新型防泥饼盾构刀盘研究

李继龙

摘要： 本文以广州地铁五号线【西场-草暖公园】区间为例，主要针对困扰盾构施工比较常见问题—刀盘结泥饼，主要研究目的为降低盾构施工中刀盘结泥饼频率，减少盾构施工停工时间及人工进仓频率以降低施工风险提高施工效率。本文主要以改進刀盘设计为出发点，采用子母刀盘设计，增加中心转速及开口率。该设计规避了原经典刀盘设计中存在的结泥饼的诱因，可显著降低结泥饼风险。

Abstract： This paper takes the Xichang-Caonuan Park section of the Guangzhou Metro Line 5 as an example to focus on the relatively common mud cake problem of cutterhead plagued in the construction of shields. The main research purpose is to reduce the frequency of mud cake problem of cutterhead during shield construction， reduce the construction time of the shield construction and the frequency of manual entry to warehouse， reduce construction risks and improve construction efficiency. This paper mainly takes the improvement of the cutterhead design as the starting point， adopts the design of the child-mother cutterhead， and increases the center rotation speed and the opening ratio. This design circumvents the incentives for mud cake problem in the original classic cutterhead designs and can significantly reduce the risk of mud cake.

关键词： 泥饼；开口率；刀盘；贯入度

Key words： mud cake；opening rate；cutterhead；penetration

中图分类号：U455.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）21-0132-02

0 引言

随着国内人民生活水平的不断提高，地下轨道交通日益为各城市居民出行的首选交通方式。因此，国内各城市也纷纷将地铁建设提上日程。在地铁建设中，最常用的设备为盾构机，盾构机在地下施工领域具有安全、高效的特点。但是盾构施工中经常遇到刀盘结泥饼这一施工难题，一旦刀盘结泥饼，最直接的影响就是停机处理泥饼，处理泥饼过程中往往伴随着人工进仓甚至是人工带压进仓，不但影响了施工工期的整体安排，还大大增加了施工风险，降低了工程利润。

1 泥饼形成原因

刀盘泥饼形成机理主要是：刀盘在泥岩、泥质砂岩、粉质黏土等地层中，刀具切削下来的泥土和其它地质细颗粒在刀盘内重新集结并固化，阻塞刀盘渣土导流通道、阻碍刀具旋转及切削土体。半个多世纪以来，盾构施工领域一直在寻找突破这一盾构施工难题的方法，但大多是治标不治本，直至今天，刀盘结泥饼仍为盾构施工中的头号难题。

刀盘结泥饼后，盾构机掘进参数不稳定、推力大、扭矩高、速度慢、温度异常等，使盾构施工效率大大降低，同时也严重影响盾构机设备寿命。

1.1 地质因素

盾构机穿越地层中的泥岩、泥质砂岩、粉质黏土、泥质粉砂岩富含矿物质元素，这些元素被刀盘切削后形成粉粒状，在土仓内构成了形成泥饼的基础物质，当形成泥饼条件具备时，这些颗粒状物质重新集结并硬化，附着在刀盘或者土仓内，从而形成泥饼。

1.2 刀盘设计因素

盾构机刀盘设计也是刀盘结泥饼的一个主要因素。刀盘中心开口率偏小：在掘进过程中刀盘中心转速低（n转速一定，v与r成正比）对切削下来的渣土扰动小，如果中心部位刀盘开口率偏小，就会使低速流动的渣土在中心部位集结，从而形成泥饼；刀盘内搅拌棒数量偏少：现在市场上大多数盾构机尤其是超大型盾构机为了节约制造及运行成本，大多采用中心支撑主轴承设计，该设计带来的直接影响就是土仓中心部位缺少被动搅拌棒，当盾构机穿越富含矿物质地层时，渣土在中心部位不能被充分搅拌，致使盾构机刀盘中心结泥饼；刀盘刀具布置也是刀盘结泥饼的一个主要因素：刀具布置不合理致使切削下来的渣土块大小不均、滚刀偏磨，进一步降低了掘进速度与出渣效率，使土仓内渣土集结形成泥饼。

1.3 施工中控制参数因素

盾构施工过程中，盾构机操作手对相应地层制定的掘进参数也是刀盘结泥饼的一个重要因素。在掘进过程中，操作手要根据实际情况实时判断地层状况，采用合理的掘进参数、渣土改良措施（土压平衡盾构机）、泥浆配合比参数（泥水平衡盾构机）；盾构机保养也必须跟踪到位，充分发挥目前盾构机上具有的防泥饼设备的功效。

2 子母刀盘防泥饼原理

刀盘结泥饼最重要的一个因素就是刀盘中心部位开口率，普通刀盘中心部位开口率受限于中心部位刀具布置，因此刀盘中心开口率低，使得中心部位极易结泥饼。从结泥饼原理上分析得知：在盾构机刀盘层面需要解决两个问题，第一、刀盘中心部位开口率过低；第二、刀盘中心转速过慢。如果能解决以上两方面问题，即可大大降低刀盘结泥饼概率。

新型子母刀盘设计，克服了传统刀盘在刀盘结泥饼方面的弊病，中心部位采用两个或多个（依照盾构机大小及内部空间而定）子刀盘设计，将大部分刀具集成到子刀盘上，为中心部位余出大部分空间用来渣土导流，从而解决了中心开口率的问题；另外，子刀盘拥有自主的驱动系统，在转速方面不受母刀盘的控制，可适当提高子刀盘转速，以提高中心渣土导流的流速。

3 结语

本文结合广州地铁的实际情况，针对广州地区地层情况复杂、施工风险高等特点，设计新型防泥饼刀盘，希望对广州及全国地下工程盾构施工提供借鉴，对未来珠三角大直径盾构施工刀盘设计有参考意义。

参考文献：

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[2]陈乔松，刘德智.泥水平衡盾构机刀盘泥饼形成机理及防治技术.2012-08.

[3]王新，沈奇.土压盾构在砂性土中施工关键技术研究[J].施工技术，2013（02）.