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大（dà）粒（lì）徑（jìng）卵石（shí）地層盾構機刀盤選型論（lùn）證（zhèng）

2020-4-11 來源（yuán）：中鐵八局集團有限公司作者：賈（jiǎ）科

摘要：成都地鐵9號線一期培風站～成都西站工程處於大粒徑卵石（shí）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（dāng）刀盤掘進遇到（dào）較大粒徑漂石，嚴重影（yǐng）響盾構掘進。本文從刀盤結構、材質、麵板分配、開口率（lǜ）、開（kāi）口尺寸、刀具的布置、刀盤的保護這幾個方麵分析大粒徑卵石地層刀盤選（xuǎn）型的關（guān）鍵點。

關鍵詞（cí）：大粒徑卵石；盾構（gòu）機；刀盤選型；開口率；刀具（jù）

成都地鐵9號線一期培風站～成都西站工（gōng）程處於大直徑卵石地層，如果盾構機刀（dāo）盤選型不恰（qià）當，在掘進的過程中就容易出現刀盤卡死、刀具磨損嚴（yán）重、換刀困難、施工進度慢、地（dì）表易坍塌等諸多問題，針對以（yǐ）上問題對盾（dùn）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（suì）道洞身主要位於卵石土〈2-9-4〉、〈3-8-3〉中，粒徑大（dà）於20mm卵石含量為65～80%，岩土（tǔ）分級為Ⅳ級軟質岩，該地（dì）層主要有（yǒu）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（hán）量為5%～10%，但粒徑在30～50cm的卵石含（hán）量較多（duō），在50%以（yǐ）上（shàng），本次勘察卵石土點（diǎn）荷載換算岩（yán）石抗壓強度為33.67～171.00MPa，強（qiáng）度高，含（hán）大量耐磨礦物質（zhì）。

（2）地下水（shuǐ）量大（dà）、透水性好卵石土（tǔ）屬強透水（shuǐ）層，均一性較（jiào）好，飽水狀態下，盾構（gòu）掌子（zǐ）麵卵石土結構穩定性差。

（3）易固結性在大（dà）粒（lì）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（hán）水量不足時，卵石所產生的粉末易與砂石發（fā）生固結，在刀（dāo）盤（pán）開（kāi）口尺寸較小的位置結成泥餅。

2 、卵石地層的特點及盾構機（jī）施工難點分析

2.1 盾（dùn）構機（jī）在這種地層中掘進的特點及所受的不利（lì）影響主（zhǔ）要表現在以（yǐ）下幾（jǐ）個方（fāng）麵：

（1）盾構機密封（fēng）艙內（nèi）建（jiàn）立土壓平（píng）衡比較困難；該地（dì）層易坍塌，不易保（bǎo）持開挖麵的穩定；大粒徑砂卵石切削或破碎困難，且渣土經螺旋（xuán）輸送機（jī）向外排出十（shí）分困難（nán）。

（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（cā）大，刀盤（pán）(刀具)、螺旋輸（shū）送機以及密封艙（cāng）內壁磨損（sǔn）嚴重，且盾構（gòu）機掘（jué）進過程中（zhōng）產生的振動（dòng）和噪聲對周（zhōu）邊環（huán）境影響較大。

（4）砂卵石處於密封艙內、螺旋輸（shū）送機（jī）內及盾構（gòu）周圍，對盾構機的擾動、振動很大，不利於掘進參數（shù）的調整，包括推進千斤頂的壓力（lì）、螺旋輸送機的轉速、排土（tǔ）門的開度、盾構機位（wèi）置及（jí）姿態控

製等。

（5）砂卵石層為強（qiáng）透水層，地層細顆粒成分含（hán）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湧，可能導致土倉失（shī）壓引起地（dì）層沉降，甚至發生“塌坑”現象。

