常壓刀盤超大直徑泥水盾構刀具管理及應用分析

王振飛，胡新朋，黎 峰，成偉江，李云濤

(1.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001； 2.中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 518052)

0 引言

隨著我國城市化發展和交通需求量增加，超大直徑盾構在跨江過海隧道工程中得到廣泛應用；而且盾構應用逐步向直徑更大、埋深更深、距離更長、地質更復雜的方向發展。合理的盾構刀具選型和配置成為工程取得成功至關重要的因素。本文以汕頭蘇埃通道工程施工為例，對盾構穿越基巖凸起段和軟土段不同地層刀具配置和參數設定進行分析和研究，為以后類似工程施工提供經驗參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

蘇埃通道工程路線全長6 680m，設特長隧道1座(5 300m)，互通立交2處，管控中心1處，收費站1處，風塔2座。采用一級公路技術標準，設計速度為60km/h，雙向6車道；主體結構使用年限100年。

盾構段設計為2條單洞隧道，隧道內徑為13.3m，外徑為14.5m，內設安全通道、應急通道、電纜管廊、管溝及煙道。盾構隧道管片環寬2m、厚600mm，通用雙面楔形環，楔形量48mm。分10塊，采用“7+2+1”分塊模式，錯縫拼裝。

1.2 地質概況

盾構隧道始發和到達段主要為淤泥質地層，埋深較淺(始發段8m，到達段12.5m)，且局部存在孤石和花崗巖。海域段長距離穿越淤泥質軟土、砂層，區間存在花崗巖球狀風化分布區和凸起基巖段，長約182m，侵入隧道最大高度8.4m。微風化巖強度較大，最大抗壓強度210MPa。

2 盾構機設計總體刀具配置

盾構刀盤具備可常壓更換刀具功能，配備75把滾刀、154把刮刀、39套滾刀磨損檢測裝置，其中可常壓更換的刀具包括75把滾刀和48把刮刀，如圖1所示。

圖1 盾構機刀盤刀具配置

1)常壓更換滾刀75把(可更換為撕裂刀) 包括12把中心雙軸雙刃滾刀，直徑17in(1in=2.54cm)，刀間距130mm，刀高225mm，最大工作荷載267kN；60把正面及周邊雙軸雙刃滾刀，直徑19in，刀間距100mm，刀高225mm，最大工作荷載315kN；3把單刃滾刀，直徑19in，刀間距98mm，刀高225mm，最大工作荷載315kN。

2)常壓切刀48把 刀高185mm，共24個軌跡，每個軌跡2把，軌跡半徑范圍在3 095～7 434mm全軌跡覆蓋。

3)帶壓切刀154把 刀高185mm，半徑2 370～6 600mm全軌跡覆蓋，邊刮刀54把。

3 刀具配置應用

根據本工程的地質情況及在掘進過程中不斷總結和研判，在保證現場施工安全和盾構快速掘進的前提下對盾構刀具進行優化配置，主要對盾構穿越加固區孤石基巖段、回填區基巖孤石段和軟土段進行刀具的優化配置和現場工程實踐。通過調整盾構穿越不同地層時的刀具配置，達到少停機、少損刀具的目的。

3.1 孤石基巖段刀具配置

3.1.1地質情況

隧道盾構段頂部地層以淤泥、淤泥質土、中粗砂、粉質黏土、粉細砂、圓礫石、礫質黏性土為主，隧道底部地層以全風化花崗巖、中風化花崗巖為主。

3.1.2掘進情況

盾構隧道管片-4～3環為始發加固區，存在孤石和基巖，盾構刀具總體配置為帶壓切刀154把、滾刀39把、常壓切刀48把、邊刮刀54把。根據施工經驗，盾構平均掘進參數控制貫入度7.8mm/r、掘進速度5.5mm/min、刀盤轉速0.7r/min、總推力26 244kN、總擠壓力4 989kN、刀盤扭矩2 268kN·m，但在盾構推進過程中出現扭矩波動頻繁且波動值突變較大情況。現場定在3環位置常壓進倉對刀具進行檢查：39把常壓滾刀均工作正常，未發現異常情況；54把邊刮刀中25把存在合金齒脫落情況，脫落1～5個合金齒，未發現邊刮刀變形及掉落；48把常壓更換切刀中有22把存在不同程度損壞，脫落1～5個合金齒，未發現刀具變形及掉落；154把帶壓切刀中有82把存在不同程度損壞，其中7把螺栓斷裂直接脫落，75把合金齒脫落1～5個。倉內底部掌子面存在孤石且在倉內發現鋼筋和掉落的帶壓切刀。

根據-4～3環盾構掘進情況分析，盾構穿越有孤石的加固區時滾刀未出現異常，常壓、帶壓切刀均存在不同程度的損毀，且存在帶壓切刀刀具掉落情況，而帶壓切刀掉落后將直接造成刀盤或刀具的二次磨損，危害極大。由此分析，盾構在此段掘進時滾刀能達到破巖效果；扭矩異常波動可能是由于滾刀破巖后掌子面存在凹凸不平、軟硬不均，凸起部分撞擊切刀導致。

