一种用于成都砂卵石地层的矩形顶管刀盘设计

陈世友，范 磊，徐德帆，龚廷民

(中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016)

随着我国城市化建设的不断推进与发展，顶管法施工以其不需要开挖地面、占地面积少、交通影响小、开挖速度快、经济、环保的优势在综合管廊、地下通道等项目建设中不断发挥重要作用[1]。

矩形顶管法施工是一种广泛用于矩形隧道施工的非开挖工艺。其相比圆形顶管具有空间利用率高、成本低的优点，正在越来越多受到施工单位的青睐，矩形顶管机施工时，刀盘通过旋转切削土层，将切削下来的渣土排出工作井，并利用工作井内液压油缸推动顶管机和管节前进，从而达到铺设管道的目的。

目前，国内制造的矩形顶管机适用的地层相对单一，主要适用于淤泥、黏土、粉土、沙土等软土地层，针对川大下穿人民南路富水砂卵石该种复合地层的矩形顶管案例国内还鲜有涉及，这主要是因为地层稳定性差且含有流沙，隧道开挖时无法自然形成力拱，施工风险较大[2～3]。

在顶管施工中，设备的选型起到了重要的作用，刀盘是顶管机中最关键的组成部分，它直接与待开挖岩土接触，用以切削工作面的土层以及挤压破碎岩层，为管道顺利顶进创造空间。顶管机施工过程中会遇到各种不同的地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。因此，刀盘、刀具必须根据地质情况进行针对性的设计。

1 工程概况

1.1 工程设计概况

川大下穿人民南路人行通道项目位于成都市人民南路三段，华西第四医院正门南侧约20m处。工程包括新建东侧的地下3层停车场、1个过街人行通道连接附二院既有的停车场、一部垂直电梯。过街通道下穿人民南路，上跨地铁1号线。顶管隧道施工部署如图1所示。

图1 顶管隧道施工部署

工程设计采用的矩形管节外部尺寸为6 000mm×4 500mm，管节厚度为500mm，其地下人行通道底板埋深9.3m，顶板埋深4.8m。工程采用土压平衡顶管施工工艺施工。

工程管道长度为56m，场地所在路面高程为498.23m。其水文地质情况为：顶板上部覆土依次为地面道路路面结构层、杂填土、粉质粘土、砂层、松散卵石。顶管穿越地层为松散卵石和稍密卵石，局部为砂层。各土层工程特性指标见表1所示。

表1 土层岩土工程特性指标

1.2 区域交通情况

顶管下穿人民南路、上跨地铁1号线，始发井设置在人民南路东侧人行道区域内，接受井设置在人民南路西侧人行道区域内。该段落人民南路东侧人行道宽约20m，拟施工打围占道路宽15m，出入口可设在华西美庐所在路口，工程车辆均可直接进入施工场地内。

1.3 地面障碍物及地下管线情况

经现场踏勘，该段落人民南路地下管线有污水管、雨水管、给水管、燃气管、电讯管线、电力管线及电力浅沟，均位于车行辅道、人行道及绿化带内，顺路线方向布置。主车道下布置有地铁隧道，未布置其它市政管线，路面高程498.23m。地铁1号线基本顺路线方向布置（斜交角度较小），地铁隧道结构顶板高程485.6m，距地面12.6m。埋深最大的污水管，管底距地面4.7m，距人行通道顶板1.1m。

2 刀盘设计

2.1 刀盘布置形式

由于工程周边地下管线较多，且要横穿地铁1号线上部，为避免对地下管线产生不利影响，工程应严格考虑地面的沉降，地面沉降的范围是+10～-30mm，因此，顶管掘进时，应随时对压注浆液进行全程监控、勤测量，确保工程慢速、连续、平稳的顶进。

富水砂卵石地层稳定性差且含有细砂，流动性强，在隧道开挖时无法形成自然力拱（掌子面不稳定），常用的前后品字形刀盘布置的方式为流沙喷涌提供了空间，易引起土体的坍塌，因此不适宜于该种地质的布置。为尽可能维持掌子面的稳定，防止大粒径卵石卡住刀盘，避免刀盘和轴承的损坏，该矩形顶管机将10个刀盘配置在同一平面内协同工作（图2），显著增大了刀盘的搅拌区域（达31.45%），保证了渣土搅拌的充分，使渣土具有良好的流动性、塑性和止水性，能够有效控制地表沉降。

