富水卵漂石地层盾构设备适应性改造技术研究

郑龙威，刘文，杨志勇，徐波，王强

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.中国地质大学（武汉）经济管理学院，湖北 武汉 430074；3.中交二航局成都城市建设工程有限公司，四川 成都 610015）

0 引言

富水卵漂石地层由于其渗透系数大、土体强度高、地层松散等特性，采用盾构法在此地层施工存在较大困难[1-2]。在富水卵漂石地层中采用土压平衡盾构施工时，渣土难以及时有效排出，刀盘刀具磨损加大，设备负荷大，施工成本高[3]；同时，地层松散，盾构掘进过程中易出现超挖现象，易形成地层空洞，导致后期的地面塌陷[4-5]。对地铁施工尤其是盾构区间施工影响很大，很容易造成卡机[6]。

盾构的选型能否适应所掘进的地层是该盾构隧道能否成功的重要因素[7]之一。地层条件不同，盾构机的设计理念也应该随之而变，应根据盾构隧道所在地层特点进行盾构机的选型和针对性的设计[8-9]。富水卵漂石地层在成都地区广泛存在，前期的地铁修建，已经为成都地区地铁施工积累了大量宝贵的经验[10]。目前，国内对于无水砂卵石及富水砂卵石地层盾构施工积累了一定的施工经验，而对于粒径大的富水卵漂石地层的盾构施工实践经验较少，因此按照已有的施工经验无法全部解决盾构在富水卵漂石地层面临的许多问题和难题[11]。

本文通过盾构设备的实际应用情况、现场掘进的数据、资料，对富水卵漂石地层盾构设备的地层适应性、掘进效能、关键参数、刀具磨损展开对比研究，结合工程施工经验以及施工中的实际问题，针对该地层特点展开盾构设备适应性改造技术研究，以求实现卵漂石地层盾构高效、安全施工。

1 工程概况

成都砂卵石地层主要含粉质黏土、粉细砂、中砂和卵石土，地层密度差异性较大，卵石土级配、含量不均匀系数较大，局部夹透镜状砂层，自稳能力、分选性均较差，且透水性高。此外，该地层75%为卵漂石，粒径20～70 cm，单轴抗压强度超过132 MPa；不仅具有与砂卵石地层相同的地质特点，还因漂石的含量和粒径很大，极易造成设备的磨损[12]，大粒径卵漂石的剥落更易发生坍塌。针对富水卵漂石地层的特殊地质条件，成都17号线TJ05A标凤温区间选择大开口率辐条式刀盘配以带式螺旋输送机，设置45%刀盘开口率，1 100 mm螺旋机输送粒径。同时，针对大开口易造成的喷涌风险，采用合适的渣土改良控制，增加渣土的阻水性，降低出渣喷涌风险，明一区间采用面板式刀盘配以轴式螺旋机，设置36%刀盘开口率，610 mm螺旋机输送粒径。

2 大开口刀盘带式螺旋机盾构适应性分析

成都地铁17号线区间为砂卵石地层，50%～60%卵石含量，粒径为6～10 cm，取明一区间右线、凤温区间左右线500环连续掘进数据进行对比分析。凤温区间地层主要为卵漂石地层，卵石粒径6～18 cm约占75%，局部地段见漂石，一般长度约210～240 mm，最大约350 mm。为此，明一区间采用的成都地区常用的较小开口刀盘轴式螺旋机配置的盾构机，凤温区间采用的为较大开口刀盘带式螺旋机配置的盾构机，以适应各自地层，实现顺畅掘进。针对2种不同配置盾构机在不同地层下的使用效果比较见表1。

表1 功效参数对比表Table 1 Comparison of efficacy parameters

由表1可知，大开口刀盘带式螺旋机配置盾构机平均日掘进7.2环，相比于小开口刀盘轴式螺旋机配置盾构机平均日掘进5.6环，施工速度提高了28.6%，说明大开口刀盘带式螺旋机配置盾构机实现了快速出渣、顺畅掘进的效果；大开口刀盘带式螺旋机配置盾构机掘进参数较小，掘进速度较快，刀具磨损速率较低，体现了大开口刀盘带式螺旋机配置盾构机的优势。下面从掌子面稳定性分析、掘进效率适应性分析、设备参数适应性分析3个方面具体对比分析大开口刀盘带式螺旋机配置盾构机的适应性。

