泥水盾构在长距离砂卵石地层穿河施工中的不换刀技术

贾会森

(中铁十二局集团有限公司， 太原 030024)

泥水盾构在长距离砂卵石地层穿河施工中的不换刀技术

贾会森

(中铁十二局集团有限公司， 太原 030024)

针对沈阳地铁9号线一期土建工程泥水平衡盾构在砂卵石及黏土地层中下穿500 m宽浑河隧道工程，对可能遇到的刀盘刀具严重磨损及结泥饼现象进行了预判，通过对地质颗粒成分组成及浑河水位变化情况进行分析研究，优化创新了刀盘结构形式和刀盘刀具耐磨设计，增强了环流系统泵送能力，改进了防结泥饼冲刷管路设计，再辅以施工辅助技术，不但实现了泥水盾构在该工况下不结泥饼和不换刀，还节约了施工成本。该技术的成功运用可为今后类似工程提供参考。

轨道交通； 泥水盾构； 砂卵石； 穿河； 不换刀

1 工程概述

沈阳地铁9号线汪河路站—曹仲站区间单线全长2 237 m，管片外径为6 000 mm，内径为5 400 mm，宽度为1 200 mm。区间设联络通道3座和1口风井，其中风井两段分别为1 464 m和773 m(盾构穿越风井段采用的是砂浆回填风井法[1]，即盾构通过风井前将风井结构施工完成，采用砂浆回填到风井内，待盾构穿越风井且整个区间施工完成后再把砂浆挖出恢复风井结构)。隧道结构断面主要穿越中粗砂、圆砾土地层，局部含有粉质黏土层，地层富含水，中间穿越500 m宽浑河。本区间采用直径为φ6 300 mm的间接式泥水平衡式盾构进行施工,盾构由汪河路站始发，曹仲站进行接收。

2 工程地质情况

区间以-19‰的坡度从汪河路站始发，途经-3‰、18.2‰、3‰、17.6‰、2‰的坡度到达汪河路站，隧道断面在始发段和出洞段为全断面圆砾土，主要由变质岩组成，亚圆形，坚硬，一般粒径为2～20 mm，最大粒径为80 mm，充填约20%的混粒砂和黏性土，局部为卵石层，地下水类型为孔隙潜水，赋存于圆砾强透水层中，渗透系数在85～120 m/d之间，且掌子面自稳性差。

隧道断面(见图1)在中间段为粗砂、砾砂、中砂、局部圆砾土和局部180 m隧顶处含粉质黏土，地层中含石英颗粒，呈亚圆形，其中圆砾最大颗粒为100 mm，粉质黏土为硬塑，中段500 m宽浑河水位受季节影响较大，一般最大水深约为6 m(同时浑河下游水坝不定期蓄水，影响盾构掘进水土压力控制)，整个地层渗透系数高，掌子面自稳性差，对刀盘及刀具磨损较大。

图1 汪河路站—曹仲站区间地质纵断面Fig.1 The geological profile of the section between Wanghe Road station and Caozhong station

3 该工程对刀盘和刀具的不利因素

1) 盾构始发与接收端头围护结构为钻孔灌注桩，围护结构钢筋采用玻璃纤维筋[2]，钻孔灌注桩强度达到30 MPa,加固范围强度达到10 MPa，刀具选型配置需考虑软岩和硬岩施工因素。

2) 该工程主要地质为粗砂、砾石及圆砾层，且石英含量高，对刀盘和刀具磨损较大，因此刀盘的耐磨性需要重点考虑[3]。

3) 该工程部分地段含粉质黏土地层，粉质黏土地层颗粒度小于20 μm，目前泥水分离设备技术无法处理20 μm以下的颗粒，将引起泥浆比重上升，致使环流携渣困难，易形成泥饼，使刀盘刀具无法起到切削掘进的作用，甚至导致滚刀等刀具严重偏磨而无法继续掘进施工[4]。

4) 该工程将从浑河底部穿越，地层渗透系数高，且掘进距离长，必须控制好掘进参数，有效预防刀具的磨损情况，避免因刀具损坏而进行带压进仓换刀作业，引起施工风险。

5) 该工程穿越风井时，采用的是回填方式，穿越强度为30 MPa的风井洞门围护结构及回填材料，将加剧对刀盘和刀具的磨损程度。

4 不换刀技术

4.1 刀盘及刀具的设计

根据工程特点分析，刀盘设计理念为：渣土开挖主要应以剥离为主；开口率要大，使开挖下来的渣土充分搅拌后可快速流入开挖仓内，通过排浆泵及时排出，从而降低刀盘扭矩；同时应加强刀盘和刀具的耐磨性设计，尽可能地满足长距离施工不换刀的要求[5]。

