漂卵石地層土壓平衡盾構破巖機理分析

王鑫

（中國鐵建投資集團有限公司，北京100039）

1 漂卵石地層盾構破巖機理

1.1 滾刀破巖機理

巖石在收到滾刀的擠壓、剪切及擠壓、剪切兩者的綜合作用下產生了裂紋，隨著滾刀穿透程度的提高，巖石內部的裂縫繼續擴大到周圍區域，直至相鄰根滾刀之間產生的裂紋交叉，相鄰滾刀之間的巖石剝離并與巖體分離，最終巖石破碎。圖1是滾刀的擠壓示意圖，擠壓的獨有特征便是滾動力矩M和軸向力P共同作用使滾刀壓入巖石，滾刀前進巖石連續破碎。

圖1 滾刀擠壓破巖

動力中最主要的參數是扭矩，扭矩有對巖石擠壓、破碎的作用，是破碎作用力的主要構成部分；扭矩以及其他參數是由擠壓推力決定的。

1.2 切削刀破巖機理

盾構機切刀的切削原理如圖2所示，在盾構向前推進、刀盤旋轉時，切刀做兩個方向運動：①沿著掌子面掘進的方向運動，此時，產生相應的垂直切削力，它決定著切刀的切削厚度；②沿掌子面方向運動，此時產生相應的水平切削力，它起著對巖石疏松、剝離的作用。在這一運動過程中，巖石的應力超過強度極限時，巖石開始破壞，最終導致巖石的整體開始破碎，進而從開挖面分離剝落出去。

圖2 切刀切削機理

1.3 組合滾刀破巖機理

組合滾刀在破巖時主要受到來自三個方向滾動力FR、側向力Fs、垂直力Fv的作用，如圖3所示。

圖3 組合滾刀破巖受力

1.3.1 Evans預測模型

Evans預測模型基本理論認為，在盾構施工過程中，盤形滾切刀圈壓入巖石時的垂直力Fv隨著接觸面投影面積Ap的增大而增大，二者之比即為巖石的單軸抗壓強度，見式（1）：

式中：θ-滾刀刀圈刃角，rad；R-滾刀半徑，mm；h-滾刀貫入，mm。

1.3.2 Roxborough預測模型

Phillips和Roxborough研究V型滾刀的破巖過程，得到其破巖滾動力FR和破巖垂直力Fv的理論預測模型，其公式表達如式（3）、式（4）：

式中：D-滾刀半徑，mm；P-切入深度，mm；φ-刀尖半角，rad。

1.3.3 秋三藤三郎預測模型

秋三藤三郎認為，在隧道開挖時，盤形滾刀受到的側向力可以分為擠壓破碎和剪切破碎兩種情況討論：

（1）擠壓破碎：盤形滾刀通過滾壓巖石使其破碎，盤形滾刀在整個滾壓過程中受到壓碎的巖石給予刀刃側反作用力，由此形成盤形滾刀的側向力，見式（5）：

（2）剪切破碎：當兩個相鄰的圓盤刀具剪切它們之間的巖石時，巖石的反作用力稱為圓盤刀具的側向力，見式（6）：

1.3.4 科羅拉多礦業學院預測模型

美國科羅拉多礦業學院Levent Ozdemir、Russell Miller和Fun-Den Wang經過大量的線性切割試驗，提出線切割試驗預測公式，其垂直力Fv和滾動力FR見式（7）、式（8）：

式中：τ-巖石抗剪強度，MPa；P-切入深度，mm；α-刀刃角，rad；φ=

該模型雖然考慮破巖過程中刀具間距對滾刀組合受力的影響，但沒有考慮刀片寬度對滾刀破巖受力的影響。科羅拉多礦業學院的Sanio、Sato、Rostami在線切割模型的基礎上，研究圓盤滾刀的破巖過程，提出一種更為成熟的滾刀力預測模型——CSM模型，其表達式為式（9）：

式中：Ft-盤形滾刀受到的合力，kN；T-刀刃寬度，mm；Ψ-刀尖的壓力分布系數；P0-破碎區比功，與滾刀結構和巖石強度有關P0的表達式為式（10）：

式中：C-無量綱系數，一般取2.12；σt-巖石的抗拉強度，MPa；結合Ft和P0，得垂直力Fv和滾動力FR，分別為式（11）、式（12）：

2 漂卵石地層刀具破巖機理

滾刀無法在漂卵石地層的工作面上形成連續的切削軌跡，也無法達到巖石地層那樣的掘進狀態，因此上述機理無法滿足巨礫地層的結構特性。漂卵石地層屬于強度極低的疏松或泥質膠結，屬于弱地層，但也含有強度極高、大小不等的漂卵石，是真正具有剛性的軟介質帶和具有硬度的軟介質帶。因此，既不能完全代入純硬巖掘進機理，也不能完全根據軟弱地層掘進機理來選型。所以，為了適應土壓平衡盾構在漂卵石地層的掘進，需要創建一種新的掘進機理，即漂卵石地層的破巖機理。