2.1 掌子面稳定性分析

2.1.1 地表沉降监测分析掌子面是盾构机与土直接作用的接触面，稳定性主要体现在地表沉降的变化上，通过对比地表沉降变化可以反映出盾构掘进过程中掌子面的稳定性。取凤温区间左线、右线、明一区间右线260 m范围的掘进地表沉降监测数据进行对比分析，见图1。凤温区间左线平均沉降值为10.88 mm，右线平均沉降值为8.96 mm；明一区间右线平均沉降值为18.29 mm。大开口率刀盘的平均沉降值远小于小开口率刀盘，说明大开口率刀盘更有利于控制掌子面的稳定；通过相同大开口率的面板式刀盘和辐条式刀盘比较可知，辐条式刀盘对掌子面稳定性控制略高于面板式刀盘。由地表沉降变化曲线图可知，大开口率刀盘区间的沉降变化波动较小，基本稳定在20 mm以内，小开口率刀盘的沉降波动较大，沉降值的浮动值在0～50 mm范围，即大开口率刀盘对于地表沉降的控制更有效。

图1 地表沉降值曲线图Fig.1 Surface subsidence value curve

2.1.2 上部土压分析

图2为上部土压变化曲线，由图2可知凤温区间左线平均上部土压为108 kPa，波动范围60～140 kPa，凤温区间右线平均上部土压为113 kPa，波动范围80～140 kPa，明一区间右线平均上部土压为89 kPa，波动范围60～120 kPa。通过数据对比可知，凤温区间右线上部土压波动范围更小，且平均压力较大，说明大开口率辐条式面板在砂卵石地层掘进土压控制更为稳定，掌子面压力平衡，且不易造成地面沉降。

图2 上部土压变化曲线图Fig.2 Upper earth pressure curve

2.2 掘进效率分析

凤温区间左线平均掘进速度64 mm/min，凤温区间右线70 mm/min，明一区间55 mm/min，三者差异较小，凤温区间右线掘进速度相对稳定，掘进速度略高于其他两条线路，说明大开口率的辐条式面板在砂卵石地层中的适应性更高。此外，明一区间右线有效掘进时间217 d，平均日尺进度5.60环/d；凤温区间左线有效掘进时间130 d，平均7.25环/d；凤温区间右线有效掘进时间131 d，平均7.20环/d。有效掘进时间内，大开口率的刀盘掘进速度明显高于小开口率的刀盘；相同开口率的刀盘比较，辐条式刀盘略优于面板式刀盘。

2.3 设备参数适应性分析

2.3.1 贯入度比较分析

影响盾构掘进推力的因素不仅是地质条件，还包括贯入度和掘进速度，故采用场切深指数[13]对推力进行“归一化”处理。凤温区间左线平均贯入度为41 mm，右线平均贯入度为43 mm；明一区间右线平均贯入度为36 mm，根据贯入度曲线图波动变化可知，凤温区间左右线的贯入度比明一区间右线波动幅度小，说明凤温区间左右线掘进过程刀盘破岩动作有效性高于明一区间右线，说明大开口率刀盘在砂卵石地层的适应性更高。

2.3.2 刀盘扭矩比较分析

在富水砂卵石地层遇到刀盘扭矩过大，多数原因是土仓内大粒径卵石较多、土仓排土补偿，因此在砂卵石地层要严格控制刀盘扭矩的合理参数。分别取3条线路500环数据进行比较，见图3，3条线路的刀盘扭矩基本上处于8 500～18 000 kN·m范围内浮动，其中凤温区间左线平均扭矩为10 304 kN·m，凤温区间右线平均扭矩为10 288 kN·m，明一区间右线平均扭矩为12 672 kN·m，相对而言，凤温区间左右线的平均扭矩低于明一区间右线，说明大开口率的刀盘配置更有利于富水砂卵石地层的掘进，其适应性更强。

