張家年,胡玉娟

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450000)

成都富水砂卵石地層盾構刀盤設計及應用

張家年,胡玉娟

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450000)

針對成都富水砂卵石地層盾構施工過程中刀盤刀具磨損嚴重、結泥餅和地表沉降大等問題，從盾構刀盤結構設計、刀具配置、耐磨保護及刀盤碴土改良等方面入手，對刀盤進行了針對性地改良設計。改良后的盾構刀盤不僅實現(xiàn)了長距離掘進，而且也有效地控制了地表沉降，對類似地層盾構刀盤設計具有一定的指導和借鑒作用。

成都地鐵；富水砂卵石；土壓平衡盾構；刀盤設計；碴土改良

0 引言

目前，盾構法在應用于城市地鐵隧道的修建中還存在一些問題，如在成都富水砂卵石地層盾構法施工中，普遍面臨刀盤刀具磨損嚴重，換刀頻繁，刀盤結泥餅，地表沉降難以控制等問題。針對上述問題，施工單位和盾構設備提供商均做了大量的研究和改進。文獻[1]采用最新動態(tài)監(jiān)測裝置，對北京地鐵4號線4標角門北路站—北京南站區(qū)間盾構刀具進行了磨損監(jiān)測，并對砂卵石地層刀具動態(tài)磨損情況進行了分析；文獻[2]對富水砂卵石地層大直徑盾構刀具的磨損與適應性進行了分析；文獻[3] 對土壓平衡盾構在成都砂卵石地層中應用的幾個關鍵性問題進行了分析；文獻[4]和文獻[5]分別進行了砂卵石地層土壓平衡盾構施工泡沫技術和碴土改良技術的研究；文獻[6]對富水砂卵石地層土壓平衡盾構長距離快速施工技術進行了探討；文獻[7]分析了砂卵石地層對盾構施工造成的影響，并給出了解決措施；文獻[8]對成都富水砂卵石地層盾構施工滯后、沉降防控措施進行了探討；文獻[9]結合成都地鐵1號線2標和地鐵2號線2標的盾構施工實踐，提出了砂卵石地層下盾構如何降低超挖及如何解決超挖回填的問題；文獻[10]針對成都富水砂卵石地層盾構施工問題，對盾構設備配置進行了探討。

國內大部分文獻均從施工措施或施工技術方面，對砂卵石地層盾構施工進行了總結和研究。但盾構施工效果的保證除了采取合理的施工措施外，也離不開對設備本身的研發(fā)設計。雖然文獻[11]概述了國內典型砂卵石地層盾構的設計及配置，但針對盾構關鍵系統(tǒng)——刀盤，主要敘述了刀盤刀具設計的特點，對于其設計理念、設計原因并未進行具體的分析論證。而本文主要針對成都富水砂卵石地層，分析了盾構刀盤設計面臨的難點，并對其進行針對性設計，實踐證明，新設計制造的盾構刀盤在成都3，4號線施工中取得了較好的應用效果，對類似地層盾構刀盤設計具有一定的指導和借鑒作用。

1 成都地鐵工程概況

成都平原是發(fā)育在東北—西南向的向斜構造基礎上，由發(fā)源于川西北高原的岷江、沱江及其支流等8個沖積扇重疊聯(lián)綴而成復合的沖積扇平原。地鐵隧道埋深在地下10～25 m，管片外徑為6 m，靜止水位線一般在地面下3～5 m。隧道穿越地層主要為砂卵石，局部為泥巖，卵礫石中間由中粗砂填充，標貫值較高，為密實砂卵石，如圖1所示。其中卵石含量為50%～80%，卵石粒徑以20～200 mm為主，局部含有漂石。卵礫石硬，強度高，單軸抗壓強度可達150 MPa，最大可達180 MPa。同時水位線位于隧道頂板以上，卵礫石的透水系數(shù)為4.1×10-4m/s，故該隧道所在砂卵石地層含水豐富。

