李茂松

地鐵盾構刀盤改造及掘進性能對比研究

李茂松

（中鐵十四局集團有限公司隧道分公司，050061，濟南//高級工程師）

為更好地適應富水中砂地層的盾構施工，對土壓平衡式盾構機原有刀盤結構、刀具布置等進行了改造。刀盤開口率由28%增加到40%；在刀盤中間增加了魚尾刀；增加了兩根長度為50 cm、直徑為15 cm的主動攪拌棒；對富水中砂渣土進行了改良。對比改造前后的刀盤掘進性能發(fā)現(xiàn)改造后的刀盤掘進性能得到明顯提升，具體表現(xiàn)在：盾構機掘進速度提升了4倍，刀盤平均扭矩降低了20%，土壓波動范圍變小，渣土溫度降低了40℃，地面沉降亦得到了明顯改善。

地鐵盾構；富水中砂地層；刀盤改造；渣土改良；掘進性能

Author′s addressTunnel Branch of China Railway 14th Bureau Group Co.，Ltd.，050061，Jinan，China

隨著我國軌道交通建設的高速發(fā)展，盾構以其掘進效率高、可靠性強等［1-4］諸多優(yōu)點被廣泛應用于地鐵隧道施工。通常，對于某一特定的地質條件，施工前需考慮對盾構機進行選型以及對地層進行適應性設計。但當盾構機由一個地層更換到另一個地層時，由于刀盤結構、刀具布置未做相應改造，往往表現(xiàn)出掘進速度緩慢、刀具磨損嚴重等一系列地質不適應性工程問題。文獻［5］以北京地下直徑線工程為背景，介紹了泥水加壓平衡式盾構機刀盤的改造方案，分析總結了施工技術及關鍵工序。文獻［6］對適用于軟弱地層的土壓平衡式盾構機進行了改造，并將改造后的盾構機應用于砂礫地層且取得了良好的施工效果。文獻［7］為了更好地適應湘江隧道施工，對刀盤、主驅動控制系統(tǒng)進行了改造，很好地改善了盾構機適用性能。文獻［8］針對于盾構機在砂卵石地層中施工時常出現(xiàn)的故障，提出了盾構機刀盤改造方案并成功得到應用。

本文以富水中砂地層為研究對象，對輻條面板式刀盤進行了改造，提升了刀盤掘進性能?？蔀楦凰猩暗貙拥亩軜嬍┕ひ约岸軜嫷侗P設計提供參考。

1 工程概況

1.1某地鐵工程地質與水文地質情況

某地鐵1號線9標段由2個區(qū)間組成，其中一區(qū)間總長為514.94m。該標段沿線主要為多層建筑物，地下管線較多，且路面交通繁忙。隧道埋深為9.2～10.3 m，區(qū)間V形隧道縱坡的最大坡度為9.3‰。

該區(qū)間工程地質斷面圖如圖1所示。由圖1可知，盾構穿越的地層主要為中密的A3中粗砂層。該地層呈灰色、中密、飽和；顆粒成份為石英、長石及少量暗色礦物；顆粒分選磨圓一般，含大量粗砂層及少量黏性土夾層；該地層埋深為13.0～24.0m，平均層厚為9.24m。

該區(qū)間地下水分為上層滯水、潛水、微承壓水及承壓水，地下水位埋深約2.5m。施工地層為孔隙微承壓含水層，水平滲透系數(shù)為64.5m/d，屬強透水層且水量豐富。其中A3中粗砂層天然含水量為15%，天然孔隙比為0.543，含泥量為3～5%，內摩擦角為34.2°，滲透系數(shù)為64.8m/d?？傮w而言，盾構施工區(qū)域處于富水中粗砂層，該地層以砂為主，含泥量極少，故該地層易透水，渣土流塑性差，施工過程中易出現(xiàn)水砂分離、地表沉降以及噴涌等現(xiàn)象。

圖1 區(qū)間工程地質斷面圖

1.2盾構機結構與工作參數(shù)

該區(qū)間使用的土壓平衡式盾構機是針對廣州地鐵硬巖、粉質黏土等復合地層而設計的。該盾構機開挖直徑為6.28m，主機全長為9.5m。盾構機刀盤為輻條面板式刀盤，具體結構如圖2所示。刀盤輻條數(shù)為6條，開口率為28%。刀盤中心位置和邊緣位置各配置了10把和6把先行撕裂刀；刀盤上還布置了36把安裝在滾刀刀座內的割刀，刃寬145mm、前角為0°的刮刀8把，刃寬150mm、前角為10°的刮刀32把，刃寬150mm、前角為20°的刮刀42把，邊緣專用刮刀12把，外圍保護刀12把。輻條上配置了4個添加劑注入孔，刀盤背面配置了3根攪拌棒。

