富水卵漂石地層盾構設備適應性改造技術研究

鄭龍威，劉文，楊志勇，徐波，王強

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中國地質大學（武漢）經濟管理學院，湖北 武漢 430074；3.中交二航局成都城市建設工程有限公司，四川 成都 610015）

0 引言

富水卵漂石地層由于其滲透系數大、土體強度高、地層松散等特性，采用盾構法在此地層施工存在較大困難[1-2]。在富水卵漂石地層中采用土壓平衡盾構施工時，渣土難以及時有效排出，刀盤刀具磨損加大，設備負荷大，施工成本高[3]；同時，地層松散，盾構掘進過程中易出現超挖現象，易形成地層空洞，導致后期的地面塌陷[4-5]。對地鐵施工尤其是盾構區間施工影響很大，很容易造成卡機[6]。

盾構的選型能否適應所掘進的地層是該盾構隧道能否成功的重要因素[7]之一。地層條件不同，盾構機的設計理念也應該隨之而變，應根據盾構隧道所在地層特點進行盾構機的選型和針對性的設計[8-9]。富水卵漂石地層在成都地區廣泛存在，前期的地鐵修建，已經為成都地區地鐵施工積累了大量寶貴的經驗[10]。目前，國內對于無水砂卵石及富水砂卵石地層盾構施工積累了一定的施工經驗，而對于粒徑大的富水卵漂石地層的盾構施工實踐經驗較少，因此按照已有的施工經驗無法全部解決盾構在富水卵漂石地層面臨的許多問題和難題[11]。

本文通過盾構設備的實際應用情況、現場掘進的數據、資料，對富水卵漂石地層盾構設備的地層適應性、掘進效能、關鍵參數、刀具磨損展開對比研究，結合工程施工經驗以及施工中的實際問題，針對該地層特點展開盾構設備適應性改造技術研究，以求實現卵漂石地層盾構高效、安全施工。

1 工程概況

成都砂卵石地層主要含粉質黏土、粉細砂、中砂和卵石土，地層密度差異性較大，卵石土級配、含量不均勻系數較大，局部夾透鏡狀砂層，自穩能力、分選性均較差，且透水性高。此外，該地層75%為卵漂石，粒徑20～70 cm，單軸抗壓強度超過132 MPa；不僅具有與砂卵石地層相同的地質特點，還因漂石的含量和粒徑很大，極易造成設備的磨損[12]，大粒徑卵漂石的剝落更易發生坍塌。針對富水卵漂石地層的特殊地質條件，成都17號線TJ05A標鳳溫區間選擇大開口率輻條式刀盤配以帶式螺旋輸送機，設置45%刀盤開口率，1 100 mm螺旋機輸送粒徑。同時，針對大開口易造成的噴涌風險，采用合適的渣土改良控制，增加渣土的阻水性，降低出渣噴涌風險，明一區間采用面板式刀盤配以軸式螺旋機，設置36%刀盤開口率，610 mm螺旋機輸送粒徑。

2 大開口刀盤帶式螺旋機盾構適應性分析

成都地鐵17號線區間為砂卵石地層，50%～60%卵石含量，粒徑為6～10 cm，取明一區間右線、鳳溫區間左右線500環連續掘進數據進行對比分析。鳳溫區間地層主要為卵漂石地層，卵石粒徑6～18 cm約占75%，局部地段見漂石，一般長度約210～240 mm，最大約350 mm。為此，明一區間采用的成都地區常用的較小開口刀盤軸式螺旋機配置的盾構機，鳳溫區間采用的為較大開口刀盤帶式螺旋機配置的盾構機，以適應各自地層，實現順暢掘進。針對2種不同配置盾構機在不同地層下的使用效果比較見表1。

表1 功效參數對比表Table 1 Comparison of efficacy parameters

由表1可知，大開口刀盤帶式螺旋機配置盾構機平均日掘進7.2環，相比于小開口刀盤軸式螺旋機配置盾構機平均日掘進5.6環，施工速度提高了28.6%，說明大開口刀盤帶式螺旋機配置盾構機實現了快速出渣、順暢掘進的效果；大開口刀盤帶式螺旋機配置盾構機掘進參數較小，掘進速度較快，刀具磨損速率較低，體現了大開口刀盤帶式螺旋機配置盾構機的優勢。下面從掌子面穩定性分析、掘進效率適應性分析、設備參數適應性分析3個方面具體對比分析大開口刀盤帶式螺旋機配置盾構機的適應性。

