萬朝棟

（中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300451）

1 引言

盾構(gòu)隧道在成都富水砂卵石地層中已有十多年的施工歷史，在此過程中積累了豐富的施工經(jīng)驗。但對于該地區(qū)典型的富水砂卵石含大漂石地層的盾構(gòu)施工，依然存在刀盤頻繁卡死，刀盤、刀具磨損嚴重，嚴重制約掘進安全和效率的問題。刀盤作為盾構(gòu)機最前端部件，具有挖掘地層、支撐開挖面的功能，刀盤對施工地層的適應(yīng)程度決定著盾構(gòu)機的施工效率［1-3］。在典型的砂卵石地層中如北京、成都、蘭州，盾構(gòu)施工出現(xiàn)的大部分問題基本是由于刀盤設(shè)計不合理造成的［4-8］。王旭等［9］基于多個盾構(gòu)區(qū)間施工實踐分析了盾構(gòu)掘進過程中與刀盤相關(guān)的工程問題，認為產(chǎn)生這些問題的根本原因在于刀盤的設(shè)計與工程巖土地質(zhì)條件適應(yīng)性較差。金大龍等［10］通過室內(nèi)模型試驗分析了刀盤開口率對掘進參數(shù)的影響，討論了刀盤開口率與扭矩的關(guān)系。侯德超等［11］通過對北京地鐵十號線卵石地層施工盾構(gòu)機頻繁發(fā)生故障的原因進行分析，并針對性地對盾構(gòu)機刀盤進行改造，使得掘進施工順利進行。張家年等［12］從盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計、刀具配置、耐磨保護及渣土改良等方面入手，對刀盤進行了針對性的改良設(shè)計，實現(xiàn)了長距離掘進。針對TBM的地質(zhì)適應(yīng)性、掘進速度等方面的挑戰(zhàn)，相關(guān)學者提出了從設(shè)備、隧道設(shè)計的初步思路［13］。針對全斷面砂層土壓平衡盾構(gòu)施工中遇到的問題，通過對刀具改造以及渣土改良技術(shù)的研究，使得施工得以順利進行［14］。

而這些研究大多是總結(jié)特殊地層中的刀盤設(shè)計及改造經(jīng)驗或者從機械設(shè)計的角度對刀盤的受力進行分析，針對特定地層特征的刀盤設(shè)計研究并不多見。本文基于成都典型的富水砂卵石地層，通過對相似機型在實際掘進的參數(shù)進行對比分析，評價各機型對地層的適應(yīng)性，總結(jié)了刀盤結(jié)構(gòu)選型的地層適應(yīng)性經(jīng)驗，分析富水砂卵石地層刀盤選型設(shè)計的具體控制因素。

2 地層特點

研究的盾構(gòu)區(qū)間主要穿越地層為中密和密實砂卵石地層，根據(jù)地層統(tǒng)計的36個鉆孔顯示，中密砂卵石地層中，卵石約占65.5% ～68.6%，飽和，圓礫、中砂充填，卵石粒徑2～15 cm，含漂石，最大粒徑達50 cm，漂石含量小于10%，砂卵石原巖為石英砂巖、花崗巖，埋深在9～18.0 m；密實砂卵石層卵石含量大于70%，卵石粒徑2～20 cm，含漂石，最大粒徑達60 cm，漂石含量小于10%，磨圓度較好、分選性差，圓礫、中砂充填，埋深為18.0～23.4 m。地層的卵石顆粒級配如圖1所示，圖2為車站基坑排出的卵石。

圖1 地層卵石顆粒級配

圖2 車站基坑排出卵石

3 不同刀盤盾構(gòu)機及其基本參數(shù)

施工過程中，在同一區(qū)間左線采用用機型1施工，右線采用機型2施工，相鄰區(qū)間左右線均采用機型3施工，三種刀盤如圖3所示，盾構(gòu)機參數(shù)如表1所列。

表1 盾構(gòu)機參數(shù)

圖3 施工采用盾構(gòu)機類型

4 不同刀盤掘進參數(shù)對比及適應(yīng)性分析

4.1 掘進參數(shù)對比

盾構(gòu)機施工參數(shù)產(chǎn)生于盾構(gòu)掘進過程中，是設(shè)備地層適應(yīng)性的主要表達方式。持續(xù)穩(wěn)定的掘進速度是衡量盾構(gòu)掘進效率的重要指標，盾構(gòu)機推力的大小不僅直接影響開挖面的穩(wěn)定性，而且也與刀盤的切削能力有很大關(guān)系，刀盤扭矩是最能反映土壓平衡盾構(gòu)掘進性能的一個控制性參數(shù)，在正常掘進階段，只有將掘進速度、轉(zhuǎn)速、推力、扭矩控制在一個合理范圍內(nèi)，才能確保盾構(gòu)刀具對所遇到的地層進行正常切削。

為了比較這三種盾構(gòu)機對富水砂卵石地層的適應(yīng)程度，在地層條件相近的兩個相鄰區(qū)間各取掘進穩(wěn)定的60環(huán)，對這三種機型的主要施工參數(shù)（掘進速度、推力、扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速）進行統(tǒng)計對比。結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4為三種機型的掘進速度對比，從圖中可以看出：三種機型中機型3的掘進速度最低，掘進速度在30～70 mm/min之間，大多數(shù)時段掘進速度在50 mm/min左右；機型1的掘進速度在機型2與機型3之間，速度在60～100 mm/min之間，大多數(shù)時段維持在80 mm/min左右；機型2的掘進速度最高，掘進速度在70～110 mm/min之間，大多數(shù)時間維持在100 mm/min左右。從掘進速度這個參數(shù)來看，機型2的掘進速度最高，而且長時間維持在較高的水平。