如何看待地層中高強度、不同粒徑的漂卵石？一種理論認為要忽略漂卵石，將其一起收進土艙，采用大直徑帶式螺旋輸送機輸出，真正無法輸出的使用人工進艙進行破除。另一種說法是采用全刀盤滾刀，用滾刀直接壓碎卵石放入土艙，用中徑桿式螺旋輸送機輸出。上述兩種方法均存在不足之處，第一種說法直接帶來三點弊端：①刀盤開口過大進而降低刀盤的強度，直接挖掘地層也會使極大增加主軸承的扭矩，縮短主軸承的壽命；②當確定為有無法輸出的漂卵石時，漂卵石對設備產生一定的破壞，開艙的破石成本很高，而且這種地層也無法隨時開艙；③對帶式螺旋輸送機的強度要求過高，而且螺旋機容易發生卵石推擠卡死現象，處理起來極其困難。第二種說法也有三個直接的危害：①圓盤刀具的刀具磨損過大，掘進成本極高；②滾刀做太多無用功，有用的功少，不經濟；③刀盤開口小，導致掘進速度慢。上述兩種說法對于漂卵石地層都較為極端，針對性不強。

3 工程實例

結合某城市地鐵盾構區間隧道工程，設計刀盤用于漂卵石地層條件下的掘進如圖4所示。

圖4 刀盤側剖面

根據螺旋輸送機的最大直徑卵石輸出尺寸（200～300mm）確定滾刀的刃間距，使絕大部分小卵石不會被滾刀切到就可進入土艙排出，而無法排出的部分漂卵石會被滾刀、刀盤共同作用在刀盤之外破碎后再進入土艙從中排出，另外一部分無法及時破除的漂卵石可通過刀盤扭矩突增等信息判斷是否卡機進而采取人工取石。這樣既降低了滾刀的磨損，減少成本，也大大增加滾刀做的有用功。此外，滾刀能大大減少刀盤的扭矩，由于滾刀可以先破壞地層，從而對刮刀也起到非常有效的保護作用。與硬巖破碎的機理不同，滾刀對漂卵石的破碎機理是滾刀純粹的對卵石的擠壓產生應力集中形成的剪切破壞，按此機理，盾構并不需要多大的頂推力，破除漂卵石起來也比較容易。

4 結論

結合實際工程地質，經過詳細調研得出以下結論：必須使用滾刀，但要限制其數量；采用常規的直徑φ700～φ900的桿式螺旋輸送機可輸出的最大卵石粒徑為24～35cm。大粒徑漂卵石地層其自身的穩定性較差，刀盤對卵石的破碎機理具有非常大的變數，地層中卵石粒徑的大小也會有不同的破巖形式，各個范圍內卵石粒徑的破巖機理如下：

（1）卵石粒徑為0~20cm時：這部分卵石在刀盤的轉動后，在滾到和刮刀的作用下很容易脫落直接進入土艙，無明顯破巖效果。

（2）卵石粒徑為20~30cm時：由于刀盤的通過粒徑為30cm，卵石中粒徑偏小的部分可以直接進入土艙，卵石粒徑偏大的部分卵石在土體中其自身穩定性較高，被刀盤上的滾刀粉碎后，在刮刀的作用下進入土艙，還有部分卵石無法進入土艙，但伴隨刀盤轉動而最終破碎進入土艙。

（3）卵石粒徑大于30cm時：這部分卵石在無破碎的情況下是無法進入土艙，已經大于刀盤開口的通過粒徑，也對刀盤扭矩有非常大影響，多半會隨刀盤轉動，當卵石到達刀盤下半部分時，其鑲固的非常密實，會在滾刀的作用下或是卵石間的相互作用下破碎，進入土艙。

由此，該機理掘進卵石地層的原則是：①粒徑小于等于300mm的卵石（含量較多）可直接從土艙排出；②用滾刀將大部分超大直徑漂卵石破碎后從土艙排出；③較少部分超大直徑漂卵石，由于地層較軟且松散無法為其提供強有力約束，容易隨刀盤滑動，進而被“卡碎”（剪切破碎）；極少漂卵石無法破碎造成卡機等問題，只能對其進行人工取石。