大粒径卵石地层盾构机刀盘选型论证
2020-4-11 来源：中铁八局集团有限公司 作者：贾科
摘要：成都地铁9号线一期培风站～成都西站工程处于大粒径卵石地层，部分漂石粒径超过70cm，且含大量耐磨矿物质，对盾构刀盘磨耗大。当刀盘掘进遇到较大粒径漂石，严重影响盾构掘进。本文从刀盘结构、材质、面板分配、开口率、开口尺寸、刀具的布置、刀盘的保护这几个方面分析大粒径卵石地层刀盘选型的关键点。
关键词：大粒径卵石；盾构机；刀盘选型；开口率；刀具
成都地铁9号线一期培风站～成都西站工程处于大直径卵石地层，如果盾构机刀盘选型不恰当，在掘进的过程中就容易出现刀盘卡死、刀具磨损严重、换刀困难、施工进度慢、地表易坍塌等诸多问题，针对以上问题对盾构选型进一步研究优化，最大限度提高盾构施工进度，降低盾构施工安全风险。
1 、工程及地质概况
成都地铁9号线一期培风站～成都西站工程隧道洞身主要位于卵石土〈2-9-4〉、〈3-8-3〉中，粒径大于20mm卵石含量为65～80%，岩土分级为Ⅳ级软质岩，该地层主要有以下几个特点：
（1）卵石含量高、粒径大、强度高 卵石含量为65%～80%，漂石最大粒径达60～70cm，含量为5%～10%，但粒径在30～50cm的卵石含量较多，在50%以上，本次勘察卵石土点荷载换算岩石抗压强度为33.67～171.00MPa，强度高，含大量耐磨矿物质。
（2）地下水量大、透水性好 卵石土属强透水层，均一性较好，饱水状态下，盾构掌子面卵石土结构稳定性差。
（3）易固结性在大粒径卵石与刀盘相互摩擦过程中会产生粉末和热量，当渣温上升至45℃以上且含水量不足时，卵石所产生的粉末易与砂石发生固结，在刀盘开口尺寸较小的位置结成泥饼。
2 、卵石地层的特点及盾构机施工难点分析
2.1 盾构机在这种地层中掘进的特点及所受的不利影响主要表现在以下几个方面：
（1）盾构机密封舱内建立土压平衡比较困难；该地层易坍塌，不易保持开挖面的稳定；大粒径砂卵石切削或破碎困难，且渣土经螺旋输送机向外排出十分困难。
（2）地层颗粒较大，盾构施工远比一般粘性土、砂性土层困难。
（3）盾构切削土体颗粒与刀盘摩擦大，刀盘(刀具)、螺旋输送机以及密封舱内壁磨损严重，且盾构机掘进过程中产生的振动和噪声对周边环境影响较大。
（4）砂卵石处于密封舱内、螺旋输送机内及盾构周围，对盾构机的扰动、振动很大，不利于掘进参数的调整，包括推进千斤顶的压力、螺旋输送机的转速、排土门的开度、盾构机位置及姿态控
制等。
（5）砂卵石层为强透水层，地层细颗粒成分含量少，不易形成能够止水的流塑状渣土，在渣土改良不到位时极易发生喷涌，可能导致土仓失压引起地层沉降，甚至发生“塌坑”现象。
2.2 因此，在本工程的盾构选型中，着重考虑了以下几个方面的因素：
（1）盾构机选型中,控制地层沉降的能力是选型的重要依据。
（2）在砂卵石地层中掘进,盾构所受干扰较大,需要很强的姿态控制能力。
（3）砂卵石地层中的卵砾石粒径大,盾构机必须具备较强的耐磨性。
（4）在满足刀盘结构强度的情况下，选择开口尺寸和开口率较大的刀盘，利于大粒径卵砾石进入土仓，便于排土掘进。
（5）配置适应该地层的刀具。
（6）配置完备的渣土改良系统。
3 、砂卵石地层盾构机刀盘论证
3.1 刀盘布刀总体规划
（1） 针对砂卵石地层这种由沉积形成的软弱地层，必须在刀盘安装撕裂刀，超前对掌子面进行地层破坏，以点破面，形成从掌子面往外侧破碎延伸的临空破碎面。
（2）形成临空破碎面后，滚刀开始挤压其余范围的松散地层，最后其他的边刮刀即可很容易破开掌子面，从而达到顺利掘进效果。
（3）超前撕裂刀应控制其刀刃高度不高于其余刀具5cm，主要原因在于，虽然超前撕裂刀刃越高越利于掘进，但刀刃强度有限，过高易损毁；反之，如果刀刃太低则起不到超挖破面的效果。
3.2 砂卵石地层盾构机刀盘结构论证
（1） 滚刀破岩原理
图1 滚刀破岩原理
如图1所示为盾构机掘进过程中刀盘滚刀工作的破岩原理，该破岩方式为挤压剪切式。其方法具有破碎量大、速度快的优点，在滚刀切入掌子面过程中，通过滚刀两侧的挤压剪切力从而达到以点破面的效果。
