大粒徑卵石地層盾構機刀盤選型論證
2020-4-11 來源：中鐵八局集團有限公司 作者：賈科
摘要：成都地鐵9號線一期培風站～成都西站工程處于大粒徑卵石地層，部分漂石粒徑超過70cm，且含大量耐磨礦物質，對盾構刀盤磨耗大。當刀盤掘進遇到較大粒徑漂石，嚴重影響盾構掘進。本文從刀盤結構、材質、面板分配、開口率、開口尺寸、刀具的布置、刀盤的保護這幾個方面分析大粒徑卵石地層刀盤選型的關鍵點。
關鍵詞：大粒徑卵石；盾構機；刀盤選型；開口率；刀具
成都地鐵9號線一期培風站～成都西站工程處于大直徑卵石地層，如果盾構機刀盤選型不恰當，在掘進的過程中就容易出現刀盤卡死、刀具磨損嚴重、換刀困難、施工進度慢、地表易坍塌等諸多問題，針對以上問題對盾構選型進一步研究優化，最大限度提高盾構施工進度，降低盾構施工安全風險。
1 、工程及地質概況
成都地鐵9號線一期培風站～成都西站工程隧道洞身主要位于卵石土〈2-9-4〉、〈3-8-3〉中，粒徑大于20mm卵石含量為65～80%，巖土分級為Ⅳ級軟質巖，該地層主要有以下幾個特點：
（1）卵石含量高、粒徑大、強度高 卵石含量為65%～80%，漂石最大粒徑達60～70cm，含量為5%～10%，但粒徑在30～50cm的卵石含量較多，在50%以上，本次勘察卵石土點荷載換算巖石抗壓強度為33.67～171.00MPa，強度高，含大量耐磨礦物質。
（2）地下水量大、透水性好 卵石土屬強透水層，均一性較好，飽水狀態下，盾構掌子面卵石土結構穩定性差。
（3）易固結性在大粒徑卵石與刀盤相互摩擦過程中會產生粉末和熱量，當渣溫上升至45℃以上且含水量不足時，卵石所產生的粉末易與砂石發生固結，在刀盤開口尺寸較小的位置結成泥餅。
2 、卵石地層的特點及盾構機施工難點分析
2.1 盾構機在這種地層中掘進的特點及所受的不利影響主要表現在以下幾個方面：
（1）盾構機密封艙內建立土壓平衡比較困難；該地層易坍塌，不易保持開挖面的穩定；大粒徑砂卵石切削或破碎困難，且渣土經螺旋輸送機向外排出十分困難。
（2）地層顆粒較大，盾構施工遠比一般粘性土、砂性土層困難。
（3）盾構切削土體顆粒與刀盤摩擦大，刀盤(刀具)、螺旋輸送機以及密封艙內壁磨損嚴重，且盾構機掘進過程中產生的振動和噪聲對周邊環境影響較大。
（4）砂卵石處于密封艙內、螺旋輸送機內及盾構周圍，對盾構機的擾動、振動很大，不利于掘進參數的調整，包括推進千斤頂的壓力、螺旋輸送機的轉速、排土門的開度、盾構機位置及姿態控
制等。
（5）砂卵石層為強透水層，地層細顆粒成分含量少，不易形成能夠止水的流塑狀渣土，在渣土改良不到位時極易發生噴涌，可能導致土倉失壓引起地層沉降，甚至發生“塌坑”現象。
2.2 因此，在本工程的盾構選型中，著重考慮了以下幾個方面的因素：
（1）盾構機選型中,控制地層沉降的能力是選型的重要依據。
（2）在砂卵石地層中掘進,盾構所受干擾較大,需要很強的姿態控制能力。
（3）砂卵石地層中的卵礫石粒徑大,盾構機必須具備較強的耐磨性。
（4）在滿足刀盤結構強度的情況下，選擇開口尺寸和開口率較大的刀盤，利于大粒徑卵礫石進入土倉，便于排土掘進。
（5）配置適應該地層的刀具。
（6）配置完備的渣土改良系統。
3 、砂卵石地層盾構機刀盤論證
3.1 刀盤布刀總體規劃
（1） 針對砂卵石地層這種由沉積形成的軟弱地層，必須在刀盤安裝撕裂刀，超前對掌子面進行地層破壞，以點破面，形成從掌子面往外側破碎延伸的臨空破碎面。
（2）形成臨空破碎面后，滾刀開始擠壓其余范圍的松散地層，最后其他的邊刮刀即可很容易破開掌子面，從而達到順利掘進效果。
（3）超前撕裂刀應控制其刀刃高度不高于其余刀具5cm，主要原因在于，雖然超前撕裂刀刃越高越利于掘進，但刀刃強度有限，過高易損毀；反之，如果刀刃太低則起不到超挖破面的效果。
3.2 砂卵石地層盾構機刀盤結構論證
（1） 滾刀破巖原理
圖1 滾刀破巖原理
如圖1所示為盾構機掘進過程中刀盤滾刀工作的破巖原理，該破巖方式為擠壓剪切式。其方法具有破碎量大、速度快的優點，在滾刀切入掌子面過程中，通過滾刀兩側的擠壓剪切力從而達到以點破面的效果。