圖1 密實砂卵石

2 盾構刀盤重難點分析

刀盤作為土壓平衡盾構的開挖系統(tǒng)，起著隧道開挖、改良土倉碴土、保持掌子面穩(wěn)定等作用。針對成都富水砂卵石地層，盾構刀盤設計主要存在以下問題。

2.1 刀盤刀具磨損嚴重及換刀困難

根據地質勘探可知，砂卵石中卵石含量高達50%～80%，卵石中間由中粗砂填充，卵石強度較高，難以破碎，常常會對刀盤刀具造成二次磨損，甚至多次磨損，且整個刀盤盤體及刀體本身直接與卵石接觸，卵石不僅會對刀具刃口造成磨損和較強的沖擊，還會對整個刀體和刀盤盤體造成磨損。同時因刀具磨損較快，常常需要進倉更換刀具，由于砂卵石層細顆粒含量少，透氣性強，在需要帶壓進艙換刀時很難保住氣壓，因此存在換刀困難的問題。

2.2 刀盤結泥餅問題

中粗砂和卵石流塑性較差，土壓平衡盾構在該地層掘進時，刀盤進碴通道特別是土倉中心容易產生泥餅，如圖2所示。刀盤產生泥餅后，土倉碴土流動性降低，該部位刀具切削效率下降，導致刀盤掘進速度降低，扭矩增大，推力增大等問題,并加劇了刀盤刀具的磨損，嚴重影響施工進度。

圖2 刀盤中心產生的泥餅

2.3 掌子面水土壓力穩(wěn)定或地表沉降問題

在砂卵石地層條件下，有時會欠壓掘進，此時可能會產生較大沉降；另外，由于刀盤掘進擾動地層產生超挖，此時同步注漿尚不能補充，容易形成空洞。因此，即使當時不會發(fā)生沉降，盾構過后地面也可能會陸續(xù)發(fā)生沉降。地表塌陷如圖3所示。

圖3 地表塌陷

3 刀盤針對性設計

成都砂卵石地層具有卵石含量高、卵石粒徑20～200 mm，密實、卵石強度高，地層富水，開挖后自穩(wěn)性差等特點。由于刀具直接破碎卵石的難度大，故設計時應遵循以下原則：刀具以剝落切削為主，以破碎為輔，剝落切削下的卵石排入土倉，通過土倉螺旋輸送機輸送至倉外。故需要刀具耐沖擊、切削磨損和二次磨損，刀盤開口應有利于卵石排入土倉，刀盤防止結泥餅的能力要強。

3.1 刀盤結構設計

根據設計原則，刀盤開口應有利于卵石排入土倉，同時考慮刀具布置軌跡，富水砂卵石地層開挖后自穩(wěn)性較差，以及便于進倉更換刀具等因素，刀盤開口率設計為36%，中心區(qū)域開口率為40%的四主梁加四副梁的復合結構形式(如圖4所示)。相比類似地層以往刀盤結構(開口率為26%)，既增大了刀盤整體開口率，又充分增大了刀盤中心區(qū)域開口率。其次，開口在刀盤面板均勻分布，進碴通道采用利于卵石順利進入土倉的錐形設計，并且根據具體標段卵石粒徑大小及漂石含量，通過開口處焊接限制格柵，使通過卵石粒徑與螺旋輸送機允許輸送尺寸相匹配。

對于砂卵地層，載荷頻繁交替作用于刀盤，刀盤結構須有較高的強度和剛度，故設計時刀盤制作材質選用Q345B鋼材，主梁及外圈梁厚度設計為120 mm，刀盤支撐扭腿與盤體采用嵌入式焊接的連接方式。通過建立三維模型進行有限元強度分析，最大應力為150 MPa，大部分應力低于120 MPa，而Q345B鋼屈服強度為345 MPa，刀盤結構具有較大的安全系數(shù)。