因为砂卵石没有胶结且弹塑性差，属于软弱地层，无法形成连续的破碎轨迹，但又确实含有高强度的卵石，这种刚柔并济的地层我们须将硬岩破碎原理和软弱地层掘进机理相结合，从而得到一个适合于砂卵石地层的掘进机理。针对砂卵石地层中高强度且大小不一的卵石,目前主要有两种处理方法，但均存在不足：
通过对比分析我们可以得出：滚刀的设置是必不可少的，但应控制数量不宜过多；常规的直径为φ700～φ900的杆式螺旋输送机可输出的最大卵石粒径为24～35cm，能满足正常掘进即可。砂卵石掘进的原则是：将含量较多的小、中粒径卵石直接排出，用滚刀将含量较少的超大粒径卵石破碎后排出。
3.3 砂卵石地层盾构机刀盘结构
结合土压平衡原理与砂卵石地层的相关特点，刀盘结构选型宜采用中心开口率稍大的主梁+小面板结构。其主要理由是：①中心开口率大能有效降低中心泥饼固结几率；②砂卵石地层稳定性受地下水的影响较大，因纯辐条式刀盘对掌子面支撑较少，任何方法开仓均存在较大风险，故不能采用纯辐条式刀盘；③大面板式刀盘既不能提供足够的开口率，还增大了刀盘与地层间的摩擦阻力，从而使刀盘扭矩增大，缩短主轴承使用寿命。
（1）开口尺寸和开口率设计
在砂卵石地层刀盘选型中，不仅要关注开口率，还要关注开口尺寸。通过对砂卵石地层的取样分析和成都各标段的掘进参数情况对比，认为在含有大粒径卵石地层盾构机刀盘整体开口率应在38%～41%，刀盘中心开口率39%～40%。同时应控制开口尺寸，对开口尺寸过大的地方增加耐磨格栅使刀盘能够将大小卵石筛分开，防止不能正常排出的大粒径卵石进入土仓。
（2）降低磨耗处理
既然在砂卵石地层中不能避免卵石对刀盘的磨损，那我们就应采取有效的措施避免刀盘磨损量过大而影响正常使用。一是在刀盘的侧面较为薄弱的切口附近增加耐磨性好的耐磨块；二是在刀盘上增加具有保护性的耐磨导流块等；三是可以通过采取有效的渣土改良措施（加水、加泡沫、膨润土等），增加渣土的流动性，减少刀具摩擦，达到降低磨耗的效果。
（3）图2是根据以上大粒径砂卵石掘进机理，形成的一个大致形象的刀盘形状，以供参考。
图2 中部带有超前撕裂刀的刀盘形状和卵石地层掌子面剖面
4、砂卵石地层盾构机刀盘选型
4.1 砂卵石地层盾构机选型概述
砂卵石地层总体上来说属于由沉积形成的软弱地层，所以在刀盘选型上应从软弱地层出发考虑，而同时也要考虑对付高强度卵石的方法，可以通过加强刀盘的结构强度和耐磨性寻找一种介于软弱地层与硬岩地层之间掘进机理配置，结合砂卵石独有的性质进行细部配置。因此，单纯的土压平衡盾构机已无法适用于砂卵石地层，应采用与特殊配置相结合的混合式土压平衡盾构机，才能及时采用有效的技术手段保证砂卵石地层盾构的顺利掘进。
4.2 砂卵石地层盾构机刀盘的比选
为降低刀盘中心结泥饼的概率，需要采用较大的中心开口率，综合以上论述，分别进行了4辐条和6辐条式两种刀盘的设计，其参数主要差异在于：
针对上述两种刀盘形式进行对比分析：
通过对比发现，6辐刀盘和4辐刀盘比较，6辐刀盘的中心平均开口面积更小，可通过的卵石粒径较小，开口形式更复杂，易集聚渣土，形成泥饼概率更大；外圈开口率小，有效开口面积较小，在中心结饼情况下会持续恶化，导致掘进非常困难。
因此，4辐条式刀盘比6辐条式刀盘更适合大粒径卵石层，但应使用格栅控制开口尺寸、并安装超前撕裂刀才能更好的适应大粒径卵石地层掘进。
5 、结语
综上所述，在大粒径卵石地层进行刀盘配置选型时，应重点考虑：
（1）结构牢靠，材质良好。
（2）选择整体开口率在38%～41%、刀盘中心开口率在37%～40%的主梁+小面板结构，用格栅来控制刀盘开口尺寸大小。
（3）刀盘应安装刃高不高于其余刀具5cm的超前撕裂刀。
（4）滚刀之间的间距应根据螺旋输送机能最大排出的粒径大小来设置，建议设置在20cm～30cm。
（5）刀盘的正面和侧面易被磨损的位置增加耐磨装置加以保护。
（6）4辐条式刀盘比6辐条式刀盘更适合大粒径卵石层，但应控制开口尺寸和安装超前撕裂刀。
（7）6辐条式刀盘可通过增大开口率、安装超前撕裂刀来适应大粒径卵石盾构掘进。
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