图3 刀盘扭矩变化曲线图Fig.3 Variation curve of cutter head torque

通过比较，凤温区间左右线的单位贯入度转数明显低于明一区间右线，说明土仓渣土量相同时，同直径的带式螺旋输送机比轴式螺旋输送机排渣速度更快，其排渣效率高。

3 刀具磨损规律分析

3.1 实际滚刀磨损类型及分布

在凤温区间右线281环、明一区间左线158环位置，进行了开舱查换刀工作，统计滚刀磨损情况见表2。其中，10把中心滚刀中有6把发生偏磨，12把边缘滚刀中有5把发生偏磨。整体趋势为大开口率刀盘滚刀发生偏磨概率小于小开口率刀盘滚刀。

表2 两区间滚刀磨损类型统计表Table 2 Statistics of wear types of hobs in two sections

据表2可知，滚刀磨损类型主要为尖磨、偏磨；偏磨滚刀分布在刀盘中心及边缘。刀盘中心区域滚刀安装线速度小，地层提供力矩小，致使滚刀连续转动，易堵塞、结饼，造成其发生偏磨。边缘滚刀线速度大，安装角度不垂直于开挖面，在与卵漂石剧烈作用后，导致刀轴变形、损坏，造成其发生偏磨。

3.2 滚刀磨耗系数

凤温区间右线281环及明一区间左线158环的刀盘累积旋转数分别为10 718转、11 963转。根据公式（1）计算滚刀径向磨耗量，得出滚刀磨耗系数，绘制出滚刀磨耗系数与位置关系，如图4所示。

图4 滚刀磨损系数与安装位置关系Fig.4 Relationship between hob wear coefficient and installation position

式中：k为刀具磨耗系数，mm/km；δ为刀具磨耗量，mm；R为刀具安装位置半径，mm；Z为刀盘累积左旋转数，r；Y为刀盘累积右旋转数，r。

由图4可知，区间滚刀磨耗系数与安装位置呈“U”形分布，中心和边缘滚刀磨耗系数大于正面滚刀，原因如下：

1）中心滚刀安装半径小，阻碍扭矩大于转动扭矩，易产生滑动，即相同压力下，滑动摩擦力大于滚动摩擦力，掘削相同轨迹长度下，磨耗量越大，磨耗系数越大。

2）正面滚刀安装半径增大，滚刀线速度增大，滚刀与漂石间作用力增大，磨粒磨损程度加剧，其磨耗系数减小。

3）边缘滚刀安装在刀盘正、侧面圆弧段，且编号与开挖面夹角成反比，滚刀所受地层侧向力大，刀刃一侧所受摩擦力也越大，其磨耗系数也越大。

凤温区间为45%刀盘开口率，带式螺旋输送机；明一区间为36%刀盘开口率，轴式螺旋输送机。刀盘开口率小，造成刀盘漂石堆积，产生持续性刀盘刀具磨耗；刀盘开口率增大，能使漂石快速入舱，有效减少刀盘、刀具持续磨耗，降低了磨耗系数，延长了刀具使用寿命。因此，两区间滚刀磨耗系数差异的根本原因在于刀盘开口率的不同。

4 结语

本文根据富水卵漂石地层盾构施工设备实际应用情况、现场掘进数据和相关资料，对盾构设备在富水卵漂石地层的盾构掘进效能、地层适应性、刀具磨损情况等进行了对比研究，得出以下结论：

1）在卵漂石地层施工中，大开口率的刀盘具有更高的适应性。在超大粒径、比重大、强度大的卵漂石地层，大开口率刀盘切削动作平稳、扭矩变化波动小、整体掘进速度高；大开口率刀盘对上部土体的扰动更小，地面沉降控制更有效。

2）相对轴式螺旋输送机的实际施工使用情况，带式螺旋输送机更有利于排出卵漂石地层的大粒径渣土，且磨损程度更低。如选用轴式螺旋输送机，可通过注入膨润土和高分子聚合物，降低渣土对螺旋输送机的磨损，减少螺旋输送机的维修频次。

3）通常边缘位置的刀盘及刀具的磨损情况相对严重，刀具更换时需要对边缘位置刀具的情况侧重检查；中心区域的刀具更易堵塞或结泥饼，可以利用刀盘的高压喷水口冲洗以避免此类情况的发生。为避免掘进过程对刀盘造成过度磨损，刮刀的高度可以适当提高以避免刀盘直接、大面积的与土体摩擦。