不同刀盘在富水砂卵石地层的盾构掘进适应性分析

万朝栋

（中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300451）

1 引言

盾构隧道在成都富水砂卵石地层中已有十多年的施工历史，在此过程中积累了丰富的施工经验。但对于该地区典型的富水砂卵石含大漂石地层的盾构施工，依然存在刀盘频繁卡死，刀盘、刀具磨损严重，严重制约掘进安全和效率的问题。刀盘作为盾构机最前端部件，具有挖掘地层、支撑开挖面的功能，刀盘对施工地层的适应程度决定着盾构机的施工效率［1-3］。在典型的砂卵石地层中如北京、成都、兰州，盾构施工出现的大部分问题基本是由于刀盘设计不合理造成的［4-8］。王旭等［9］基于多个盾构区间施工实践分析了盾构掘进过程中与刀盘相关的工程问题，认为产生这些问题的根本原因在于刀盘的设计与工程岩土地质条件适应性较差。金大龙等［10］通过室内模型试验分析了刀盘开口率对掘进参数的影响，讨论了刀盘开口率与扭矩的关系。侯德超等［11］通过对北京地铁十号线卵石地层施工盾构机频繁发生故障的原因进行分析，并针对性地对盾构机刀盘进行改造，使得掘进施工顺利进行。张家年等［12］从盾构刀盘结构设计、刀具配置、耐磨保护及渣土改良等方面入手，对刀盘进行了针对性的改良设计，实现了长距离掘进。针对TBM的地质适应性、掘进速度等方面的挑战，相关学者提出了从设备、隧道设计的初步思路［13］。针对全断面砂层土压平衡盾构施工中遇到的问题，通过对刀具改造以及渣土改良技术的研究，使得施工得以顺利进行［14］。

而这些研究大多是总结特殊地层中的刀盘设计及改造经验或者从机械设计的角度对刀盘的受力进行分析，针对特定地层特征的刀盘设计研究并不多见。本文基于成都典型的富水砂卵石地层，通过对相似机型在实际掘进的参数进行对比分析，评价各机型对地层的适应性，总结了刀盘结构选型的地层适应性经验，分析富水砂卵石地层刀盘选型设计的具体控制因素。

2 地层特点

研究的盾构区间主要穿越地层为中密和密实砂卵石地层，根据地层统计的36个钻孔显示，中密砂卵石地层中，卵石约占65.5% ～68.6%，饱和，圆砾、中砂充填，卵石粒径2～15 cm，含漂石，最大粒径达50 cm，漂石含量小于10%，砂卵石原岩为石英砂岩、花岗岩，埋深在9～18.0 m；密实砂卵石层卵石含量大于70%，卵石粒径2～20 cm，含漂石，最大粒径达60 cm，漂石含量小于10%，磨圆度较好、分选性差，圆砾、中砂充填，埋深为18.0～23.4 m。地层的卵石颗粒级配如图1所示，图2为车站基坑排出的卵石。

图1 地层卵石颗粒级配

图2 车站基坑排出卵石

3 不同刀盘盾构机及其基本参数

施工过程中，在同一区间左线采用用机型1施工，右线采用机型2施工，相邻区间左右线均采用机型3施工，三种刀盘如图3所示，盾构机参数如表1所列。

表1 盾构机参数

图3 施工采用盾构机类型

4 不同刀盘掘进参数对比及适应性分析

4.1 掘进参数对比

盾构机施工参数产生于盾构掘进过程中，是设备地层适应性的主要表达方式。持续稳定的掘进速度是衡量盾构掘进效率的重要指标，盾构机推力的大小不仅直接影响开挖面的稳定性，而且也与刀盘的切削能力有很大关系，刀盘扭矩是最能反映土压平衡盾构掘进性能的一个控制性参数，在正常掘进阶段，只有将掘进速度、转速、推力、扭矩控制在一个合理范围内，才能确保盾构刀具对所遇到的地层进行正常切削。

为了比较这三种盾构机对富水砂卵石地层的适应程度，在地层条件相近的两个相邻区间各取掘进稳定的60环，对这三种机型的主要施工参数（掘进速度、推力、扭矩、刀盘转速）进行统计对比。结果如图4～图7所示。

图4为三种机型的掘进速度对比，从图中可以看出：三种机型中机型3的掘进速度最低，掘进速度在30～70 mm/min之间，大多数时段掘进速度在50 mm/min左右；机型1的掘进速度在机型2与机型3之间，速度在60～100 mm/min之间，大多数时段维持在80 mm/min左右；机型2的掘进速度最高，掘进速度在70～110 mm/min之间，大多数时间维持在100 mm/min左右。从掘进速度这个参数来看，机型2的掘进速度最高，而且长时间维持在较高的水平。