圖2 廣州地鐵原盾構機刀盤結構圖

盾構機采用液壓驅動，額定推力可達3.6×104kN；盾構機配備8套液壓驅動馬達，額定驅動扭矩為4 850 kNm；驅動電機總功率為945 kW；最高轉速為3.75 rpm。螺旋傳送機為內徑為700mm的單級有軸式螺旋機，只有一道出渣閘門。土艙布置有4個土壓傳感器，實時監(jiān)測土艙壓力。盾構機僅配置了泡沫設備，用于渣土改良，無膨潤土注入設備。

1.3刀盤未改造前掘進情況

在試掘進的23環(huán)（4環(huán)至26環(huán)）中，土壓平衡式盾構機主要存在推進速度緩慢的問題，最低掘進速度低至3mm/m in。隨著掘進環(huán)數(shù)增加，扭矩穩(wěn)步增大，平均扭矩高達3 300 kNm。推進過程中不時出現(xiàn)地面沉降、推進噴涌、刀盤和土艙嚴重結餅、渣土溫度過高等現(xiàn)象，出渣溫度最高達67℃。

通過分析初步認為，出現(xiàn)以上現(xiàn)象的主要原因是由于刀盤開口過小、渣土改良效果不明顯以及土艙壓力設置不合理等。針對試掘進中存在的主要問題，從刀盤結構、刀具布置以及渣土改良等方面進行改造，以期提高盾構機掘進性能。

2 盾構機刀盤改造及渣土改良

2.1刀盤開口的地質適應性改造

未改造前的刀盤結構如圖3 a）所示。為增大刀盤開口率，對刀盤上每塊面板進行割除，切割位置主要集中于面板中間。為避免由于切割原因而降低刀盤面板力學強度及剛度，故將刀盤的切割位置以加筋板的方式間隔性地對刀盤外圈進行加固，刀盤開口率由原來的28%增加到40%。改造后的刀盤結構如圖3 b）所示。

圖3 刀盤結構圖

2.2刀具的地質適應性改造

由圖2可知，在刀盤中心布置有10把先行撕裂刀。通過前期試掘進發(fā)現(xiàn)，該部位易出現(xiàn)結泥餅現(xiàn)象。故提出在改造后的刀盤中心布置一把大尺寸魚尾刀（如圖4所示），魚尾刀總高度為40 cm，總寬度為143 cm，魚尾刀刀刃角為15°魚尾刀在刀盤上的高度超過切刀的高度，故其先于切刀切削土體。在魚尾刀底部開出馬蹄形空槽，可有效切削土體并使得切削的渣土翻轉，有利于刀盤旋轉后渣土從空槽處流出，進一步改善了渣土流動性，可有效避免泥餅的形成。

圖4 魚尾刀平面圖

2.3攪拌棒地質適應性改造

原有刀盤上配有3個長度為50 cm、直徑為25 cm的主動攪拌棒，其距離土艙壁為75 cm；同時配有2個35 cm×15 cm的被動攪拌棒。由于刀盤上的主動攪拌棒的運動軌跡為同心圓，不能充分攪拌土艙底部的渣土，故螺旋輸送機排渣性能受到影響、土艙內結泥餅的概率增加。因此，在本文涉及的富水中砂地層中采用原有的攪拌棒的配置并不合理。另外，由于原有的3根主動攪拌棒質量較大，且在土艙內割除后重新焊接的難度較大，故需要對其進行改造。在原有的基礎上對稱增加2根長度為50 cm、直徑為15 cm的圓柱形錳鋼材料主動攪拌棒，焊接位置在對稱的兩根輻條上。為避免增加的2根主動攪拌棒的攪拌軌跡同心，故將2根攪拌棒焊接在距離土艙底壁為15 cm和50 cm的位置；同時，在其表面用耐磨焊條焊接耐磨條紋以增加攪拌棒的耐磨性，如圖5所示。

圖5 新增攪拌棒的位置

2.4渣土地質適應性改良

為使土壓平衡式盾構機順利掘進，需將開挖進入土艙的渣土改良成一種流塑性土體，從而使渣土能夠通過刀盤開口進入土艙，并通過螺旋輸送機輸送到后方。為達到上述目的，開挖下來的渣土需具有一定的保水性與含水率，使得渣土不易發(fā)生水土分離。針對于該富水中砂地層，本文提出了一種同時摻入膨潤土和高分子材料來改善渣土適應性的方案：

（1）膨潤土漿液水土配比的確定。采用天然鈉基膨潤土，按照水土配比為7：1（質量比）進行膨潤土漿液的配制。將該漿液攪拌15m in并發(fā)酵12 h。此時配制好的漿液比重約為1.08～1.1，黏稠度為18ms，可泵送；如再膨化12 h，膨潤土漿液的泵送性和黏稠度將更理想。