圖4 刀盤結構

3.2 刀盤耐磨保護

盾構在砂卵石地層掘進過程中，除刀具磨損消耗大外，刀盤結構本身磨損也比較大，特別是刀盤外圈梁，且磨損之后洞內難以修復。故設計時在刀盤外圈梁外表面貼焊耐磨性較強的合金保護塊，且保護塊厚度由以往的40 mm增加至60 mm，根據不同部位磨損速率，貼焊不同的耐磨保護，即刀盤外圈梁掘進方向從前部至后部焊接3道相同寬度的耐磨保護(如圖5所示)。第1道為寬70 mm、厚60 mm的HARDOX500耐磨鋼板，中間間隔焊接8把長270 mm的保護刀；第2道與第1道完全相同；第3道為整圈寬70 mm、厚60 mm的合金耐磨塊，選用強韌性均較好的合金。

除刀盤外圈梁外，刀盤面板、刮刀刀座、滾刀刀箱均焊接有相應的耐磨保護，如圖6所示。

圖5 刀盤外圈梁耐磨保護(單位：mm)

圖6 刀盤耐磨保護

3.3 刀具設計及安裝方式

根據設計原則，砂卵石地層中，刀具以剝落切削為主，以破碎為輔，刀具的磨損形式以沖擊磨損、切削磨損和二次磨損為主，所以要求刀盤的刀具須耐沖擊、耐磨損和耐二次磨損。在已有工程案例中，配置以滾刀為主的刀盤和以撕裂刀為主的刀盤均采用過，配置滾刀時，滾刀以擾松開挖面的方式起作用，而不是滾壓破巖的方式。因此，滾刀的刃口要厚，刃口的數(shù)量要足夠多。由于滾刀刀圈用于磨損的金屬體積相比撕裂刀要大得多，因此在工程案例中刀盤配置滾刀的案例居多。

刀盤設計開挖直徑為6 280 mm，根據破巖機理和類似工程案例經驗，正滾刀間距取100 mm，中心滾刀間距取90 mm，滾刀采用17寸刀體、18寸刀圈，刃口寬度30 mm，刀高187.7 mm，并且采用最外軌跡布置2把單刃滾刀的方式。另外，與以往設計不同的是在刀盤周邊區(qū)域布置了23把焊接撕裂刀，刀高150 mm，比滾刀低，可以起到輔助切削、保護滾刀刀體等作用，從而延長了滾刀更換距離。同時在刀盤正面和邊緣布置了刮刀，刮刀寬250 mm，高130 mm，增強了刮刀的耐磨損和沖擊性；布置的250mm寬度刮刀，增大了刀盤正面相鄰刮刀的間距，有利于刀盤面板碴土的流動。每層刀具布置軌跡如圖7所示。

圖7 刀具布置軌跡圖(單位：mm)

刀盤在砂卵石中掘進時，由于卵石強度高，對刀具沖擊較大，因此對刀具的固定安裝方式提出了更高的要求。如圖8所示,本設計單刃滾刀采用單楔形塊安裝方式，拆卸方便，中心雙聯(lián)滾刀采用適應硬巖地層掘進的安裝方式，增加了刮刀及邊緣區(qū)域弧形刮刀安裝螺栓的數(shù)量，且采用高強度螺栓。

圖8 刀具安裝方式

3.4 刀盤碴土改良

為防止刀盤在砂卵石掘進過程中產生泥餅，刀盤在碴土改良方面也進行了針對性設計。刀盤前面板均勻布置了6個單管單泵改良劑注入口，分別為4個泡沫和2個膨潤土注入口，泡沫口與膨潤土口可以相互切換。土倉內即刀盤背部焊接有4根隨刀盤旋轉的主動攪拌棒，前盾隔板上焊接有2根靜止的被動攪拌棒，主動與被動攪拌棒間距150 mm，通過其相互配合，對土倉碴土進行充分地機械攪拌，從而可改善碴土的流動性。

