cm3)。

式中：ηSEi為單滾刀所消耗能量(MJ/m3)。SEZ為多把滾刀整體比能耗(MJ/m3)；n為計算數量。

巖石在滾刀作用下的破壞體積與其破壞方式關系密切，但針對此類富水漂卵石地層來說，由地層本身因素造成的盾構滾刀破壞方式多樣，導致破巖效率評價整體復雜，開展地層與刀具接觸耦合作用機理及滾刀破巖方式的多因素綜合作用的研究為主要突破口。

4.2 破巖仿真模擬

修改對應的適配參數，研究滾刀在多種因素破巖效率影響下對施工的作用及滾刀產生偏磨的主要因素，并對滾刀配置優化提供一定的依據。

滾刀大多是由強度高、耐磨性好的鋼材制造而成，如硬質合金。該仿真所要模擬的是邊滾刀表面在破巖時所受的摩擦力情況，故邊滾刀的變形可以忽略不計。

鑒于邊滾刀材料本身與巖體剛度差距大，巖石的破碎機制對滾刀產生塑性變形的影響較小，基本可以忽略不計，故將滾刀的材料模型設置為近似剛體。滾刀刀圈彈性模量205 GPa，材料密度7.9 g/cm3，泊松比0.3。

滾刀載荷取決于巖石材料選型，巖層材料模型的選擇則直接影響仿真結果的準確性。因此，巖石模型選取的關鍵在于本構關系的確定以及其物理力學參數的選擇。

富水漂卵石巖石本構關系呈非線性性質，并與加載路線、應力歷史以及應力水平等密切相關。由于上部人工填土層、粘性土層對整個破巖過程的影響相對較小，故本次模擬采用的巖石材料模型參數取用本區間隧道所穿越的砂卵石亞層的巖土物理指標，具體如表1所示。

表1 紅尚盾構區間穿越砂卵石亞層基本力學物理指標

針對滾刀破巖效率影響多因素的主要分析方向有安裝傾角、刀圈刃寬、刀刃角等[11]。

利用ANSYS和LS-DYNA軟件建立滾刀有限元模型及巖石材料的有限元模型，將安裝傾角、刀圈刃寬、刀刃角及刀盤圓弧過渡半徑等因素作為變量，并模擬其破巖過程，得到相應的仿真結果，仿真過程如圖10所示。

圖10 破巖過程仿真

4.3 仿真模擬結果

設置分別將滾刀刀圈刃寬、滾刀安裝傾角、滾刀刀圈刀刃角作為變量的破巖模型，通過計算得到的仿真結果如圖11所示。

由結果圖示可看出，滾刀刃寬設置較小時，相對刃寬設置較大時比能耗的增幅高，則較小的刃寬設置對減小偏磨不利，增加刃寬可以增加刀具的耐磨性。同時安裝傾角與比能耗的大小呈正相關，當安裝傾角達到45°時，后期增幅相對減小。比能耗隨刃角的函數變化趨勢同刃寬類似，但影響因素相對較小[12]。

圖11 比能耗隨刃寬、安裝傾角、刃角的變化趨勢

綜上所述，針對區間具體的地層地質條件，對滾刀做出適應改造，在允許范圍內適當增加滾刀安裝傾角和刃寬，將刃寬25 mm改為30 mm，則初步認定此次改造可以更好地適配類似的卵漂石地層。

5 結束語

刀具磨損與地層直接相關。一般來講，盾構在富水砂卵石地層中掘進對刀盤邊滾刀磨損最為嚴重，通過降低刀座的系統設計，將原設計17吋單刃滾刀改進為18吋雙刃滾刀，不增大刀盤開挖直徑。由于刀盤開挖直徑不變，地層擾動范圍和超挖量未增加，管片壁后注漿量也保持原設計量。

同時，滾刀的啟動扭矩直接關系到刀具的磨損情況。正確的啟動扭矩配置，使邊滾刀耐磨性增加，同時延長了刀具使用壽命，減少換刀次數，產生了明顯的經濟效益。在成都地鐵6號線項目盾構區間實際施工過程中，每公里減少兩次換刀，每次換刀成本約100萬元，每公里節約成本約200萬元，為項目創造了經濟效益。

本文作者在卵石取樣及換刀過程中發現可提高適應性的一些突破口——如在滾刀刀軸處設計一種緩沖連接可能會較好的減緩此類地層中漂卵石的沖擊。