（2）膨潤土和高分子材料摻入量的確定。當膨潤土漿液水土比為7∶1時，膨潤土漿液摻入量為15%～20%；當高分子材料摻入量為1%（即高分子材料濃度為1.5‰～3‰）時，渣土的黏稠性和可塑性均可得到顯著改善，且有微量水析出，改良效果明顯。其塌落度值基本在10～16 cm的范圍以內，且內摩擦角降低了9°左右，符合“塑性流動性”的要求［9］。

3 盾構機改造前后掘進性能對比分析

3.1土壓平衡式盾構機改造前后掘進參數(shù)分析

土壓平衡式盾構機在改造前，其掘進速度在3～9 mm/m in之間，改造后的盾構機掘進速度在18～30mm/m in之間，平均掘進速度提升約4倍，且刀盤前端無結泥餅現(xiàn)象。刀盤平均扭矩由3 000 kNm降為2 500 kNm，約比改造前降低20%。這主要是由于改造后的刀盤不利于泥餅的形成，渣土的流動性得到穩(wěn)定提升，有效地降低了渣土對刀盤的摩擦阻力與摩擦阻力矩。

3.2土壓平衡式盾構機改造前后土壓參數(shù)分析

在盾構機土艙上部、左部和右部布置土壓傳感器，并對土壓進行監(jiān)測。經(jīng)對渣土改良前后的土艙壓力進行對比發(fā)現(xiàn)：改造前土艙上部土壓在10～50 kPa之間，土艙左右土壓在60～150 kPa之間，波動范圍較大，且啟動扭矩較大時，土艙壓力會出現(xiàn)較高的峰值；改造后土艙上部土壓在50～90 kPa之間，土艙左右土壓在80～130 kPa之間，波動范圍較小。這表明：原狀土通過膨潤土漿液進行改良后，渣土的流塑性明顯增強；刀盤開口率增大后，有效地保證了土艙內渣土進出的動態(tài)平衡。因此，渣土改良后，土艙內的土壓整體較穩(wěn)定，基本達到改造效果。

3.3土壓平衡式盾構機改造前后土艙溫度分析

盾構機改造前在施工過程中，土艙渣土溫度經(jīng)常出現(xiàn)隨盾構機推力和扭矩增大而異常升高的情況，且由于渣土溫度過高，打開土艙門后發(fā)現(xiàn)土艙內已嚴重結塊，輻條間隙基本被堵塞。盾構機改造后刀盤和土艙中無明顯結餅現(xiàn)象，通過對渣土進行溫度檢測發(fā)現(xiàn)渣土溫度在21～25℃之間，其中土艙壁中心位置溫度為25～28℃，邊緣位置溫度為22℃左右。經(jīng)與盾構機未改造前相比，開挖的第26環(huán)渣土的最高溫度降低了40℃。由此說明了盾構機刀盤結構改造以及渣土改良的效果明顯。

3.4土壓平衡式盾構機改造前后地面沉降分析

盾構機改造后隧道中線盾構機刀盤前方2～4m的地面監(jiān)測點有1～3mm的隆起，較改造前的1～5 mm略有降低；刀盤正上方監(jiān)測點1 h內沉降值為3～7mm，較改造前的8～14mm有了明顯降低。對比渣土改良前后的土艙壓力，渣土改良后在盾構機推進過程中，土壓增加了20～40 kPa左右，使得推進過程中的地面沉降值得到了明顯降低，滿足了盾構施工要求。

4 結語

針對于某地鐵富水中砂地層，成功地改造了土壓平衡式盾構機原有刀盤結構、刀具選配與刀具布置等；有效地提升了掘進速度，降低了刀盤扭矩，避免了刀盤前端結餅現(xiàn)象；結合渣土改良措施，使得土壓波動范圍變小，地面沉降現(xiàn)象得到明顯改善。該刀盤改造技術可為富水中粗砂地層刀盤改造以及刀盤設計提供參考。

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Comparative Study on the Modification of Shield Cutterhead and the Excavation Performance

LIMaosong

The original cutter-head structure and cutter arrangement are reformed to adapt to the shield construction in medium sand strata w ith rich water.The cutter-head opening ratio is increased from 28%to 40%，and a fish cutter is added in the m iddle of the cutter-head，two extra stir bars w ith the length of 50 cm and the diameter of 15 cm are added in the cutter-head,the flow plasticity ofmuck w ithmedium sand and water is also improved.By comparing the performances of the cutter-head before and after the modification，it is clear that the cutter-head performance is improved obviously，the excavation speed has increased 4 times，while the cutter-head torque decreased by 20%on average.In addition，the range of soil pressure fluctuation becomes smaller，the temperature drop of muck ismore than 40，and the ground settlement is also improved significantly.

metro shield；medium sand w ith rich water；cutter-head modification；muck improvement；excavation performance

U455.3+9

10.16037/j.1007-869x.2017.07.010

2016-09-12）