地铁富水漂卵石地层盾构滚刀适应性研究

薛俊峰

(中铁二十局集团第三工程有限公司，重庆 400065)

成都平原广泛分布的第四系全新统冲洪积地层多具有二元结构，其下蕴藏的卵石土是制约地下工程施工的主要因素之一。特别是位于郫县、温江附近的地带，砂卵石层中卵(漂)石粒径普遍较大，加之地下水运移汇聚、薄砂透镜体随机分布造成流砂超方等情况时有发生，对盾构掘进造成了极大威胁[1]。

在此类地层中进行盾构隧道作业最显著的次生危害为刀具磨损，其中边滚刀相比中心部位磨损更为严重。常规的解决方案是通过注入大量的渣土改良剂进行润滑间接减小刀具磨耗或者在固定的掘进里程后进行开仓检查发现磨损后立即换刀，但此类措施的弊端显而易见[2]。

在这一背景下，研究滚刀的破岩机理，分析滚刀在该类地层下的运作规律，改变刀具本身的结构及材料的组成，提高其适应性，减小磨损成本，成为新的发展方向。合理的盾构刀具选型、刀具布置，合理的启动推力和扭矩配置，不仅能保证良好的断面切削效果，还能有效减小刀具不均匀磨损的程度[3]。

1 工程概况

成都地铁6号线尚锦路站至红高路站盾构区间位于郫都区，该区间出尚锦路站后沿西区大道下方敷设，区间沿道路走向，呈西北往东南方向，穿越红光支渠，在西区大道与红高路交汇口以直线进入红高路站。线路周边建筑物较密集，主要为居民住宅、商铺为主，人口居住较为密集，上方道路交通繁忙。

该拟建工程右线隧道全长1 281.381 m，左线隧道全长为1 283.541 m，中心线间距为13.00～15.20 m。中间设置联络通道，采用矿山法施工。底板埋深16.00～24.50 m，隧道顶板埋深10.00～18.50 m。

地质钻孔揭示地质状况如图1显示。

图1 工程地质纵断面

区域地貌单元为岷江一级阶地，具有丰富的地表径流。区间地下水类型主要有两种：一是存于黏性土层之上填土层中的上层滞水，二是第四系砂卵石层的孔隙潜水。漂卵石层较厚从上至下卵石密度逐渐增加，隧道断面水位较高，并形成贯通的自由水通道，易结成漏斗，汇集于掌子面，影响盾构作业。

施工前期对盾构区间拱顶以下2 m进行筛分试验。依据直径统计分布[4]，报告显示：卵石粒径100～200 mm达26.55%～29.43%，粒径200～300 mm达28.09%～30.42%，粒径大于300 mm卵石含量达32.6%～36.1%，卵石最大粒径达600 mm。

根据现场钻探及调查结果综合分析，全线均分布有漂石，漂石主要分布在稍密～密实卵石层，埋深主要为地面10 m以下，粒径超过30 cm的大粒径漂石主要分布于埋深13 m以下。现场情况如图2、图3所示。

图2 点位基坑侧壁 图3 地层中大漂石

2 刀盘配置改造

2.1 盾构机配置

区间采用两台铁建重工生产的复合式土压平衡盾构。刀盘整体结构采用面板加辐条的形式，有效开挖直径为6 280 mm。刀盘开口率为38%，增加了大粒径漂卵石的通过率。面板上布置有6个泡沫(膨润土)喷嘴，适应该地层渣土改良需求。为增加盾构机对于富水漂卵石地层的容错性，在刀盘迎土面焊接耐磨钢板及耐磨焊网格，在所有滚刀刀箱周围和切刀刀座背后焊接耐磨钢板，并设置两个磨损检测点，有效保护了刀箱和刀座。

2.2 刀盘配置改造

刀具配置上针对区间地层富水，卵石粒径大、含量高、强度大，且易导致刀盘卡顿掘进困难，停机重启后砂土流失汇水于掌子面等特点，对刀盘的强度等级、刀具布置进行了调整[5]。正面为21把17吋单刃滚刀，贝壳刀12把，导流刀6把，宽切刀36把。将周边11把单刃滚刀改为18吋刀圈的双刃滚刀，有效的减少了中心刀的磨损和解决卵石粒径大的破除[6]。具体布置见图4、图5。

