“软土刀盘”在上软下硬地层掘进施工技术研究

苏继峰

（中铁十二局集团有限公司，太原030000）

1 工程概况

徐州地铁2号线一期工程大龙湖站—文博园站（接收井）从大龙湖站始发，沿昆仑大道敷设，下穿彭祖大道后到文博园站（接收井）。区间隧道左线设计里程ZK18+280.264～ZK18+841.022、长链一处（左K18+483.818=左K18+476.447，长链7.371m），左线长度572.889m；右线设计里程YK18+275.504～YK18+841.022，右线长度565.518m。纵断面上出大龙湖站后以26‰的纵坡下坡，然后左、右线分别采用3.973‰、4.005‰的纵坡下坡至文博园站（接收井）。

2 工程地质

文博园盾构井—大龙湖站盾构区间隧道的覆土厚度为9.6～18.2m，区间隧道穿越的主要土层为5-3-4黏土、3-4-3粉质黏土、2-5-3粉土、2-5-4粉土、局部穿越12-4-3中风化石灰岩。其中，左线12-4-3中风化石灰岩侵入隧道1m，长度10m；右线有12-4-3中风化石灰岩侵入隧道最高1m，长度44.5m。

12-4-3层中风化石灰岩，岩体较完整，较硬岩，采取率TCR=70%～95%，岩石抗压强度为60～120MPa，平均为90MPa。

3 施工中相关问题及解决措施

3.1 施工中面临问题

本工程选用铁建重工ZTE6410型土压平衡盾构机，刀盘采用辐条加小面板的设计，开口率约50%，无滚刀，不具备破岩能力。结合现场主要面临几个问题：

1）软土刀盘在上软下硬地层掘进时，刀具在硬岩掘进加剧刀具磨损导致刀盘强度和刚度降低、主轴承受损或主轴承密封破坏等问题，重新定制刀盘，加工周期长，且费用较高。

2）软土刀盘盾构机上软下硬复合地层掘进，盾构姿态不易控制，易往地层强度较低的方向偏移。

3）复合地层中掘进时，由于下部硬岩与上部软岩强度差异大，掘进速度缓慢，推进时间长，地层扰动大，出土量增多，容易导致上部土体发生坍塌【1】。

3.2 解决措施

充分考虑利用现有刀盘，从节约成本和工期考虑，提出了解决措施：对盾构刀盘进行改造、对侵入隧道的岩石预先钻孔处理、合理控制掘进参数。

3.2.1 刀盘改造

1）盾构刀盘改造。对现有刀盘进行针对改造，即在原有刀盘上，增加5个边缘滚刀、8个正面滚刀，即增加13把17寸（56.61cm）滚刀，刀间距100mm，刀高175mm，可先于贝壳刀和切刀接触地层，对掌子面先行切削入地层。

2）刀盘结构强度分析。（1）刀盘结构材料。对改造后刀盘的结构强度进行分析，刀盘钢结构采用的材料为Q345C，材料的屈服极限为：σs≥305MPa（钢板厚度t＞80～100mm）。（2）安全系数。根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》，对于按承载能力极限状态计算的钢结构，可变荷载的安全系数为：γ=0.9×1.4=1.26；钢结构的结构重要性系数为：γ0=0.95；其强度设计值为：[σs]≥254MPa（钢板厚度t＞80～100mm）。

3）加载条件。盾构推力：T=4 500kN，刀盘扭矩：M=4 798kN·m。

4）分析结果。刀盘上推力施加于滚刀和面板，合力为4 500kN，同时，在刀盘大圆环外圈施加扭矩，扭矩大小为4 798kN·m。在刀盘与主驱动连接法兰面施加固定约束。根据刀盘Mises等效应力云图，分析可得出刀盘最大应力225MPa，位于环形筋板与幅臂侧板焊接处。刀盘材料的许用应力[δs]≥254MPa＞225MPa。综上分析，刀盘结构强度满足设计要求【2】。

3.2.2 钻孔处理

由于侵入隧道的岩石位于盾构出洞段，考虑螺旋输送机理论通过的卵石粒径300mm×580mm，采用日本进口RPD-75SL-H2分体小型钻机对侵入隧道岩石进行钻孔处理，钻孔间距为300mm×300mm，总共28个孔。

3.2.3 掘进参数合理控制

上软下硬地层既有软岩地层的不稳定性，又具有硬岩的强度，选择正确的盾构掘进参数至关重要。

1）刀盘转速的选择：在上软下硬地层中掘进，软岩部分只需对掌子面进行切削即可破坏土层，局部岩石硬度较高，切削硬岩时，滚刀受力较大，刀盘的损伤大。盾构掘进时，降低刀盘转速，控制在1.0r/min。

2）土仓压力的选择：在上软下硬的地质，掘进时应保持较高的土仓压力与掌子面的压力平衡，比正常土仓压力提高10～20kPa（0.1～0.2bar）。

3）推力的选择：由于局部存在的硬岩对刀具的磨损很严重，刀盘扭矩是刀具在受到冲击力后的直接体现，降低刀盘扭矩实际就是减少刀具所受的冲击力。在软硬不均的上软下硬地层中，掘进速度控制在20mm/min以内，推力在9 000～12 000kN（900t～1 200t）之间。

4 应用实例

文大区间上软下硬段区间盾构区间隧道覆土16.43～17.36m，推力控制在10 000～12 000kN，掘进速度达到10～20mm/min，土仓压力与理论计算值基本吻合，且能有效地控制地表沉降。注浆压力控制在0.2～0.3MPa，注浆量控制在4～5m3。盾构掘进至440～470环时成型隧道满足规范要求。

5 结语

1）由于勘查报告孔间距较大，不能准确反映地层实际情况，须利用提前地层进行补勘，只有对地质有准确的了解，才能制定相应的应对措施。

2）对软土刀盘进行针对性的改造，在刀盘加以滚刀，刀间距100mm，中心刀具采用四级高差配置。这种配置可有效提高中心区域的渣土流动性，也可以适应于局部基岩凸起段。

3）针对侵入隧道的基岩凸起段，提前进行针对性钻孔处理，大大降低刀局部刀具受力超载，减少刀盘刀具的磨损。

4）合理选择盾构掘进参数，在上软下硬地层中掘进，由于刀具和软硬不均岩面做周期性碰撞，刀盘的震动很大，必须降低推力，调整掘进参数，严格控制出渣量，加大同步注浆量，及时进行二次补浆，以求得在现有刀具条件下的最佳掘进效果。

5）掘进时，加强渣土改良，在泡沫剂作用下，刀盘作用在掌子面上的有效扭矩得以增加，同时可以减少刀具连续工作状态下的磨损量。

6）盾构施工过程时，加强地面监测，根据监测数据及时调整掘进参数。

徐州地铁2号线文博园盾构井—大龙湖站盾构区间的施工实例证明，只要工程实施前期做好详细的地质补勘，准确掌握工程地质条件，通过对刀盘改造和基岩凸起段的提前处理，采取合理的掘进参数，短距离上软下硬地层采用软土刀盘施工是完全可行的。