在實際施工過程中，刀盤背部土倉中心極易產生泥餅，產生泥餅后，刀盤中心區(qū)域進碴口易被封堵，刀盤中心刀具容易被糊住?；诖?，一方面土倉中心將中心隔板設計為靜止隔板，不隨刀盤旋轉，使刀盤與中心隔板為相對運動形式；另一方面在靜止中心隔板上設計高壓水沖刷系統(tǒng)，即隔板上設計不同分布半徑的3路高壓水沖刷，2路備用沖刷口，同時隔板上焊接1根被動攪拌棒，攪拌棒上亦設計高壓水沖刷口。同時中心回轉接頭至刀盤盤體中間管路連接橋，對以往“U”型梁結構形式進行了創(chuàng)新優(yōu)化，設計為單臂梁結構，增大了土倉中心空間，減小了管路連接橋上產生泥餅的概率。刀盤土倉改良對比示意圖如圖9所示。

圖9 刀盤土倉改良對比示意圖

4 應用效果

通過對刀盤刀具進行針對性設計以及加工制造過程中的嚴格檢測，2012—2013年，新研制的φ6 280 mm土壓平衡盾構相繼成功應用于成都地鐵3，4號線，總數(shù)量為17臺，截至2014年7月，累計掘進里程超過35 km，盾構應用效果得到了施工單位和業(yè)主的一致認可。刀盤掘進速度和土倉保壓能力較之前設備有明顯地提高，曾成功穿越多處危險源，后期沉降控制良好；刀盤一次掘進距離可達700～800 m，相比之前或其他設備單次掘進距離(400～500 m)，使刀具更換距離延長了約300 m。圖10為刀盤貫通出洞照片，刀盤掘進過程中未產生泥餅；圖11為刀盤掘進速度曲線，基本保持在50～60 mm/min，平均一環(huán)(寬1.5 m)掘進時間約為30 min，較好地保證了項目施工進度。

圖10 刀盤貫通出洞照片

圖11 刀盤掘進速度曲線圖

5 結論與體會

通過分析成都砂卵石地質特點，對盾構刀盤進行了針對性設計，如刀具的分層布置、刀盤36%的開口率設計、合金耐磨保護、土倉中心高壓水沖刷系統(tǒng)防結泥餅設計等，在實際施工中得到了較好的檢驗，表現(xiàn)出了良好的應用效果。

目前，國內砂卵石地層主要以成都富水自穩(wěn)性差的砂卵石和北京無水自穩(wěn)性較好的砂卵石地層為代表，成都地鐵盾構采用配置滾刀的復合式刀盤，而北京地鐵盾構采用純輻條式刀盤，掘進距離可至1 km不換刀。針對砂卵石地層刀具以剝落切削為主，在做好碴土改良的條件下，擾動剝落下來的碴土在大開口率的刀盤內可以及時排除，從而可有效地減少其對刀盤刀具的磨損及沖擊。

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DesignandApplicationofCutterheadofShieldBoringinWater-richSandyGravelStratainChengdu

ZHANG Jianian,HU Yujuan

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China)

Problems,including serious cutterhead wearing,cutterhead clogging and ground surface settlement,occur during the EPB shield boring in water-rich sandy gravel strata in Chengdu.As a result,the design of the cutterhead is optimized in terms of cutterhead structure,cutter arrangement,anti-wearing protection and ground conditioning.The shield with the optimized cutterhead achieves long-distance boring and good ground surface settlement control effect.The paper can provide reference for the design of the cutterheads of shields boring in similar strata in the future.

Chengdu Metro; water-rich sandy gravel strata; EPB shield; cutterhead design; ground conditioning

2014-08-06;

2014-11-15

張家年(1987—)，男，江西贛州人，2010年畢業(yè)于鄭州大學，材料科學與工程類(金屬材料)專業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)從事盾構設計研發(fā)工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.014

U 45

A

1672-741X(2014)12-1202-05