不同刀盤在富水砂卵石地層的盾構掘進適應性分析

萬朝棟

（中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300451）

1 引言

盾構隧道在成都富水砂卵石地層中已有十多年的施工歷史，在此過程中積累了豐富的施工經驗。但對于該地區典型的富水砂卵石含大漂石地層的盾構施工，依然存在刀盤頻繁卡死，刀盤、刀具磨損嚴重，嚴重制約掘進安全和效率的問題。刀盤作為盾構機最前端部件，具有挖掘地層、支撐開挖面的功能，刀盤對施工地層的適應程度決定著盾構機的施工效率［1-3］。在典型的砂卵石地層中如北京、成都、蘭州，盾構施工出現的大部分問題基本是由于刀盤設計不合理造成的［4-8］。王旭等［9］基于多個盾構區間施工實踐分析了盾構掘進過程中與刀盤相關的工程問題，認為產生這些問題的根本原因在于刀盤的設計與工程巖土地質條件適應性較差。金大龍等［10］通過室內模型試驗分析了刀盤開口率對掘進參數的影響，討論了刀盤開口率與扭矩的關系。侯德超等［11］通過對北京地鐵十號線卵石地層施工盾構機頻繁發生故障的原因進行分析，并針對性地對盾構機刀盤進行改造，使得掘進施工順利進行。張家年等［12］從盾構刀盤結構設計、刀具配置、耐磨保護及渣土改良等方面入手，對刀盤進行了針對性的改良設計，實現了長距離掘進。針對TBM的地質適應性、掘進速度等方面的挑戰，相關學者提出了從設備、隧道設計的初步思路［13］。針對全斷面砂層土壓平衡盾構施工中遇到的問題，通過對刀具改造以及渣土改良技術的研究，使得施工得以順利進行［14］。

而這些研究大多是總結特殊地層中的刀盤設計及改造經驗或者從機械設計的角度對刀盤的受力進行分析，針對特定地層特征的刀盤設計研究并不多見。本文基于成都典型的富水砂卵石地層，通過對相似機型在實際掘進的參數進行對比分析，評價各機型對地層的適應性，總結了刀盤結構選型的地層適應性經驗，分析富水砂卵石地層刀盤選型設計的具體控制因素。

2 地層特點

研究的盾構區間主要穿越地層為中密和密實砂卵石地層，根據地層統計的36個鉆孔顯示，中密砂卵石地層中，卵石約占65.5% ～68.6%，飽和，圓礫、中砂充填，卵石粒徑2～15 cm，含漂石，最大粒徑達50 cm，漂石含量小于10%，砂卵石原巖為石英砂巖、花崗巖，埋深在9～18.0 m；密實砂卵石層卵石含量大于70%，卵石粒徑2～20 cm，含漂石，最大粒徑達60 cm，漂石含量小于10%，磨圓度較好、分選性差，圓礫、中砂充填，埋深為18.0～23.4 m。地層的卵石顆粒級配如圖1所示，圖2為車站基坑排出的卵石。

圖1 地層卵石顆粒級配

圖2 車站基坑排出卵石

3 不同刀盤盾構機及其基本參數

施工過程中，在同一區間左線采用用機型1施工，右線采用機型2施工，相鄰區間左右線均采用機型3施工，三種刀盤如圖3所示，盾構機參數如表1所列。

表1 盾構機參數

圖3 施工采用盾構機類型

4 不同刀盤掘進參數對比及適應性分析

4.1 掘進參數對比

盾構機施工參數產生于盾構掘進過程中，是設備地層適應性的主要表達方式。持續穩定的掘進速度是衡量盾構掘進效率的重要指標，盾構機推力的大小不僅直接影響開挖面的穩定性，而且也與刀盤的切削能力有很大關系，刀盤扭矩是最能反映土壓平衡盾構掘進性能的一個控制性參數，在正常掘進階段，只有將掘進速度、轉速、推力、扭矩控制在一個合理范圍內，才能確保盾構刀具對所遇到的地層進行正常切削。

為了比較這三種盾構機對富水砂卵石地層的適應程度，在地層條件相近的兩個相鄰區間各取掘進穩定的60環，對這三種機型的主要施工參數（掘進速度、推力、扭矩、刀盤轉速）進行統計對比。結果如圖4～圖7所示。

圖4為三種機型的掘進速度對比，從圖中可以看出：三種機型中機型3的掘進速度最低，掘進速度在30～70 mm/min之間，大多數時段掘進速度在50 mm/min左右；機型1的掘進速度在機型2與機型3之間，速度在60～100 mm/min之間，大多數時段維持在80 mm/min左右；機型2的掘進速度最高，掘進速度在70～110 mm/min之間，大多數時間維持在100 mm/min左右。從掘進速度這個參數來看，機型2的掘進速度最高，而且長時間維持在較高的水平。