2.2 因此，在本工程的盾（dùn）構選型（xíng）中，著重考慮了以下幾個方麵（miàn）的因素：

（1）盾構機選型（xíng）中,控製地層沉降的能力是選型的重要依據（jù）。

（2）在砂卵石地層（céng）中掘進,盾構所受幹擾較大,需要很強的姿態控製能力。

（3）砂卵石地層中的卵礫石粒徑大,盾構機必（bì）須具備（bèi）較強（qiáng）的（de）耐磨（mó）性。

（4）在滿足刀盤結構強度（dù）的情況（kuàng）下，選擇開（kāi）口尺（chǐ）寸（cùn）和開口率較大的刀盤，利於大粒徑卵礫石（shí）進入土倉，便於排土掘進。

（5）配（pèi）置（zhì）適應（yīng）該地層的刀具。

（6）配置完備的渣土改良係統。

3 、砂卵石地層（céng）盾構機刀盤論證

3.1 刀盤布刀總體規劃

（1）針對砂卵石（shí）地層這種由沉積形成的軟弱地層，必須在刀盤（pán）安裝撕裂刀，超前對掌子麵進行地層破壞，以點破（pò）麵，形成從（cóng）掌子麵往外側破碎延伸的臨空破碎麵。

（2）形成臨空破碎麵後，滾刀開始擠（jǐ）壓其餘範圍的鬆（sōng）散地層，最後其他的邊刮刀即可（kě）很容易破開掌子麵，從而達到順利掘進效果。

（3）超前撕裂（liè）刀應控製其刀刃高度不高於其餘刀具5cm，主要原因在（zài）於，雖（suī）然（rán）超前撕裂刀刃越高（gāo）越利（lì）於掘進，但刀（dāo）刃（rèn）強度（dù）有限，過高易損毀（huǐ）；反（fǎn）之，如果刀刃太低（dī）則起不到超（chāo）挖破麵的效果（guǒ）。

3.2 砂卵石地層盾構機刀盤結構論證

（1）滾（gǔn）刀破岩原理

圖1 滾刀破岩原理

如圖（tú）1所示為（wéi）盾構機掘進過程中刀盤滾刀工作的破岩原（yuán）理，該破（pò）岩（yán）方式為擠壓剪切式。其方法具有破碎量大、速度快的優點，在滾刀切入掌子麵過（guò）程中，通（tōng）過滾刀兩側的擠（jǐ）壓剪（jiǎn）切力從而達到以點（diǎn）破麵的效果。

因為砂卵（luǎn）石沒有膠結且彈塑性差，屬於軟弱地層，無法形成連續的破碎軌跡，但又確（què）實含有高強度的卵石，這種剛柔並濟的地層我們須將硬岩破碎原理（lǐ）和軟弱地層掘進機（jī）理相結（jié）合，從而得到一個適合於砂（shā）卵（luǎn）石地層的掘進機理。針對砂卵石（shí）地層中高強度且（qiě）大（dà）小不一的（de）卵石,目前主要有兩種處理方法（fǎ），但均存在不足：

通過對比分（fèn）析我們可以得出（chū）：滾刀的設置是必不可少的，但應控製數（shù）量（liàng）不宜過多；常規的直徑為φ700～φ900的杆式螺旋輸送機可輸出（chū）的最大（dà）卵石粒徑（jìng）為24～35cm，能滿（mǎn）足正（zhèng）常掘進即可。砂卵石掘進的（de）原則是：將含量較多的小（xiǎo）、中粒徑卵石直接排出，用（yòng）滾（gǔn）刀將含量較少的（de）超（chāo）大粒徑卵石破碎後排出。

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（cǎi）用中心開口率稍大的（de）主梁+小麵板結構。其主要理由是：①中心開口（kǒu）率大能有效降低（dī）中心泥餅固結幾（jǐ）率（lǜ）；②砂卵（luǎn）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麵支撐較少（shǎo），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大麵板式刀盤既不能提供足夠的開口率，還增（zēng）大了刀（dāo）盤與地層間的（de）摩擦阻力，從而使（shǐ）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（jì）

