【摘要】成都地鐵四號線二期工程西延伸線地層以高卵石含量、富含水、偶夾漂石，且地層自穩(wěn)性差等特征，依據(jù)理論性分析確定采用需要土體改良的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)完成施工，對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的核心部分刀盤進(jìn)行較為詳細(xì)的描述。

【關(guān)鍵詞】設(shè)備選型；土壓平衡盾構(gòu)機(jī)；刀盤

一、工程概況

成都地鐵四號線二期工程西延伸線區(qū)間隧道長度為1160m+1520 m，最大坡度25‰，最小水平曲線半徑300m，埋深約20～30m。盾構(gòu)隧道主要穿越第四系中更新冰水沉積層、沖積層（Q2fgl+al）中、粗砂，卵石土地層，中密～密實，砂卵石含量90%以上，粒徑以30～200mm為主，級配不均，偶夾漂石，粒徑可達(dá)500mm以上。卵石成分主要為花崗巖、石英砂巖等。該區(qū)間段地下水位多大于5m，均位于隧道頂板以上，地下水主要有兩種類型：一是孔隙型潛水，二是基巖裂隙水?？紫端饕x存于上更新統(tǒng)（Q3）的卵石土中，地下水具有微承壓性，卵石土層結(jié)構(gòu)比較松散，含水豐富，含水層厚度為11.90～14.50m。卵石層含水豐富，滲透系數(shù)為k=1.75x10-4m/s。

總結(jié)地質(zhì)特點：高卵石含量、富含水、偶夾漂石，且地層自穩(wěn)性差。

二、設(shè)備選型

依據(jù)德法等國的盾構(gòu)施工經(jīng)驗：當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)k<10-7m/s時，可選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)k在10-7m/s和10-4m/s之間時，既可選用泥水盾構(gòu)，也可在碴土改良的情況下選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)k>10-4m/s時，可采用泥水盾構(gòu)。此地段滲透系統(tǒng)k=1.75x10-4m/s，可采用泥水盾構(gòu)。

盾構(gòu)選型和顆粒級配關(guān)系（如圖1）。根據(jù)成都砂卵石層取樣篩分實驗后與盾構(gòu)理論選型范圍圖相比較，其中粉色區(qū)域為成都砂卵石粒徑范圍，從圖中可以看出成都砂卵石地層既不在土壓平衡盾構(gòu)范圍內(nèi)，也不在泥水平衡盾構(gòu)范圍內(nèi)。

根據(jù)日本的盾構(gòu)施工經(jīng)驗：當(dāng)?shù)貙又姓惩梁坎蛔?0%時，不推薦使用泥水平衡盾構(gòu)，粘土含量不足時，使用泥水平衡盾構(gòu)在開挖面上很難形成泥膜，開挖面易坍塌。由于該段地層粘土含量極少，開挖面上的泥膜形成困難，因此采用泥水盾構(gòu)具有一定的風(fēng)險性。確保施工安全可靠，地面建筑安全，不影響環(huán)境，能保證開挖面穩(wěn)定是前提。所選的盾構(gòu)機(jī)能盡量減少輔助施工法。綜合考慮選用需土體改良措施的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

三、刀盤設(shè)計

3.1刀盤本體結(jié)構(gòu)

刀盤是整臺盾構(gòu)機(jī)的核心部件之一，它起到挖掘土體，穩(wěn)定開挖面，攪拌渣石等主要作用。針對成都富水砂礫石地層，刀盤本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念是在適合的開口率使渣石順利排出，并能保證刀盤有足夠強(qiáng)度和剛度，能阻礙大粒徑漂石的通過。根據(jù)本項目的地質(zhì)條件，刀盤用4輻條+4輻板形式（如圖2）。