图4 刀盘整体成型图 图5 边缘滚刀布置

3 滚刀适应性分析

3.1 富水漂卵石地层滚刀破岩机理分析

国内国外专家针对盘形滚刀与岩质体相互作用关系已发表大量研究成果，并通过理论、试验、建模等各方面进行了深入探讨。滚刀破岩机理研究具有代表性的成果主要有接触理论、弹性解理论、滑移线场理论、拉伸破岩理论等。在现场实践方面，近阶段滚刀传统破岩的讨论主要集中于全断面岩石掘进机TBM对硬岩的破碎，结合盾构机在复合地层中破岩机理的相关讨论相对较少。

传统破岩具体切割过程如图6所示，安装在刀盘上的滚刀随刀盘转动，在掘进机推进力的作用下，对岩石造成挤压、剪切或拉张，并侵入岩石内部。微观状态下，裂纹由接触面中心点在此作用的基础上向两侧发展，并在端头端尾首先衍生至岩石表面，与相邻滚刀形成切割槽逐渐连接，产生破碎岩块并掉落。影响此类较稳定硬岩地层破岩效率的两大因素主要为向滚刀施加的垂直推力及促使滚刀在岩层中转动的扭矩[7]。

图6 传统滚刀破岩处理

滚刀破岩模型方面近阶段主要基于csm破岩模型、东北大学破岩模型等。上述破岩理论大多将刀具横剖面假定为V字型剖面，接触切割岩体的过程处理为静压力切割并建立相应的模型。

而此次施工中遭遇的成都地区富水漂卵石层与前述传统硬岩层差别极大，相比破岩处理过程可能更为复杂。如图7所示，盾构机在该地层中掘进时，由于作业面粒径分布不均的卵(漂)石间夹杂有大量中细沙作为填充介质，而介质中又存在孔隙或地下水运移现象，导致滚刀在进行切割时一定程度上受影响，不会完全造成卵(漂)石的破碎。甚至部分卵石发生随机动态偏移，则将前述传统破岩机理运用到实际施工中成效较低。

图7 富水漂卵石地层滚刀破岩处理

3.2 滚刀适应性分析

如图7所示，盾构掘进过程中，滚刀由于长期受到卵(漂)石接触面反力的冲击荷载及该地层的摩擦阻力，极易造成不同轨迹且不均匀的偏磨，需要在施工阶段进行检查及即时换刀，以免影响施工节奏，造成换刀频率较高。

根据盾构区间第一次开仓换刀结果证实了上述推测，发现在施工中采取参数控制、施加强效渣土改良剂等办法进行调节后，滚刀磨耗量依然较大。除正常磨损外，多数刀具存在偏磨、弦磨、断刃和刀圈脱落等异常现象，周边滚刀报废居多。

如图8、图9所示，编号为S31的双刃滚刀发生偏磨(磨损量在45 mm左右)，编号为S32、S34、S34、S35、S36、S39B等的单刃滚刀发生严重偏磨并报废。其中左线推进至855环里程总计更换刀具92把；右线推进至855环里程总计更换刀具95把。左线报废总计25把，中心刀4把(各2把)；右线总计报废刀具23把。

图8 编号S31双刃滚刀

图9 部分单刃滚刀

针对常规复合盾构，如果掘进中大量滚刀作为主体破岩刀具，为了防止滚刀偏磨或过载，贯入度应控制在临界范围内，同时由于刀盘扭矩取决于负载，在驱动功率设计一定的情况下，过大的启动扭矩将直接影响到刀盘转速的范围及自转反力。但富水漂卵石地层具有较大的相对松散性，掘进中掌子面易于坍塌的特性，以此类推造成了多种相关掘进参数的统计研究工作仍十分困难，规律性较低。

同时，在成都地区砂卵石地层中, 滚刀的启动扭矩是决定滚刀能否正常工作的关键因素之一[8]。现阶段若不改变盾构机本身的参数配置，通过进行对比研究来控制确定适宜的启动扭矩，从而减缓滚刀偏磨，仍是比较科学的手段之一。

在开仓换刀阶段通过观察发现，多因素叠加亦会导致滚刀严重偏磨的情况发生。其中，常规密封不当不足造成的滚刀损坏性偏磨；盾构穿越某区域大漂石含量较高，造成部分卵石长期卡停于开口处造成的偏磨；区段地层卵石含量差导致的不均匀冲击造成的偏磨等都是较不稳定且难以控制的因素。

4 破岩评价

4.1 富水漂卵石地层破岩效率

为了能更好的反映某地层滚刀破岩效率并进行评价，引入了破岩比能耗这一概念。滚刀破岩比能耗表示其破坏或切削单位体积岩石所消耗的能量，目前对盾构TBM滚刀破岩效率评价大多采用量化计算破岩比能的方法，其中岩石破碎体积为影响破岩比能耗的关键因素[9]。