從刀具的設計角度來看，在硬巖地層掘進帶壓切刀有2個重要作用：①在滾刀對巖石進行擠壓破碎后，對巖脊進行切削剝除；②將掌子面的渣土、石塊等導入出渣口，降低刀盤二次磨損的可能性。但在孤石和上軟下硬地層中，切刀和邊刮刀的掘進效率不太理想，相反制約了掘進，所以需對切刀采取適當“減法”和保護改造措施。

通過對掘進過程中帶壓切刀受力的分析研究，采取切刀與刀座間焊接刀具保護座措施，使切刀在掘進過程中將部分荷載通過刀座傳遞，降低刀具直接脫落的可能性(見圖2)；將常壓切刀刀頭拆除，安裝耐磨保護帽保護刀頭安裝座，耐磨保護座距刀盤面板的高度適當降低，從而降低保護座參與切削的可能性，有效控制和降低保護座脫落的可能(見圖3)。同時，保護座外形尺寸相對較小，脫落后對刀盤造成二次磨損的幾率小，且使用靈活，在需安裝刮刀時更換相對容易。優化后的刀具配置情況為帶壓切刀154把(焊接刀具保護座)、滾刀39把、常壓切刀0把(安裝保護座)、邊刮刀54把。

圖2 帶壓切刀保護座

圖3 常壓切刀保護帽

6～32環為回填區孤石基巖段，現場采取“低轉速、低貫入度”主動控制原則，即盾構掘進參數按貫入度5～6mm/r、刀盤轉速0.55r/min、刀盤扭矩4 000kN·m控制。當扭矩有持續上升趨勢時適當降低推進速度，確保扭矩降至合理范圍內；當掘進扭矩>4 000kN·m時，立即停止掘進進行空轉循環出渣以降低刀盤扭矩。但在該段地質條件下，刀盤扭矩出現波動次數共計404次，其中刀盤扭矩波動至5 000～8 000kN·m共計350次，扭矩波動至8 000～10 000kN·m共計27次，扭矩波動至10 000kN·m以上共計27次。27環掘進過程中停機帶壓進倉檢查3次，據完全統計帶壓切刀掉落5把、切刀不同程度崩齒72把、刀盤泄渣口結泥封堵8次、常壓切刀保護帽變形脫落25處，較之前10環的刀具掘進狀態有極大改善。最后一次刀盤檢查情況如圖4所示。

圖4 進倉檢查刀具情況

針對帶壓進倉檢查發現的切刀掉落、崩齒、刀盤泄渣口結泥封堵、常壓切刀保護帽變形脫落等問題，現場采取更換損壞帶壓切刀，打撈掉落刀具和保護帽，沖洗泄渣口泥餅，常壓切刀保護帽拆除等措施。

3.2 軟土段進行刀具配置

選取750～850環軟土段進行分析，盾構穿越地層為淤泥混砂、中粗砂、淤泥質土。為防止刀盤中心區域結泥餅，將刀盤面板中心塊無開口區域即旋轉半徑2.4m范圍內滾刀更換為撕裂刀。盾構掘進每環(2m)平均用時60min，掘進效率很高，滾刀磨損正常。盾構掘進參數按貫入度32mm/r、推進速度32mm/min、刀盤轉速1.0r/mim、刀盤扭矩2 643kN·m、推進力83 455kN、刀盤伸縮總擠壓力15 613kN控制。刀具配置情況為帶壓切刀154把、滾刀28把、撕裂刀11把(17in 6把、19in 5把)、常壓切刀0把(去除刀頭)、邊刮刀54把。

4 結語

4.1 結論

通過對超大直徑盾構施工中的監測數據和刀具方案的實踐情況分析，總結出以上盾構穿越孤石基巖段、軟土段的刀具配置優化方案和高效掘進控制參數(±(15%～20%))。盾構穿越孤石基巖段、軟土段的掘進效率與參數控制、刀具配置密切相關，施工過程中合理控制轉速、推力和扭矩等參數，重視地層變化，及時優化刀具配置方案，能減少被動停機進倉檢查刀盤的風險、減少刀具非正常磨損幾率，進而降低刀具管理成本和項目成本。

4.2 建議

1)施工過程中，大直徑盾構常壓滾刀的旋轉檢測、溫度檢測和磨損檢測系統穩定可靠，要對其數據變化和超限預警情況保持高度的敏感性。

2)建議試用含碳量較低的梯度硬度刀圈，增加刀圈韌性。對刀圈進行“梯度硬度”熱處理，使刀圈芯部硬度下降，而刃口硬度保持不變。梯度硬度的刀圈可進一步提升AKU值，在確保硬度及耐磨性能的前提下，能有效降低刀圈斷裂風險。