刀盤切削下來的渣石通過刀盤的開口槽進(jìn)入土倉。開口率是描述刀盤開口槽的主要參數(shù)，開口率是由地質(zhì)條件，開挖面的穩(wěn)定性和掘進(jìn)效率等決定。刀盤開口率一般在10%～35%，對于以砂卵石為主要的地質(zhì)，刀盤開口率需慎重，本項目刀盤開口率約32%。在開口處配備導(dǎo)料板，使渣石分流，排料更順暢，又起隔柵作用，只允許粒徑350mm以下的碴石進(jìn)入土倉，阻礙大粒徑漂石進(jìn)入土倉和螺旋輸送機(jī)，降低螺旋輸送機(jī)堵塞風(fēng)險。

3.2刀具配置

對于無法進(jìn)入土倉的密實大粒徑卵石，采用滾刀進(jìn)行破碎，并以寬刃刮刀為輔助，將松散渣石鏟入土倉，刀盤面板上布置有重型撕裂刀，起劈開分流物料的作用。

刀盤開挖直徑Φ6280mm，中心采用4把雙刃滾刀，面板為20把17寸正滾刀，4把單刃周邊滾刀和7把雙刃周邊滾刀，刀間距為90～100mm，據(jù)成都以往施工經(jīng)驗證明周邊采用雙刃滾刀有很好的破巖效果，并且減少刀具磨損和換刀次數(shù)，增加刀具的使用壽命。寬刃刮刀28把。周邊刮刀8把，重型撕裂刀6把。

3.3刀盤刀具的耐磨策略

根據(jù)成都以往施工經(jīng)驗，在砂卵石地層掘進(jìn)時對刀盤、刀具等部位磨損嚴(yán)重，造成換刀頻率高，嚴(yán)重影響施工效率。因此在刀盤刀具耐磨設(shè)計上以減磨為主、兼顧耐磨、抗磨。

（1）減磨：保障物料順暢進(jìn)入土倉。配備合理的刀盤開口率，并在刀盤上配備導(dǎo)料板，可有效將渣土及時順暢地導(dǎo)入土倉；刀盤進(jìn)料口采用梯形結(jié)構(gòu)，前小后大，利于渣土通過；通過渣土改良，提高物料的流動性。（2）耐磨：精選各類耐磨刀具，增加刀具的磨損能力。選用寬刃刮刀，并鑲嵌合金條，提升刮刀的耐磨性；周邊刮刀采用分塊式結(jié)構(gòu)，提升其抗沖擊能力，方便更換。（3）抗磨：增強(qiáng)刀具的抗磨。在刀盤面板上用耐磨鋼板保護(hù)；其它易磨損位置進(jìn)行網(wǎng)格狀耐磨堆焊；刀盤圓周焊接硬質(zhì)合金條；刀盤背部焊耐磨鋼板。

3.4刀盤泡沫噴嘴設(shè)計

刀盤上布置5個泡沫噴嘴，泡沫噴嘴也可以用來加注水或其它添加劑。泡沫噴嘴采用背裝式設(shè)計，方便維護(hù)維修；泡沫噴嘴上方設(shè)有“帽沿”，防止噴嘴堵塞，此“帽沿”上鑲嵌有耐磨合金條，防止卵石沖擊造成泡沫噴嘴磨損和損壞。

3.5防止泥餅形成的應(yīng)對措施

當(dāng)盾構(gòu)在含泥巖，粘土，卵石膠結(jié)的地層中掘進(jìn)，易結(jié)泥餅，所以應(yīng)考慮防結(jié)泥餅。

（1）加大刀盤中心開口、防止物料滯留，刀盤中心開口率約36%，有效抑制中心結(jié)泥餅發(fā)生；（2）刀盤背部設(shè)有4個動態(tài)攪拌棒，前盾主驅(qū)動中心隔板配備2個固定攪拌棒，與刀盤相對運(yùn)動，加強(qiáng)物料攪動；（3）中心隔板配備高壓沖洗水口，一旦中心處結(jié)泥餅，可以通過噴射高壓水進(jìn)行緩解和治理。

四、結(jié)論

成都地鐵四號線西延伸線地質(zhì)是比較特殊而又典型，通過理論性分析確定采用需土體改良的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。刀盤是盾構(gòu)機(jī)的核心部分，對刀盤進(jìn)行較為詳細(xì)的描述，來滿足適應(yīng)富水砂卵石地層。

參考文獻(xiàn)

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