图2 刀盘同平面布置图

2.2 刀盘结构设计

矩形顶管项目穿越地层主要为松散卵石和稍密卵石层、局部为砂层，刀盘设计须考虑足够大的开口率，并使刀盘具备破岩能力。

矩形顶管刀盘配置∅2 200mm、∅1 630mm、∅1 220mm、∅520mm 4种开挖直径刀盘，刀盘结构是依据项目地质特点进行针对性设计的。

图3所示的是用于该矩形顶管的∅2 200mm刀盘，该刀盘为辐条式刀盘，刀盘结构主要由4个刀梁及外部大圆环组成，刀盘背面焊接有主动搅拌棒，对土仓内的渣土进行改善，搅拌棒采用嵌入辐条式刀盘箱型结构的方式，以增强搅拌棒整体抗冲击性能；刀盘面板上设有渣土改良喷口，背部配有疏通管路；刀盘中心为鱼尾刀，正面配置镶硬质合金的切刀与撕裂刀。刀盘结构设计主要有以下特点：①刀盘的开口形式：该刀盘开口率30%，其结构形式既保证能够安装滚刀，又有利于碴土的流动。土体容易进入土仓，其土仓中的土体密度及压力更接近开挖面的土体密度与压力，因此，便于土仓中土压力的控制；②刀盘与开挖面之间接触面积小，碴土不易堆积在刀盘与开挖面之间。因此，刀盘不容易产生“泥饼”堵塞现象，并减轻了刀盘与刀具的磨损，并且能降低刀盘切削扭矩；③耐磨设计：刀粱的周边堆焊有耐磨层，耐磨焊条采用DIN8555:MSG6-60GZ，硬度可达到57-62HRC，刀盘面板焊接格栅状耐磨材料，充分保证了刀盘在不良地质掘进的耐磨性能；④刀盘上配置合理数量改良剂（泡沫或水）注入口，保证添加剂均匀的注入开挖面，以改善开挖土的流塑性，刀盘改良喷口设计如图4所示。

图3 刀盘结构图

图4 刀盘改良喷口设计

2.3 刀盘刀具的切削原理

针对川大下穿人民南路人行通道项目地质情况，该矩形顶管机刀盘的刀具主要分为软土、硬岩刀具两种，软土刀具分为中心鱼尾刀、撕裂刀、切刀，硬岩刀具以滚刀为主，以下针对各种刀具切削原理做简要分析。

1）中心鱼尾刀 中心鱼尾刀超前其它各种刀具布置，其切削时首先利用刀尖部分切削中心部位小圆断面，而后扩大到全断面切削提提；其根部通常设计为锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动，这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善土体流动特性，又大幅提高了顶管机的整体掘进水平。

2）撕裂刀 超前切刀布置，撕裂刀在切刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创造良好的切削条件。采用撕裂刀，可显著增加切削土体的流动性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。

3）切刀 刀具随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力，不断将开挖面前方土体切削下来。

4）滚刀 滚刀在推力和滚动力的作用下，滚动力使刀圈滚压岩体。通过滚刀对岩体的挤压和剪切使岩体发生破碎，岩石产生龟裂，向周围扩散，切削沟槽两侧的岩石剥离破碎，图5为盘兴滚刀破岩机理示意图。

图5 盘形滚刀破岩状态示意图

2.4 刀盘刀具的布局与配置

刀具布置遵循全断面切削布置的特点；切刀成对布置，内少外多，保证磨损均衡；各个辐条布置切刀数量尽量一致，保证力矩均衡。

刀具在刀盘上的布置方式主要有阿基米德螺线布置法和同心圆布置法，但目前采用较多的是阿基米德螺线布置法[4]，阿基米德螺旋线如图6所示。

图6 阿基米德螺旋线

阿基米德螺旋线极坐标的描述为

式中ρ——极轴（mm）；

ρ0——顶管机刀盘直径（mm）；

α——常系数（r/min）；

θ——极角（°）。

螺距Δρ=2πα

主切削刀的数量

式中b1——主切削刀头宽度；

b2——外周切削到头宽度；

d2——刀盘切削外径；

d3——中心刀长度。

对上式取整后得到N0，主切削刀与中心刀重叠量为

最小螺线间距为Δρ=mnb1，其中mn为内圈辐条数。

由上式得到常系数α=Δρ/2π

该公式所得最小螺线间距是保证全断面切割的基本条件，因此在刀具布置方面根据实际地质情况常做一些调整，使各刀具切割轨迹有重叠，以保证在该刀盘覆盖范围的任一位置都有一把刀相对应。

综合上述分析，结合成都地质情况，∅2 200mm刀盘主要配置中心鱼尾刀、切刀、撕裂刀、滚刀，其刀盘刀具安装示意图如图7所示，各个刀具的位置见表2数据，刀盘撕裂刀与切刀均采用焊接方式，这是因为该项目掘进的距离不长，软土刀具不需要进仓更换，撕裂刀与滚刀设计刀高均为120mm，切刀刀高为90mm，保证了对前方岩土的超前切削。

图7 刀具安装示意图

表2 针对该刀盘的刀具布置参数

3 结 语

针对成都砂卵石地层地质特点与项目工程概况，提出了一种新型刀盘同平面布置方式，该种布置方式能够有效维持掌子面稳定，增大刀盘搅拌率；以该矩形顶管所配置的∅2 200mm刀盘为例，阐述了适宜于该种地层矩形顶管刀盘的设计特点；分析了刀具的切削原理，确认了该种刀盘刀具的布置形式。

该矩形顶管机刀盘与刀具设计，已成功用于成都川大下穿人民南路人行通道顶管项目施工中，工程实践应用表明：刀盘结构设计合理，刀具经久耐用，施工效果良好。

设计施工案例为后继矩形顶管机的刀盘配置、结构设计以及刀具布置提供了借鉴。