对于滚刀破岩比能耗可由下式进行计算[10]：

式中：ηSE为单滚刀所消耗能量(MJ/m3)；Fn为法向推压力(kN)；Fr为切向滚动力(kN)；h为平均贯入度(mm)；l为平均滚压距离(mm)；V为岩石破碎体积(cm3)。

式中：ηSEi为单滚刀所消耗能量(MJ/m3)。SEZ为多把滚刀整体比能耗(MJ/m3)；n为计算数量。

岩石在滚刀作用下的破坏体积与其破坏方式关系密切，但针对此类富水漂卵石地层来说，由地层本身因素造成的盾构滚刀破坏方式多样，导致破岩效率评价整体复杂，开展地层与刀具接触耦合作用机理及滚刀破岩方式的多因素综合作用的研究为主要突破口。

4.2 破岩仿真模拟

修改对应的适配参数，研究滚刀在多种因素破岩效率影响下对施工的作用及滚刀产生偏磨的主要因素，并对滚刀配置优化提供一定的依据。

滚刀大多是由强度高、耐磨性好的钢材制造而成，如硬质合金。该仿真所要模拟的是边滚刀表面在破岩时所受的摩擦力情况，故边滚刀的变形可以忽略不计。

鉴于边滚刀材料本身与岩体刚度差距大，岩石的破碎机制对滚刀产生塑性变形的影响较小，基本可以忽略不计，故将滚刀的材料模型设置为近似刚体。滚刀刀圈弹性模量205 GPa，材料密度7.9 g/cm3，泊松比0.3。

滚刀载荷取决于岩石材料选型，岩层材料模型的选择则直接影响仿真结果的准确性。因此，岩石模型选取的关键在于本构关系的确定以及其物理力学参数的选择。

富水漂卵石岩石本构关系呈非线性性质，并与加载路线、应力历史以及应力水平等密切相关。由于上部人工填土层、粘性土层对整个破岩过程的影响相对较小，故本次模拟采用的岩石材料模型参数取用本区间隧道所穿越的砂卵石亚层的岩土物理指标，具体如表1所示。

表1 红尚盾构区间穿越砂卵石亚层基本力学物理指标

针对滚刀破岩效率影响多因素的主要分析方向有安装倾角、刀圈刃宽、刀刃角等[11]。

利用ANSYS和LS-DYNA软件建立滚刀有限元模型及岩石材料的有限元模型，将安装倾角、刀圈刃宽、刀刃角及刀盘圆弧过渡半径等因素作为变量，并模拟其破岩过程，得到相应的仿真结果，仿真过程如图10所示。

图10 破岩过程仿真

4.3 仿真模拟结果

设置分别将滚刀刀圈刃宽、滚刀安装倾角、滚刀刀圈刀刃角作为变量的破岩模型，通过计算得到的仿真结果如图11所示。

由结果图示可看出，滚刀刃宽设置较小时，相对刃宽设置较大时比能耗的增幅高，则较小的刃宽设置对减小偏磨不利，增加刃宽可以增加刀具的耐磨性。同时安装倾角与比能耗的大小呈正相关，当安装倾角达到45°时，后期增幅相对减小。比能耗随刃角的函数变化趋势同刃宽类似，但影响因素相对较小[12]。

图11 比能耗随刃宽、安装倾角、刃角的变化趋势

综上所述，针对区间具体的地层地质条件，对滚刀做出适应改造，在允许范围内适当增加滚刀安装倾角和刃宽，将刃宽25 mm改为30 mm，则初步认定此次改造可以更好地适配类似的卵漂石地层。

5 结束语

刀具磨损与地层直接相关。一般来讲，盾构在富水砂卵石地层中掘进对刀盘边滚刀磨损最为严重，通过降低刀座的系统设计，将原设计17吋单刃滚刀改进为18吋双刃滚刀，不增大刀盘开挖直径。由于刀盘开挖直径不变，地层扰动范围和超挖量未增加，管片壁后注浆量也保持原设计量。

同时，滚刀的启动扭矩直接关系到刀具的磨损情况。正确的启动扭矩配置，使边滚刀耐磨性增加，同时延长了刀具使用寿命，减少换刀次数，产生了明显的经济效益。在成都地铁6号线项目盾构区间实际施工过程中，每公里减少两次换刀，每次换刀成本约100万元，每公里节约成本约200万元，为项目创造了经济效益。

本文作者在卵石取样及换刀过程中发现可提高适应性的一些突破口——如在滚刀刀轴处设计一种缓冲连接可能会较好的减缓此类地层中漂卵石的冲击。