图4 三种机型掘进速度对比

图5为三种机型掘进期间的刀盘扭矩对比，从图中可以看出：三种机型中机型3的工作扭矩最大，在3 500～5 300 kN·m之间，大多数时段维持在4 300 kN·m左右；机型1的扭矩变化幅度较大，在1 800～4 700 kN·m之间，大多数时间维持在4 300 kN·m左右；机型2的扭矩最低，在3 000～4 000 kN·m之间，大多数时段在3 500 kN·m左右。从刀盘扭矩这个参数来看，机型2的工作扭矩长时间处于较低水平，而且波动范围最小。

图5 三种机型工作扭矩对比

图6为三种机型掘进期间的工作推力对比，从图中可以看出：三种机型中机型3的推力在机型1和机型2中间，在12 000～18 000 kN之间，大多数时段在18 000 kN附近；机型1的工作推力最大，在14 000～22 000 kN之间，大多数时段维持在18 000 kN左右；机型2的工作推力最小，在10 000～12 000 kN之间，大多数时段维持在11 000 kN附近。从工作推力这个参数来看，机型2的工作推力长时间处于较低水平。

图6 三种机型工作推力对比

图7为三种机型掘进期间的刀盘转速对比，从图中可以看出：三种机型中机型3的刀盘转速最低，大多数时段维持在1.6 r/min左右；机型1的转速波动范围最大，在1.65～1.95 r/min之间，波动范围最大，平均转速也最高；机型2的刀盘转速平稳性最好，大部分时段维持在1.6 r/min和1.68 r/min。

图7 三种机型刀盘转速对比

4.2 总体掘进情况

图8为三台盾构机的整体掘进状况，从图中可以看出：机型2的各项掘进参数都比较平稳，机型1与机型3掘进参数跳动范围较大。机型1掘进过程中，虽然平均掘进速度处于80 mm/min左右，但扭矩与推力一直处在较高状态，而且波动范围较大；机型3的掘进速度最慢，但其推力和扭矩在大多数时段比机型1和机型2都大，而且掘进速度、推力与扭矩波动范围都是三种机型中最大的；机型2掘进速度一直处于最高水平，但其推力和扭矩水平在大多数时段内是三种机型中最低的，而且各参数波动范围也是最小的。因此，从各个参数综合匹配的角度来看，三种机型中机型2对于富水砂卵石地层适应性是最好的。

图8 三种机型整体掘进状况

4.3 适应性差异原因分析

三种机型的刀盘型式均为复合式（辐条＋面板），开口率分别为32%、34%、32%，三者无明显差别，刀具布置也相似。机型2的最大开口尺寸大于机型1和机型3。

从上面分析可以看出，盾构机在富水砂卵石地层中掘进，需要解决两个主要问题：一是大部分砂卵石在刀盘前不需反复碰撞、切削就能够直接通过刀盘进入土仓；二是进入土仓的砂卵石能够通过螺旋输送机顺利排出，对于少量的大粒径漂石经过较少次数的破碎后直接排出。机型2与其他两个机型的刀盘开口差异主要为：一是刀盘中心位置少安装了一把滚刀，有效避免刀盘中心结泥饼；二是刀盘最大开口尺寸和开口分布更趋合理。

从刀具磨损的角度来看，机型3与机型1刀具磨损较机型2严重，换刀频繁，说明这两种机型在掘进过程中砂卵石的破碎量要远大于机型2，稍大粒径的砂卵石很难顺利从掌子面排出。

机型1与机型3相比，虽然刀具磨损都比较严重，但机型1的刀盘卡死频率要远低于机型3，其根本原因在于机型1的驱动功率大于机型3，存在某种程度上的“强推”。

5 结论

基于三台不同盾构机在类似地质条件下的实际掘进参数及掘进效率的统计，对统计数据进行了单参数和整体适应性的比较，通过对实际掘进效率的差异原因进行分析，得出了在盾构机主要参数基本一致的条件下，影响富水卵石地层盾构隧道施工效率的具体因素，结论如下：

（1）在富水砂卵石地层盾构机选型中，应该考虑地层详细的工程地质情况，在设备功率、扭矩、推力等指标相差不大情况下，重点应关注刀盘开口分布、最大开口尺寸。

（2）刀盘开口率是一个较为宏观的指标，在开口率大体合理的条件下，刀盘的开口位置、布局及最大开口尺寸对盾构机的掘进效率起着更为重要的控制作用。富水砂卵石地层中在刀盘中心开口、增加周边开口尺寸能够明显提高施工安全性和效率，在确保地层稳定的条件下，尽量增加刀盘开口尺寸，减少对大粒径砂卵石的破碎量和破碎次数。