摘要：盾構(gòu)機(jī)刀盤是決定盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能的關(guān)鍵部件。盾構(gòu)機(jī)在不同地質(zhì)條件下施工時(shí)需設(shè)計(jì)不同類型的刀盤，以達(dá)到快速掘進(jìn)的目的。為了研究盾構(gòu)機(jī)刀盤類型地層適應(yīng)性設(shè)計(jì)，針對深江鐵路項(xiàng)目盾構(gòu)施工中遇到的問題，基于多個(gè)施工案例，對典型地層與典型情況遇到的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行對比分析和探討，提出深江鐵路項(xiàng)目區(qū)間內(nèi)標(biāo)段盾構(gòu)機(jī)刀盤類型地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，最終形成針對特定地層的刀盤類型地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)掘進(jìn)刀盤選型地層類型適應(yīng)性設(shè)計(jì)

中圖分類號：U455.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

ResearchontheDesignoftheFormationAdaptabilityoftheCutterheadTypeofShieldTunnelingMachines

LIBing

BigShieldEngineeringCo.，Ltd.，ChinaRailway14thBureauGroup，Nanjing，JiangsuProvince，211800China

Abstract：Thecutterheadofashieldmachineisakeycomponentthatdeterminesitstunnellingperformance.Whentheshieldmachineisworkingunderdifferentgeologicalconditions，itnecessarytodesigndifferenttypesofcutterheadstoachievethepurposeofrapidtunneling.Inordertostudythedesignoftheformationadaptabilityofthecutterheadtypeofshieldtunnelingmachines，inresponsetotheproblemsencounteredintheshieldtunnelingconstructionoftheShenzhen-JiangmenRailwayproject，basedonmultipleconstructioncases，thispapermakesacomparativeanalysisanddiscussionofthedesignproblemsencounteredintypicalstrataandtypicalsituations.，proposesthekeydesignpointsofthegeologicaladaptabilityofthecutterheadtypeofshieldtunnelingmachinesinthebidsectionoftherangeoftheShenzhen-JiangmenRailwayproject，andfinallyformsthedesignmethodofthegeologicaladaptabilityofthecutterheadtypeforspecificstrata..

KeyWords：Shieldtunneling;Cutterheadselection;Formationtype;Adaptivedesign

在盾構(gòu)隧道施工中，盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)對掘進(jìn)有著至關(guān)重要的影響[1]。刀盤設(shè)計(jì)需要考慮適應(yīng)相應(yīng)的地質(zhì)，還需要考慮施工成本、掘進(jìn)距離，以及掘進(jìn)速度滿足施工的要求[2]。盾構(gòu)機(jī)常用刀盤有“帶壓刀盤”，復(fù)合型刀盤”[3-4]。在城市地鐵項(xiàng)目，軟土掘進(jìn)中一般采用帶壓可更換刮刀刀盤；硬巖地層掘進(jìn)中，刀盤滾刀采用可更換滾刀[5]；上軟下硬比較復(fù)雜的地層需要考慮更安全的施工需要選擇可常壓更換滾刀刀盤[6]；以卵石地層為主的應(yīng)選擇可更換刮刀常壓刀盤等，所以刀盤設(shè)計(jì)尤為重要，更是施工的關(guān)鍵所在，研究刀盤設(shè)計(jì)類型與掘進(jìn)地質(zhì)的關(guān)系有著極為重要的意義。

1工程概況

由中鐵十四局施工承建的SJSG-1標(biāo)段，設(shè)計(jì)里程為DK39+905～DK44+420。該標(biāo)段線路從東莞向廣州南沙方向掘進(jìn)，總長4515m，為單洞雙線高速鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速為200km/h，其中明挖段895m、盾構(gòu)段3590m，礦山段30m，珠江口海底隧道盾構(gòu)開挖直徑為13.34m，管片外徑為12.9m，內(nèi)徑為11.7m，管片環(huán)寬為2m。

盾構(gòu)區(qū)間主要穿越地層為淤泥、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、中砂、全強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖、弱微風(fēng)化含礫砂巖、弱微風(fēng)化花崗巖。

盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)依次為軟土300m，上軟下硬540m，全斷面含礫砂巖1820m（含20m風(fēng)化槽），全斷面花崗巖930m，其中全斷面花崗巖范圍中需穿越F1斷裂帶及F1分支斷裂帶共計(jì)17條，斷裂帶影響范圍約490m。

2盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)開挖直徑達(dá)13.42m。所有結(jié)構(gòu)件全部新制，所有關(guān)鍵部件全部新購，保證盾構(gòu)機(jī)整機(jī)的使用壽命。盾構(gòu)機(jī)全長125m，重3300多t，最大推力214347kN，最大扭矩38400kN?m，適應(yīng)最大坡度5%。

盾構(gòu)機(jī)采用具備隧道開挖、泥漿環(huán)流出渣與管片箱涵同步拼裝三大主要功能和同步注漿、油脂潤滑與密封、通風(fēng)與冷卻、自動(dòng)保壓、物料運(yùn)輸、方向控制、數(shù)據(jù)采集、刀具磨損在線監(jiān)測、主驅(qū)動(dòng)伸縮等輔助功能；具備泥水平衡模式、氣壓平衡模式、開挖倉直排模式3種掘進(jìn)模式。

項(xiàng)目刀盤形式選用：刀盤采用常壓復(fù)合刀盤設(shè)計(jì)，面板結(jié)構(gòu)形式，刀盤開口率約26%。

3施工案例分析

3.1黏土地層刀盤設(shè)計(jì)的關(guān)系

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在黏土地層中掘進(jìn)出現(xiàn)的一般有黏土在刀盤上固結(jié)形成泥餅，出現(xiàn)原因如下：（1）由于黏土可塑性及黏性較高，容易黏附刀盤固結(jié)形成泥餅；（2）掘進(jìn)過程中渣土不能順利排出，在泥水倉內(nèi)堆積，密實(shí)度及密度越來越大，最終形成泥餅；（3）刀盤高速旋轉(zhuǎn)后，泥水倉內(nèi)溫度升高，對泥餅有燒結(jié)促成作用。

案例1：南崇項(xiàng)目刀盤。

（1）中鐵十四局南崇項(xiàng)目，掘進(jìn)地層為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。

（2）刀盤設(shè)計(jì)開口率47%。

（3）掘進(jìn)參數(shù)：推進(jìn)速度13～15mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速：1.15r/min，刀盤扭矩：10000～11000kN·m，推進(jìn)力：70000～80000kN。

（4）推進(jìn)顯示特征：速度逐步降低，推力明顯增大，扭矩逐漸減小。表明刀盤可能積渣結(jié)泥餅。經(jīng)進(jìn)倉檢查發(fā)現(xiàn)在刀盤背部與主驅(qū)動(dòng)之間結(jié)泥塊導(dǎo)致積倉吸口堵塞，但刀盤面板未結(jié)泥餅。

案例2：深江鐵路項(xiàng)目刀盤。

（1）中鐵十四局深江鐵路項(xiàng)目，掘進(jìn)軟土地層主要有淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化含礫砂巖。

（2）刀盤開口率27%。

（3）掘進(jìn)參數(shù)：推進(jìn)速度為12～14mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速為1.16r/min，刀盤扭矩為5000～6000kN·m，推進(jìn)力為50000～70000kN。

（4）掘進(jìn)顯示特征：推進(jìn)過程中會(huì)出現(xiàn)了推力增大，推進(jìn)速度減慢，扭矩減少的情況。出現(xiàn)的問題有刀盤輕微結(jié)泥餅、常壓刀筒積渣導(dǎo)致刀具偏磨、泥漿循環(huán)不出渣。經(jīng)進(jìn)倉檢查發(fā)現(xiàn)刀盤吸口堵塞，常壓刀桶積渣導(dǎo)致刀具偏磨。刀盤面板輕微結(jié)泥餅，加大刀盤沖洗后可消除。過程中使用少量分散劑效果可行。

案例3：蕪湖隧道項(xiàng)目刀盤。

（1）中鐵十四局蕪湖隧道項(xiàng)目，掘進(jìn)地質(zhì)有強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖和中風(fēng)化粉砂巖。

（2）刀盤開口率30%。

（3）掘進(jìn)參數(shù)：推進(jìn)速度為12～14mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速為1.16r/min，刀盤扭矩為5000～6000kN·m，推進(jìn)力為50000～70000kN。