2.1 掌子面穩定性分析

2.1.1 地表沉降監測分析掌子面是盾構機與土直接作用的接觸面，穩定性主要體現在地表沉降的變化上，通過對比地表沉降變化可以反映出盾構掘進過程中掌子面的穩定性。取鳳溫區間左線、右線、明一區間右線260 m范圍的掘進地表沉降監測數據進行對比分析，見圖1。鳳溫區間左線平均沉降值為10.88 mm，右線平均沉降值為8.96 mm；明一區間右線平均沉降值為18.29 mm。大開口率刀盤的平均沉降值遠小于小開口率刀盤，說明大開口率刀盤更有利于控制掌子面的穩定；通過相同大開口率的面板式刀盤和輻條式刀盤比較可知，輻條式刀盤對掌子面穩定性控制略高于面板式刀盤。由地表沉降變化曲線圖可知，大開口率刀盤區間的沉降變化波動較小，基本穩定在20 mm以內，小開口率刀盤的沉降波動較大，沉降值的浮動值在0～50 mm范圍，即大開口率刀盤對于地表沉降的控制更有效。

圖1 地表沉降值曲線圖Fig.1 Surface subsidence value curve

2.1.2 上部土壓分析

圖2為上部土壓變化曲線，由圖2可知鳳溫區間左線平均上部土壓為108 kPa，波動范圍60～140 kPa，鳳溫區間右線平均上部土壓為113 kPa，波動范圍80～140 kPa，明一區間右線平均上部土壓為89 kPa，波動范圍60～120 kPa。通過數據對比可知，鳳溫區間右線上部土壓波動范圍更小，且平均壓力較大，說明大開口率輻條式面板在砂卵石地層掘進土壓控制更為穩定，掌子面壓力平衡，且不易造成地面沉降。

圖2 上部土壓變化曲線圖Fig.2 Upper earth pressure curve

2.2 掘進效率分析

鳳溫區間左線平均掘進速度64 mm/min，鳳溫區間右線70 mm/min，明一區間55 mm/min，三者差異較小，鳳溫區間右線掘進速度相對穩定，掘進速度略高于其他兩條線路，說明大開口率的輻條式面板在砂卵石地層中的適應性更高。此外，明一區間右線有效掘進時間217 d，平均日尺進度5.60環/d；鳳溫區間左線有效掘進時間130 d，平均7.25環/d；鳳溫區間右線有效掘進時間131 d，平均7.20環/d。有效掘進時間內，大開口率的刀盤掘進速度明顯高于小開口率的刀盤；相同開口率的刀盤比較，輻條式刀盤略優于面板式刀盤。

2.3 設備參數適應性分析

2.3.1 貫入度比較分析

影響盾構掘進推力的因素不僅是地質條件，還包括貫入度和掘進速度，故采用場切深指數[13]對推力進行“歸一化”處理。鳳溫區間左線平均貫入度為41 mm，右線平均貫入度為43 mm；明一區間右線平均貫入度為36 mm，根據貫入度曲線圖波動變化可知，鳳溫區間左右線的貫入度比明一區間右線波動幅度小，說明鳳溫區間左右線掘進過程刀盤破巖動作有效性高于明一區間右線，說明大開口率刀盤在砂卵石地層的適應性更高。

2.3.2 刀盤扭矩比較分析

在富水砂卵石地層遇到刀盤扭矩過大，多數原因是土倉內大粒徑卵石較多、土倉排土補償，因此在砂卵石地層要嚴格控制刀盤扭矩的合理參數。分別取3條線路500環數據進行比較，見圖3，3條線路的刀盤扭矩基本上處于8 500～18 000 kN·m范圍內浮動，其中鳳溫區間左線平均扭矩為10 304 kN·m，鳳溫區間右線平均扭矩為10 288 kN·m，明一區間右線平均扭矩為12 672 kN·m，相對而言，鳳溫區間左右線的平均扭矩低于明一區間右線，說明大開口率的刀盤配置更有利于富水砂卵石地層的掘進，其適應性更強。

