盾构机采用楔形合金齿刀在掘进孤石群的应用研究

杜广召

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司 湖北武汉 430074）

1 工程概况

厦门轨道交通2号线2标一工区建湖区间隧道范围内在掘进中遇到孤石，在盾构下井施工前已采用地面爆破预处理方案进行提前处理，但由于地面条件限制和其它原因造成部分孤石没有处理彻底。此前，国内尚无土压平衡盾构在上软下硬地层遇到孤石直接通过的施工经验，均采取地面爆破或开仓人工处理方式，而地面爆破和开仓处理孤石因其施工条件限制，耗时长、经济效益极低，且无法确保孤石处理的施工安全。施工措施采用土压平衡盾构在软土地层遇到孤石的盾构施工，对地铁施工起到了重要保障，盾构掘进突遇孤石如图1所示。

图1 盾构掘进突遇孤石

2 工法施工工艺特点分析

（1）采用衡盾泥护壁气压开仓技术，可降低施工安全风险，保障地面建筑物安全。

（2）根据掘进地质的性质及刀具钢材的性能针对性的优化刀具配置，更换新型镶嵌合金刀可提高破岩滚刀抗冲击能力提高刀具具强度，有利于加强盾构机刀具冲击破岩效果。

（3）盾构可直接通过孤石段，无需花费大量人力物力借助辅助措施去处理基岩凸起及孤石。

（4）优化盾构掘进技术参数，可降低刀盘磨损，利于盾构顺利掘进。

（5）工艺原理。

盾泥护壁气压开仓技术通过向盾构机土仓内逐级压注通过向土仓采用分级加压压注提高了盾构带压开仓的安全性能保证气压开仓作业安全。根据掘进地质的性质及刀具钢材的性能针对性的优化刀具配置，更换新型镶嵌合金刀可提高破岩滚刀抗冲击能力提高刀具强度，有利于加强盾构机刀具冲击破岩效果。通过采用镶嵌楔形合金刀切削冲击破碎孤石。

3 盾构掘进突遇孤石问题分析

3.1 盾构掘进突遇孤石

孤石区占49%，岩石强度为120～180MPa，建湖区间盾构进入孤石区前，破岩滚刀主要选取的是进口庞万力制造的原装盘形滚刀，刀具全部被孤石磕碰缺口、刀圈断裂、刀具轴承损坏及刀具偏磨，此时就必须拆除更换。

3.2 刀圈断裂刀具偏磨

后期经过讨论与实验，选用镶齿滚刀后，刀具顺利通过了孤石区、上软下硬地区。特别是在盾构掘进314环处时盾构开仓发现了前方存在一直径约2～3m的孤石，通过采用镶嵌合金齿滚刀顺利通过该处，后期孤石区掘进完成后开仓检查发现整盘刀具除局部均磨外无其他磕碰损坏现象。

4 楔形合金齿刀特点和原理

4.1 楔形合金刀特点

在切削岩石强度差异较大的孤石掌子面时，刀圈易碎裂孤石，贯入至孤石体内，和相邻刀具刀圈作用通过刀具荷载和转动力使孤石龟裂，而不至于同仅安装普通刀具的刀盘一样在孤石表面摩擦带动孤石在土仓内旋转，楔形合金齿刀挤压压破岩状况滚刀破岩原理示意图如图2所示。

图2 楔形合金齿刀挤压压破岩状况滚刀破岩原理

4.2 压柱式楔形合金刀特点

建湖区间孤石区掘进刀圈崩裂脱落、刀具缺口、采用楔形镶齿刀圈，足够高的硬度，增加耐磨性，减少刀圈磨损增大了滚刀附着力，减少滚刀偏磨；其寿命是钢刀圈的3～5倍。

4.3 施工材料

主要施工材料见表1。

4.4 质量保证措施和盾构施工安全保证

4.4.1 质量保证措施

滚刀刀圈硬度选择为钨钴硬质合金，刀体硬度HRA85-88之间，厚度在19～22mm的圆弧刀刃，刀刃采用镶嵌式的合金齿。

表1 主要施工材料

刀具更换完成后采用风动扳手复紧使刀具螺栓拧紧度达到要求，必要时人工使用敲起板手紧人工复紧监测。

4.4.2 构施工安全保证

（1）作业人员必须清楚了解隧道内施工全过程。

（2）对盾构机定期进行保养，对电瓶车、盾构机系统定期进行检查，保证设备安全性。

（3）对隧道内运输作业进行专门交底，制定专门运输管理规定和应急预案，定岗定责，加强隧道内施工管理。运输作业严格按方案中速度行驶，不得紧急制动。

（4）晚间作业，要有充足的灯光，监护人员要密切注意作业全过程。

（5）按频率严格进行地面监控测量，随时反馈监控信息，控制地面沉降，保证地面建筑物安全。

4.4.3 环保措施

自然环境保护、环境卫生。对施工场地进行详细测量，编制出详细的地表监测布置图，尽量不破坏原有的植被、管线，保护自然环境。

5 效益分析

5.1 经济效益

采用楔形合金刀穿越孤石区施工工法施工工艺既保证了工程质量和施工安全，同时降低了刀具消耗，最大程度上缩短的孤石处理时间加快了施工进度，建湖区间提前1个月完成隧道贯通，直接降低成本约200万元（孤石处理费用）。主要经济效益分析如下：

厦门地铁2号线1标一工区建湖区间节支总额约200万元（节约带压人工费60万元，节带压约料费20万元，刀具材料费100万元，节约交通协调费20万元），新增利润200×0.85=170万元，新增税收200×0.15=30万元。

工法施工工艺施工工艺在厦门市地铁施工中的成功应用，实现了盾构在密集孤石地层中的首次突破，对厦门市地铁线路设计优化有重大的指导意义，因其而产生的间接经济效益是非常可观的。

5.2 社会效益

在厦门地铁2号线各标段盾构掘进施工中其他单位在类似孤石地段频繁更换刀具、大量投入人力物力进行孤石处理，本项目凭借这一技术，盾构机安全、快速的通过了密集孤石地层，获得业内人士的高度评价，该技术已被广泛推荐使用，并为类似地层条件下盾构施工提供了借鉴和参考。

6 应用案例

6.1 厦门地铁2号线建-湖区间

该工法施工工艺主要用于孤石区占49%岩石强度为120～180MPa，通过采用工法施工工艺施工工艺妥善解决了盾构在富水密集孤石地层掘进过程中刀具极易损坏开仓换刀频繁的难题，顺利完成了盾构在密集孤石群下的穿越，缩短施工周期近1个月。

6.2 厦门地铁2号线育-吕区间

厦门地铁2号线育吕区间位于于厦门市中心城区，盾构区间穿越地层孤石占比量高、项目自盾构施工以来频繁更换刀具，盾构掘进困难，多次遇见地层不稳定开仓难的难题。2018年8月，经研究，该项目采用了工法施工工艺施工工艺的关键技术目前盾构左线已安全顺利到达，右线剩余150环贯通。期间盾构顺利穿越孤石区20处确保了施工工期和施工质量，产生了显著的社会效益和经济效益。

7 结束语

土压平衡盾构机采用楔形合金刀穿越孤石区施工工法施工工艺既妥善解决了盾构掘进过程中刀具易损坏开仓频繁的难题，并有效增大了刀具的使用里程，最大限度的降低了施工中换刀作业的风险，缩短施工周期，推广应用会产生良好的社会效益和经济效益。