（4）掘進(jìn)顯示特征：推進(jìn)過程中會(huì)出現(xiàn)了推力增大，推進(jìn)速度減慢，扭矩減少的情況。渣土場不出渣，無推進(jìn)速度，刀盤溫度升高。經(jīng)進(jìn)倉檢查發(fā)現(xiàn)刀盤面板結(jié)泥餅較為嚴(yán)重，刀盤已無切削能力。

經(jīng)以上3個(gè)黏土地層掘進(jìn)案例對比分析得出：在黏土地層中掘進(jìn)刀盤開口率較大可減少刀盤面板結(jié)泥餅的概率。根據(jù)蕪湖刀盤與深江刀盤，刀盤均屬于常壓滾刀刀盤，開口率30%∶27%差別不大，但蕪湖出現(xiàn)了結(jié)泥餅現(xiàn)象更頻繁現(xiàn)場，南崇刀盤與深江刀盤開口率對比47%∶27%，南崇出現(xiàn)了土塊黏附在刀盤輔臂上現(xiàn)，且出現(xiàn)較為嚴(yán)重的開挖倉堆積。以上說明地層的不同對刀盤結(jié)泥餅積渣影響更大，刀盤開口率設(shè)計(jì)需要在考慮地層的情況下決定。

3.2上軟下硬掘進(jìn)過程中問題

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層掘進(jìn)過程中刀盤容易出現(xiàn)下列問題：（1）刀盤主驅(qū)動(dòng)傾覆力矩超限，推力受限，推力控制在較小范圍內(nèi)；（2）主要刀具受力不均導(dǎo)致刀具軸承異常損壞，刀圈斷裂，掉齒等問題；（3）在上軟下硬的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中持續(xù)性的開展高強(qiáng)度掘進(jìn)作業(yè)，很容易讓刀具的磨損率增加。當(dāng)情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)讓刀盤出現(xiàn)損壞情況，導(dǎo)致刀盤強(qiáng)度和剛度降低，從而難以正常掘進(jìn)。

深江鐵路項(xiàng)目在掘進(jìn)過程中上軟下硬地層長540m，下硬主要為強(qiáng)、中風(fēng)化含礫砂巖，上部軟土主要是淤泥質(zhì)黏土。

上軟下硬掘進(jìn)參數(shù)：推力為63000～80000kN；傾覆力矩小于21000kN；推進(jìn)速度小于10mm/min、刀盤轉(zhuǎn)速為1.15～1.25r/min；扭矩為9500MN?m。

本項(xiàng)目主要遇到的問題有刀桶積渣導(dǎo)致滾刀偏磨、刀盤邊緣刀具偏磨、鑲齒刀具掉齒、傾覆力矩超限無法加大推力導(dǎo)致推進(jìn)速度較慢。

根據(jù)實(shí)際情況分析刀盤設(shè)計(jì)方案應(yīng)滿足以下條件：（1）為應(yīng)對巖層，刀盤應(yīng)設(shè)計(jì)成可安裝滾刀，以滿足破巖需求；（2）刀盤應(yīng)配有可更換刮刀，處理黏土地層；（3）刀盤應(yīng)解決傾覆力矩導(dǎo)致無法加大推力的問題；（4）在含礫砂巖地層中，地層巖石強(qiáng)度37MPa，掘進(jìn)速度10mm/min，但花崗巖強(qiáng)度達(dá)到100MPa，小推力無法達(dá)到使用要求，所以掘進(jìn)上軟下硬應(yīng)添加考慮在花崗巖地層中，刀盤設(shè)計(jì)是否需要使用可伸縮式刀盤，并必須要解決因傾覆力矩問題導(dǎo)致推力無法增大的問題。

3.3全斷面微風(fēng)化含粒砂巖地質(zhì)掘進(jìn)問題

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在全斷硬巖巖地層掘進(jìn)存375fca302869b8717854244ec4770534在問題有刀盤刀具磨損較快、推力過大導(dǎo)致刀具損壞、刀盤邊刮刀磨損較快、刀盤面便易損壞。圖4為部分項(xiàng)目巖芯。