因為砂卵石沒有膠結且彈塑性差，屬于軟弱地層，無法形成連續的破碎軌跡，但又確實含有高強度的卵石，這種剛柔并濟的地層我們須將硬巖破碎原理和軟弱地層掘進機理相結合，從而得到一個適合于砂卵石地層的掘進機理。針對砂卵石地層中高強度且大小不一的卵石,目前主要有兩種處理方法，但均存在不足：
通過對比分析我們可以得出：滾刀的設置是必不可少的，但應控制數量不宜過多；常規的直徑為φ700～φ900的桿式螺旋輸送機可輸出的最大卵石粒徑為24～35cm，能滿足正常掘進即可。砂卵石掘進的原則是：將含量較多的小、中粒徑卵石直接排出，用滾刀將含量較少的超大粒徑卵石破碎后排出。
3.3 砂卵石地層盾構機刀盤結構
結合土壓平衡原理與砂卵石地層的相關特點，刀盤結構選型宜采用中心開口率稍大的主梁+小面板結構。其主要理由是：①中心開口率大能有效降低中心泥餅固結幾率；②砂卵石地層穩定性受地下水的影響較大，因純輻條式刀盤對掌子面支撐較少，任何方法開倉均存在較大風險，故不能采用純輻條式刀盤；③大面板式刀盤既不能提供足夠的開口率，還增大了刀盤與地層間的摩擦阻力，從而使刀盤扭矩增大，縮短主軸承使用壽命。
（1）開口尺寸和開口率設計
在砂卵石地層刀盤選型中，不僅要關注開口率，還要關注開口尺寸。通過對砂卵石地層的取樣分析和成都各標段的掘進參數情況對比，認為在含有大粒徑卵石地層盾構機刀盤整體開口率應在38%～41%，刀盤中心開口率39%～40%。同時應控制開口尺寸，對開口尺寸過大的地方增加耐磨格柵使刀盤能夠將大小卵石篩分開，防止不能正常排出的大粒徑卵石進入土倉。
（2）降低磨耗處理
既然在砂卵石地層中不能避免卵石對刀盤的磨損，那我們就應采取有效的措施避免刀盤磨損量過大而影響正常使用。一是在刀盤的側面較為薄弱的切口附近增加耐磨性好的耐磨塊；二是在刀盤上增加具有保護性的耐磨導流塊等；三是可以通過采取有效的渣土改良措施（加水、加泡沫、膨潤土等），增加渣土的流動性，減少刀具摩擦，達到降低磨耗的效果。
（3）圖2是根據以上大粒徑砂卵石掘進機理，形成的一個大致形象的刀盤形狀，以供參考。
圖2 中部帶有超前撕裂刀的刀盤形狀和卵石地層掌子面剖面
4、砂卵石地層盾構機刀盤選型
4.1 砂卵石地層盾構機選型概述
砂卵石地層總體上來說屬于由沉積形成的軟弱地層，所以在刀盤選型上應從軟弱地層出發考慮，而同時也要考慮對付高強度卵石的方法，可以通過加強刀盤的結構強度和耐磨性尋找一種介于軟弱地層與硬巖地層之間掘進機理配置，結合砂卵石獨有的性質進行細部配置。因此，單純的土壓平衡盾構機已無法適用于砂卵石地層，應采用與特殊配置相結合的混合式土壓平衡盾構機，才能及時采用有效的技術手段保證砂卵石地層盾構的順利掘進。
4.2 砂卵石地層盾構機刀盤的比選
為降低刀盤中心結泥餅的概率，需要采用較大的中心開口率，綜合以上論述，分別進行了4輻條和6輻條式兩種刀盤的設計，其參數主要差異在于：
針對上述兩種刀盤形式進行對比分析：
通過對比發現，6輻刀盤和4輻刀盤比較，6輻刀盤的中心平均開口面積更小，可通過的卵石粒徑較小，開口形式更復雜，易集聚渣土，形成泥餅概率更大；外圈開口率小，有效開口面積較小，在中心結餅情況下會持續惡化，導致掘進非常困難。
因此，4輻條式刀盤比6輻條式刀盤更適合大粒徑卵石層，但應使用格柵控制開口尺寸、并安裝超前撕裂刀才能更好的適應大粒徑卵石地層掘進。
5 、結語
綜上所述，在大粒徑卵石地層進行刀盤配置選型時，應重點考慮：
（1）結構牢靠，材質良好。
（2）選擇整體開口率在38%～41%、刀盤中心開口率在37%～40%的主梁+小面板結構，用格柵來控制刀盤開口尺寸大小。
（3）刀盤應安裝刃高不高于其余刀具5cm的超前撕裂刀。
（4）滾刀之間的間距應根據螺旋輸送機能最大排出的粒徑大小來設置，建議設置在20cm～30cm。
（5）刀盤的正面和側面易被磨損的位置增加耐磨裝置加以保護。
（6）4輻條式刀盤比6輻條式刀盤更適合大粒徑卵石層，但應控制開口尺寸和安裝超前撕裂刀。
（7）6輻條式刀盤可通過增大開口率、安裝超前撕裂刀來適應大粒徑卵石盾構掘進。
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