4.1.1 刀盘结构设计及刀具类型选择

刀盘设计见图2。

图2 刀盘设计Fig.2 Cutter head design drawings

1) 刀盘结构采用Q345C材质，耐磨性增强，辐条式布置，开口率为48%。

2) 进渣口采用锥形设计，进渣口部位的支撑筋板采用Z字形设计，这种特殊的设计有利于泥浆顺畅地流入开挖仓，避免进渣口堵塞。

3) 刀盘搅拌棒采用十字形设计，且外圈搅拌棒尽量靠近前盾壳体，对底部渣土起到搅动、撞击的作用。

4) 刀盘牛腿采用铸造式牛腿，减少型钢结构的棱角，利于渣土流动，减少结泥饼现象。

5) 刀盘中心采用大流量冲刷设计，防止渣土在刀盘中心区域堆积，同时加快泥浆在开挖仓中心部位的混合，增强泥浆的流动性，极大降低中心结泥饼的可能性。

6) 刀具布置原则：本工程管片用的常规盾构机刀盘开挖直径设计尺寸(一般不大于6 280 mm)，实际用于本工程的刀盘开挖直径增加了20 mm(达到6 300 mm)。盾体的直径设计不变(与常规盾体直径保持一致，6 250 mm)，这种设计可增加边刀理论可磨损量，确保了开挖直径，使同种地质条件下可掘进有效里程增加；增加保证周边开挖直径的刀具数量，均分刀具磨损速度，使单个刀具的转换磨损量增加，有利于增加盾构的掘进里程数;因主切刀全为焊接刀具，一旦施工复杂情况超过预期，将导致主切刀损坏而无法掘进施工(带压补焊主切刀属于高风险作业)，设计中将周边刮刀开挖直径增加为6 280 mm,当开挖直径主切刀磨损刀不能满足要求时，可采用更换周边刮刀进行辅助掘进；主切刀贝壳刀采用双层设计，形成刀高差，达到阶梯磨损的效果，以延长盾构掘进距离。

7) 刀具采用贝壳刀为主切刀，齿刀、超挖刀、刮刀、鱼尾刀和保径刀等进行辅助开挖，刀具数量及功能见表1。

表1 刀盘刀具配置及作用

4.1.2 刀盘及刀具耐磨性设计

1) 改进刀盘面板耐磨焊材，刀盘面板焊有12.5 mm厚的耐磨复合钢板(美国进口的信铬钢，性能远优于原盾构常用的Hardox板)。

2) 根据沈阳以往项目砂卵石地层中使用的盾构刀盘周圈焊接镶嵌合金的新型耐磨防护措施[6]，本工程刀盘设计结合刀具的耐磨设计，在采用优质钢板的刀盘周圈上镶嵌特殊耐磨合金块，性能接近于耐磨刀具，除具有耐磨功能外，还能保证刀盘体的直径。

3) 刀盘边缘过渡区、刀盘进渣口以及刀盘背面加焊致密耐磨网格，使与渣土有较大摩擦力接触的部位得以防护，从而提高刀盘整体的耐磨性能。

4) 刀盘上外周设有2个磨损检测装置，用于检测刀具磨损情况，从而防护好刀盘整体结构，便于施工风险控制。

5) 贝壳刀刀头采用大块合金，延长使用寿命。

6) 切刀、边缘刮刀布置有3道硬质合金，且刀体侧面加焊耐磨网格，在增强耐磨性的同时，可提高其抗冲击性。

4.2 盾构机辅助装置设计

刀盘刀具的设计是不能保障长距离复杂地层不换刀施工的，必须通过设计合理的盾构配套设备辅助完成。从该工程地质特点来看，辅助装置重点需要解决的是：防止泥饼的形成和形成泥饼后的处理，开挖仓内渣土的堆积使刀盘刀具摩擦面积增大而加快磨损以及粉质黏土等微细颗粒引起的环流携渣等问题。

4.2.1 搅拌装置

原盾构气垫仓排浆管路设计方案为碎石机，主要考虑因地质勘探不明而存在的孤石和大粒径卵石等对盾构施工的影响，后根据车站施工开挖渣土实际情况及随机补勘抽样结果显示，区间隧道内大颗粒卵石不超过100 mm。

为解决小粒径砂卵石和粉质黏土在排渣口堆积导致环流携渣不畅的现象，将搅拌装置替代碎石机设置，主要解决底部沉渣搅拌问题，同时由于搅拌装置负荷比碎石机小，不但降低了设备的故障率，还减少了设备的维修风险。

4.2.2 冲刷管路

该工程冲刷管路设计主要是便于渣土流动、防止泥饼的形成、泥饼形成后的处理、气垫仓和开挖仓(安全门处)底部沉渣的稀释等，但砂卵石地层管路冲刷应减少对掌子面的冲刷影响，避免掌子面因冲刷过度导致坍塌现象。

根据以上分析，开挖仓内共设置6路泥浆冲刷管路，分别为顶部2路冲刷刀盘用，中部1路冲刷刀盘中心部位，底部2路冲刷安全门，1路反冲洗管路；气垫内底部布置2路冲刷搅拌装置。全方位的冲刷管路解决了渣土搅拌的和易性和刀盘结泥饼等问题，减少了渣土对刀盘刀具的磨损[7]。