深江鐵路項(xiàng)目地質(zhì)描述：全段面微風(fēng)化含礫砂巖土質(zhì)較硬有少許夾泥，巖體較完整無裂隙，粗砂、石英石、小粒徑卵石含量較高，地層基本無明顯裂隙水，微風(fēng)化含礫砂巖強(qiáng)度在14.9～27.4MPa。

掘進(jìn)參數(shù)：推力73000～90000kN，傾覆力矩小于18000kN·m，推進(jìn)速度10～12mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速1.3～1.5r/min，扭矩7500MN?m。

出現(xiàn)的主要問題有：主要存在的問題有邊緣滾刀異常損壞，主要為推力受限制，一旦推力加大刀具軸承損壞導(dǎo)致刀具偏磨；刀盤邊緣圓弧段區(qū)域刀具掌子面巖脊較高，刮刀刀刃磨損后，滾刀刃無法保護(hù)刀體和擋圈，造成刀體磨損嚴(yán)重；刮刀磨損較快。

經(jīng)分析得出在全斷面硬巖地質(zhì)掘進(jìn)中刀盤設(shè)計(jì)方案應(yīng)滿足以下條件：配備可更換滾刀；配備足夠多的刀刃，保證開挖效率，保證可加大足夠的推力；刀間距要小。

4結(jié)論

大直徑盾構(gòu)隧道一般超過10m，刀盤所涉及的地層較多，所以隧道地層一般都比較復(fù)雜，軟硬不均，刀盤設(shè)計(jì)要考慮適應(yīng)各種地層，并對比不同地質(zhì)層施工時(shí)間及效益做性價(jià)比分析，但所面臨的風(fēng)險(xiǎn)也是重點(diǎn)考慮的問題。

一般在深江鐵路這種既有全斷面軟土、全斷花崗巖，又有上軟下硬地的隧道應(yīng)該進(jìn)行以下考慮。

（1）全斷面軟土地層雖為淤泥質(zhì)黏土，含水率高，不易結(jié)泥餅，且掘進(jìn)距離只有300m占整條隧道的比例較少，可不考慮增大開口率，只需加大沖刷口數(shù)量。

（2）上軟下硬地層距離雖然有450m但（全、弱、微）風(fēng)化含礫砂巖強(qiáng)度差距不大，且地層軟硬逐漸變化，沒有突然軟硬變化，不易損壞刀具可不考慮刀具損壞問題，但需要考慮主驅(qū)動(dòng)傾覆力矩問題對掘進(jìn)速度帶來的影響。應(yīng)加強(qiáng)主動(dòng)后部伸縮油缸或支撐。

（3）全斷面硬巖掘進(jìn)效率較慢，應(yīng)在考慮安全快速更換刀具的基礎(chǔ)上，讓刀盤有更多數(shù)量的刀，這樣才能保證開挖效率。深江鐵路項(xiàng)目花崗巖930m占整條隧道的1/3，且掘進(jìn)速度最慢成本最高，應(yīng)以花崗巖地層掘進(jìn)設(shè)計(jì)為主，所以此臺(tái)盾構(gòu)機(jī)應(yīng)著重考慮帶壓刀盤。帶壓刀盤可布置常壓刀盤2倍以上的刀具。

（4）深江鐵路項(xiàng)目在花崗巖掘進(jìn)地層中有斷裂帶，所以解決穿越斷裂帶站在項(xiàng)目整體施工技術(shù)的基礎(chǔ)上定制方案。

參考文獻(xiàn)

• 王凱，曾垂剛，陳饋，等.水下隧道復(fù)合地層超大直徑泥水盾構(gòu)刀盤刀具設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例[J/OL].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)：1-9[2024-03-22].https：//doi.org/10.13238/j.issn.1004-2954.202303310001.
• 蘇文生.復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)刀盤地質(zhì)適應(yīng)性分析[J].福建交通科技，2022（8）：72-76，103.
• 李?；?城市軌道交通盾構(gòu)法隧道施工工藝研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2022（2）：124-126.
• 劉建航，侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1991.
• 姜偉，楊磊，石強(qiáng)，等.基于層次分析法-模糊綜合評價(jià)法的盾構(gòu)掘進(jìn)適應(yīng)性評價(jià)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（1）：358-365.
• 孫劍萍，湯兆平.盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)適應(yīng)性研究與評價(jià)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（4）：27-36.