在砂卵石地層刀盤選型中，不（bú）僅要關注開口（kǒu）率，還要關（guān）注開口尺寸。通過對砂卵石（shí）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（hán）有大粒徑卵（luǎn）石地層盾構機（jī）刀盤整體（tǐ）開口率應（yīng）在（zài）38%～41%，刀盤中心開口率39%～40%。同時應控製開口尺寸，對開口（kǒu）尺寸過大的地方（fāng）增加耐磨格柵使（shǐ）刀（dāo）盤能（néng）夠（gòu）將大小卵石篩分開，防止不能正常排出的大粒徑卵石（shí）進入土（tǔ）倉。

（2）降低磨耗處理

既然在砂卵石（shí）地（dì）層中不能避免卵石（shí）對（duì）刀（dāo）盤的磨損，那我們就應采取有效的措（cuò）施避免刀盤磨損量過大而影響正常使用。一是在刀盤的側麵較為（wéi）薄弱的切口（kǒu）附近增加耐磨性好的耐磨塊；二（èr）是在刀盤上增加具有保護性的耐磨導流塊等；三是可（kě）以通過采取有（yǒu）效的渣土改良措施（加水、加泡沫、膨潤土等），增（zēng）加渣土的流動（dòng）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（jué）進機理，形成的一個大致（zhì）形象的刀盤形狀，以供參考（kǎo）。

圖2 中部帶有超前撕裂刀的刀盤形狀（zhuàng）和卵石地（dì）層掌子麵（miàn）剖麵

4、砂卵石地層盾構機刀盤選型

4.1 砂卵石地層盾構機選（xuǎn）型概述

砂卵石地層總體上來說屬（shǔ）於由沉積形（xíng）成的軟（ruǎn）弱地（dì）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（duì）付（fù）高強度卵石的方法，可以通過加強刀盤的結（jié）構強度和耐磨性尋（xún）找一種介於軟弱（ruò）地層與硬岩地層之間掘進機理配（pèi）置，結合（hé）砂卵石獨有的性（xìng）質進行細部配置。因此，單純的土壓平衡盾構機已無法（fǎ）適用於砂卵石地層，應采用與特殊配置相結合的混合（hé）式土壓平衡盾構（gòu）機，才能及時采用有效的技術手段保（bǎo）證砂卵石地層盾構的順利掘進（jìn）。

4.2 砂卵石地層盾構機刀盤的（de）比選

為降低刀盤中心結泥餅（bǐng）的概率，需要采用較大的中心開口率，綜合以上論述，分（fèn）別進行了4輻條和（hé）6輻條式兩種刀（dāo）盤的設計，其參數主要差異在於：

針對上述兩種刀（dāo）盤形式進行（háng）對比分析：

通過（guò）對比發現，6輻（fú）刀盤和4輻刀盤比較，6輻刀盤的中心平均（jun1）開口麵積更小（xiǎo），可通過（guò）的卵（luǎn）石粒徑較小（xiǎo），開口形式更複雜，易集聚渣土，形成泥餅概率更大；外圈開口率小，有效開口麵積較小，在中心結餅（bǐng）情況下會持續惡化，導致掘進非常（cháng）困難。

因此，4輻條式刀盤比6輻條（tiáo）式刀盤更適合大粒徑（jìng）卵石層，但應使用格柵（shān）控製開口尺寸、並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（zhěng）體開口率在38%～41%、刀盤中（zhōng）心開口率（lǜ）在（zài）37%～40%的主（zhǔ）梁+小麵板結構，用格柵來控製刀盤開口尺（chǐ）寸大小。

（3）刀盤應安裝刃高不高於其餘刀具5cm的超前撕裂（liè）刀。

（4）滾刀之間的間距（jù）應根據螺旋輸送機能最大排（pái）出的粒徑大小來設置，建議設（shè）置在20cm～30cm。

（5）刀盤的正麵和側麵（miàn）易（yì）被磨損的位置增加（jiā）耐磨裝（zhuāng）置加以保護。

（6）4輻條式刀盤比6輻條式刀盤更（gèng）適合大粒徑卵石層，但應控製開口尺寸和安裝超前撕裂（liè）刀。

（7）6輻條式刀（dāo）盤可通過增大開口率、安裝超（chāo）前撕裂（liè）刀來適（shì）應大粒徑卵（luǎn）石盾構掘（jué）進。

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