圖4 三種機型掘進速度對比

圖5為三種機型掘進期間的刀盤扭矩對比，從圖中可以看出：三種機型中機型3的工作扭矩最大，在3 500～5 300 kN·m之間，大多數時段維持在4 300 kN·m左右；機型1的扭矩變化幅度較大，在1 800～4 700 kN·m之間，大多數時間維持在4 300 kN·m左右；機型2的扭矩最低，在3 000～4 000 kN·m之間，大多數時段在3 500 kN·m左右。從刀盤扭矩這個參數來看，機型2的工作扭矩長時間處于較低水平，而且波動范圍最小。

圖5 三種機型工作扭矩對比

圖6為三種機型掘進期間的工作推力對比，從圖中可以看出：三種機型中機型3的推力在機型1和機型2中間，在12 000～18 000 kN之間，大多數時段在18 000 kN附近；機型1的工作推力最大，在14 000～22 000 kN之間，大多數時段維持在18 000 kN左右；機型2的工作推力最小，在10 000～12 000 kN之間，大多數時段維持在11 000 kN附近。從工作推力這個參數來看，機型2的工作推力長時間處于較低水平。

圖6 三種機型工作推力對比

圖7為三種機型掘進期間的刀盤轉速對比，從圖中可以看出：三種機型中機型3的刀盤轉速最低，大多數時段維持在1.6 r/min左右；機型1的轉速波動范圍最大，在1.65～1.95 r/min之間，波動范圍最大，平均轉速也最高；機型2的刀盤轉速平穩性最好，大部分時段維持在1.6 r/min和1.68 r/min。

圖7 三種機型刀盤轉速對比

4.2 總體掘進情況

圖8為三臺盾構機的整體掘進狀況，從圖中可以看出：機型2的各項掘進參數都比較平穩，機型1與機型3掘進參數跳動范圍較大。機型1掘進過程中，雖然平均掘進速度處于80 mm/min左右，但扭矩與推力一直處在較高狀態，而且波動范圍較大；機型3的掘進速度最慢，但其推力和扭矩在大多數時段比機型1和機型2都大，而且掘進速度、推力與扭矩波動范圍都是三種機型中最大的；機型2掘進速度一直處于最高水平，但其推力和扭矩水平在大多數時段內是三種機型中最低的，而且各參數波動范圍也是最小的。因此，從各個參數綜合匹配的角度來看，三種機型中機型2對于富水砂卵石地層適應性是最好的。

圖8 三種機型整體掘進狀況

4.3 適應性差異原因分析

三種機型的刀盤型式均為復合式（輻條＋面板），開口率分別為32%、34%、32%，三者無明顯差別，刀具布置也相似。機型2的最大開口尺寸大于機型1和機型3。

從上面分析可以看出，盾構機在富水砂卵石地層中掘進，需要解決兩個主要問題：一是大部分砂卵石在刀盤前不需反復碰撞、切削就能夠直接通過刀盤進入土倉；二是進入土倉的砂卵石能夠通過螺旋輸送機順利排出，對于少量的大粒徑漂石經過較少次數的破碎后直接排出。機型2與其他兩個機型的刀盤開口差異主要為：一是刀盤中心位置少安裝了一把滾刀，有效避免刀盤中心結泥餅；二是刀盤最大開口尺寸和開口分布更趨合理。

從刀具磨損的角度來看，機型3與機型1刀具磨損較機型2嚴重，換刀頻繁，說明這兩種機型在掘進過程中砂卵石的破碎量要遠大于機型2，稍大粒徑的砂卵石很難順利從掌子面排出。

機型1與機型3相比，雖然刀具磨損都比較嚴重，但機型1的刀盤卡死頻率要遠低于機型3，其根本原因在于機型1的驅動功率大于機型3，存在某種程度上的“強推”。

5 結論

基于三臺不同盾構機在類似地質條件下的實際掘進參數及掘進效率的統計，對統計數據進行了單參數和整體適應性的比較，通過對實際掘進效率的差異原因進行分析，得出了在盾構機主要參數基本一致的條件下，影響富水卵石地層盾構隧道施工效率的具體因素，結論如下：

（1）在富水砂卵石地層盾構機選型中，應該考慮地層詳細的工程地質情況，在設備功率、扭矩、推力等指標相差不大情況下，重點應關注刀盤開口分布、最大開口尺寸。

（2）刀盤開口率是一個較為宏觀的指標，在開口率大體合理的條件下，刀盤的開口位置、布局及最大開口尺寸對盾構機的掘進效率起著更為重要的控制作用。富水砂卵石地層中在刀盤中心開口、增加周邊開口尺寸能夠明顯提高施工安全性和效率，在確保地層穩定的條件下，盡量增加刀盤開口尺寸，減少對大粒徑砂卵石的破碎量和破碎次數。