圖3 刀盤扭矩變化曲線圖Fig.3 Variation curve of cutter head torque

通過比較，鳳溫區間左右線的單位貫入度轉數明顯低于明一區間右線，說明土倉渣土量相同時，同直徑的帶式螺旋輸送機比軸式螺旋輸送機排渣速度更快，其排渣效率高。

3 刀具磨損規律分析

3.1 實際滾刀磨損類型及分布

在鳳溫區間右線281環、明一區間左線158環位置，進行了開艙查換刀工作，統計滾刀磨損情況見表2。其中，10把中心滾刀中有6把發生偏磨，12把邊緣滾刀中有5把發生偏磨。整體趨勢為大開口率刀盤滾刀發生偏磨概率小于小開口率刀盤滾刀。

表2 兩區間滾刀磨損類型統計表Table 2 Statistics of wear types of hobs in two sections

據表2可知，滾刀磨損類型主要為尖磨、偏磨；偏磨滾刀分布在刀盤中心及邊緣。刀盤中心區域滾刀安裝線速度小，地層提供力矩小，致使滾刀連續轉動，易堵塞、結餅，造成其發生偏磨。邊緣滾刀線速度大，安裝角度不垂直于開挖面，在與卵漂石劇烈作用后，導致刀軸變形、損壞，造成其發生偏磨。

3.2 滾刀磨耗系數

鳳溫區間右線281環及明一區間左線158環的刀盤累積旋轉數分別為10 718轉、11 963轉。根據公式（1）計算滾刀徑向磨耗量，得出滾刀磨耗系數，繪制出滾刀磨耗系數與位置關系，如圖4所示。

圖4 滾刀磨損系數與安裝位置關系Fig.4 Relationship between hob wear coefficient and installation position

式中：k為刀具磨耗系數，mm/km；δ為刀具磨耗量，mm；R為刀具安裝位置半徑，mm；Z為刀盤累積左旋轉數，r；Y為刀盤累積右旋轉數，r。

由圖4可知，區間滾刀磨耗系數與安裝位置呈“U”形分布，中心和邊緣滾刀磨耗系數大于正面滾刀，原因如下：

1）中心滾刀安裝半徑小，阻礙扭矩大于轉動扭矩，易產生滑動，即相同壓力下，滑動摩擦力大于滾動摩擦力，掘削相同軌跡長度下，磨耗量越大，磨耗系數越大。

2）正面滾刀安裝半徑增大，滾刀線速度增大，滾刀與漂石間作用力增大，磨粒磨損程度加劇，其磨耗系數減小。

3）邊緣滾刀安裝在刀盤正、側面圓弧段，且編號與開挖面夾角成反比，滾刀所受地層側向力大，刀刃一側所受摩擦力也越大，其磨耗系數也越大。

鳳溫區間為45%刀盤開口率，帶式螺旋輸送機；明一區間為36%刀盤開口率，軸式螺旋輸送機。刀盤開口率小，造成刀盤漂石堆積，產生持續性刀盤刀具磨耗；刀盤開口率增大，能使漂石快速入艙，有效減少刀盤、刀具持續磨耗，降低了磨耗系數，延長了刀具使用壽命。因此，兩區間滾刀磨耗系數差異的根本原因在于刀盤開口率的不同。

4 結語

本文根據富水卵漂石地層盾構施工設備實際應用情況、現場掘進數據和相關資料，對盾構設備在富水卵漂石地層的盾構掘進效能、地層適應性、刀具磨損情況等進行了對比研究，得出以下結論：

1）在卵漂石地層施工中，大開口率的刀盤具有更高的適應性。在超大粒徑、比重大、強度大的卵漂石地層，大開口率刀盤切削動作平穩、扭矩變化波動小、整體掘進速度高；大開口率刀盤對上部土體的擾動更小，地面沉降控制更有效。

2）相對軸式螺旋輸送機的實際施工使用情況，帶式螺旋輸送機更有利于排出卵漂石地層的大粒徑渣土，且磨損程度更低。如選用軸式螺旋輸送機，可通過注入膨潤土和高分子聚合物，降低渣土對螺旋輸送機的磨損，減少螺旋輸送機的維修頻次。

3）通常邊緣位置的刀盤及刀具的磨損情況相對嚴重，刀具更換時需要對邊緣位置刀具的情況側重檢查；中心區域的刀具更易堵塞或結泥餅，可以利用刀盤的高壓噴水口沖洗以避免此類情況的發生。為避免掘進過程對刀盤造成過度磨損，刮刀的高度可以適當提高以避免刀盤直接、大面積的與土體摩擦。