圖4 三種機型掘進速度對比

圖5為三種機型掘進期間的刀盤扭矩對比，從圖中可以看出：三種機型中機型3的工作扭矩最大，在3 500～5 300 kN·m之間，大多數(shù)時段維持在4 300 kN·m左右；機型1的扭矩變化幅度較大，在1 800～4 700 kN·m之間，大多數(shù)時間維持在4 300 kN·m左右；機型2的扭矩最低，在3 000～4 000 kN·m之間，大多數(shù)時段在3 500 kN·m左右。從刀盤扭矩這個參數(shù)來看，機型2的工作扭矩長時間處于較低水平，而且波動范圍最小。

圖5 三種機型工作扭矩對比

圖6為三種機型掘進期間的工作推力對比，從圖中可以看出：三種機型中機型3的推力在機型1和機型2中間，在12 000～18 000 kN之間，大多數(shù)時段在18 000 kN附近；機型1的工作推力最大，在14 000～22 000 kN之間，大多數(shù)時段維持在18 000 kN左右；機型2的工作推力最小，在10 000～12 000 kN之間，大多數(shù)時段維持在11 000 kN附近。從工作推力這個參數(shù)來看，機型2的工作推力長時間處于較低水平。

圖6 三種機型工作推力對比

圖7為三種機型掘進期間的刀盤轉(zhuǎn)速對比，從圖中可以看出：三種機型中機型3的刀盤轉(zhuǎn)速最低，大多數(shù)時段維持在1.6 r/min左右；機型1的轉(zhuǎn)速波動范圍最大，在1.65～1.95 r/min之間，波動范圍最大，平均轉(zhuǎn)速也最高；機型2的刀盤轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性最好，大部分時段維持在1.6 r/min和1.68 r/min。

圖7 三種機型刀盤轉(zhuǎn)速對比

4.2 總體掘進情況

圖8為三臺盾構(gòu)機的整體掘進狀況，從圖中可以看出：機型2的各項掘進參數(shù)都比較平穩(wěn)，機型1與機型3掘進參數(shù)跳動范圍較大。機型1掘進過程中，雖然平均掘進速度處于80 mm/min左右，但扭矩與推力一直處在較高狀態(tài)，而且波動范圍較大；機型3的掘進速度最慢，但其推力和扭矩在大多數(shù)時段比機型1和機型2都大，而且掘進速度、推力與扭矩波動范圍都是三種機型中最大的；機型2掘進速度一直處于最高水平，但其推力和扭矩水平在大多數(shù)時段內(nèi)是三種機型中最低的，而且各參數(shù)波動范圍也是最小的。因此，從各個參數(shù)綜合匹配的角度來看，三種機型中機型2對于富水砂卵石地層適應(yīng)性是最好的。

圖8 三種機型整體掘進狀況

4.3 適應(yīng)性差異原因分析

三種機型的刀盤型式均為復(fù)合式（輻條＋面板），開口率分別為32%、34%、32%，三者無明顯差別，刀具布置也相似。機型2的最大開口尺寸大于機型1和機型3。

從上面分析可以看出，盾構(gòu)機在富水砂卵石地層中掘進，需要解決兩個主要問題：一是大部分砂卵石在刀盤前不需反復(fù)碰撞、切削就能夠直接通過刀盤進入土倉；二是進入土倉的砂卵石能夠通過螺旋輸送機順利排出，對于少量的大粒徑漂石經(jīng)過較少次數(shù)的破碎后直接排出。機型2與其他兩個機型的刀盤開口差異主要為：一是刀盤中心位置少安裝了一把滾刀，有效避免刀盤中心結(jié)泥餅；二是刀盤最大開口尺寸和開口分布更趨合理。

從刀具磨損的角度來看，機型3與機型1刀具磨損較機型2嚴重，換刀頻繁，說明這兩種機型在掘進過程中砂卵石的破碎量要遠大于機型2，稍大粒徑的砂卵石很難順利從掌子面排出。

機型1與機型3相比，雖然刀具磨損都比較嚴重，但機型1的刀盤卡死頻率要遠低于機型3，其根本原因在于機型1的驅(qū)動功率大于機型3，存在某種程度上的“強推”。

5 結(jié)論

基于三臺不同盾構(gòu)機在類似地質(zhì)條件下的實際掘進參數(shù)及掘進效率的統(tǒng)計，對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行了單參數(shù)和整體適應(yīng)性的比較，通過對實際掘進效率的差異原因進行分析，得出了在盾構(gòu)機主要參數(shù)基本一致的條件下，影響富水卵石地層盾構(gòu)隧道施工效率的具體因素，結(jié)論如下：

（1）在富水砂卵石地層盾構(gòu)機選型中，應(yīng)該考慮地層詳細的工程地質(zhì)情況，在設(shè)備功率、扭矩、推力等指標相差不大情況下，重點應(yīng)關(guān)注刀盤開口分布、最大開口尺寸。

（2）刀盤開口率是一個較為宏觀的指標，在開口率大體合理的條件下，刀盤的開口位置、布局及最大開口尺寸對盾構(gòu)機的掘進效率起著更為重要的控制作用。富水砂卵石地層中在刀盤中心開口、增加周邊開口尺寸能夠明顯提高施工安全性和效率，在確保地層穩(wěn)定的條件下，盡量增加刀盤開口尺寸，減少對大粒徑砂卵石的破碎量和破碎次數(shù)。