4.2.3 环流系统

该工程的粉质黏土细微颗粒是泥水盾构施工的克星，因此环流系统的设计必须重点考虑携渣能力，避免渣土堆积在开挖仓内，加速刀盘和刀具的磨损。

通过加大进排浆泵的功率和管路直径，确保环流系统携渣顺畅和提高整体施工效率。该工程环流系统泵站功率设计是同规格类似盾构的1.2～2倍，中继泵由1台进浆泵和2台排浆泵组成，进排浆管径由常规的250 mm变更为300 mm[8]。

4.3 施工技术措施

4.3.1 掘进参数控制

盾构施工掘进必须合理控制相关施工参数，尤其是刀盘扭矩(在不超过额定扭矩的60%前提下提高推进速度，贯入度不超过30 mm,转速为1.6 r/min左右)和泥水指标(根据掘进地层不断做出调整，在粉质黏土地层需增加高分子材料防止泥饼的形成)。通过掘进参数的控制，减少了意外情况的发生(刀具受力状况及环流携渣匹配等问题)，达到延长刀盘刀具使用寿命的效果[9]。

4.3.2 压滤设备

该工程地质含有粉质黏土地层，颗粒直径小于20 μm，泥水分离系统是无法处理的，易造成泥浆比重上升，携渣能力减弱，从而使渣土堆积在开挖仓内，增加刀盘刀具摩擦面积和摩擦力，因此额外增加压滤设备对泥浆进行黏土分离，确保了泥浆的相关指标，保证了环流携渣能力[10]。

4.3.3 风井回填处理方法

经过推算，该工程盾构穿越风井时，风井主体结构(设计为两层)只能完成底层的施工任务，且风井距离浑河较近，施工降水困难，盾构到达风井后需长时间停机，施工风险巨大，决定对风井采用先回填处理，待盾构通过后再恢复的方案。此方案最终导致盾构需长距离掘进，而风井围护结构与回填材料将可能加剧盾构刀盘和刀具的磨损。

为减小风井围护结构与回填材料对刀盘刀具的影响，综合风井施工中的降水风险，决定对风井围护结构采用边凿除边回填的方式，并确定回填材料为塑性水泥砂浆，将整个风井回填材料最高强度控制到5 MPa以内[11]。

5 施工效果

以上刀盘刀具等设计及施工技术保障措施满足了盾构在长距离砂卵石穿河施工中不换刀要求。整个隧道贯通后，发现刀盘整体结构良好，周圈磨损约2 mm(面板耐磨网格),刀具磨损比较严重，贝壳刀最大磨损量达10 cm(属于完全报废状态),周边刮刀部分刀座由于刀具布置轨迹未全断面覆盖而磨损(见图3)。

图3 盾构贯通出洞后的刀盘Fig.3 The cutter head image after the shield penetrates the hole

5.1 施工安全和进度

该区间不换刀技术的实现，不但为正常掘进提供了更多有效时间，达到日掘进记录21环(25.2 m)，实现不足6个月时间完成单线隧道贯通的目标，同时还消除了带压进仓换刀的重大风险，实现安全和进度的双丰收。

5.2 经济效果

按照以往沈阳泥水盾构在砂卵石地层穿河施工过程中的经验，至少需进行5次带压换刀方能实现该长度的区间贯通，每次带压进仓换刀至少耗时5 d，每次带压进仓费用(含泥浆护壁、刀具、带压换刀劳务及工期延误等费用)不低于60万元，间接节约资金约300万元。

6 结语

从以上盾构施工不换刀技术措施来看，提前做好盾构刀盘刀具设计优化和配套施工技术辅助措施，将为实际施工带来巨大的安全、进度和经济效益。

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TechnologyforNotReplacingtheCutteroftheSlurryShieldMachineCrossingtheRiverintheLong-DistanceSandandGravelStratum

JIAHuisen

(China Railway 12th Bureau Group Co., Ltd., Taiyuan 030024)

For the tunnel engineering by slurry shield machine crossing the 500 meter-wide Hun River in the sand-gravel and clay stratum, the phenomena of serious cutter wear and mud cakes are predicted and analyzed in advance; through analysis and study on the changes of the geological particle composition and the water level of the Hun River, structure type and wear-resisting design of the cutter are optimized and innovated; the circulation pumping capacity is enhanced, and the pipeline design for mud cakes proofing is improved; and some assistant construction measures are put forward. Thus no mud cakes are produced and there is no need to replace the cutter for the slurry shield machine. As a result, the construction costs are reduced.

rail transit; slurry shield machine; sand and gravel; cross river; not replacing cutter

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.012

U231

A

1672-6073(2017)06-0069-05

2017-01-21

2017-02-28

贾会森，男，大学本科，工程师，主要从事城市轨道交通盾构施工管理工作，278819903@qq.com

(编辑：郝京红)