青岛地铁盾构刀盘与地层适应性研究

韩 旭 王旭春 曹云飞 吴文瑞 滕宏伟

青岛理工大学土木工程学院 山东 青岛 266033

盾构法施工越来越受到国内外隧道建设的重视以及青睐，盾构刀盘的主要功能有稳定工作面、搅拌土砂以及开挖土体，刀盘的配置和选型很大程度上依赖施工经验，合理的刀盘结构及形式能够提高盾构的开挖效率和使用寿命，并且能够降低一定的刀具费用。詹金武等[1]通过对复合式土压平衡盾构与地层的适应性进行研究，对复合地层的关键参数进行了计算，通过掘进效果，表明了该盾构的刀盘与地质条件具有良好的适应性；李茂松[2]改造了盾构的刀具布置以及刀盘的结构形式等，改造后的刀盘提升了掘进性能，具有更良好的适应性，给类似地层的盾构刀盘设计以及盾构施工提供了相应的参考；夏毅敏等[3]针对盾构地质适应性配刀的复杂性与模糊性，提出一种基于模糊数学理论的地质适应性配刀方法并应用到工程中，通过试验验证了该方法的可行性；宁锐等[4]对盾构刀盘结构进行针对性设计，通过对盾构的掘进性能研究，分析并验证了该刀盘与复合地质的适应性；江华等[5]通过原型试验得到在大粒径卵砾石地层中，辐条式刀盘的适应性要比面板式刀盘的适应性好，而且参数控制更加稳定的结论，该结论的得出也是依赖于对现场掘进试验数据以及盾构掘进关键参数的对比研究；徐前卫等[6]对盾构机的掘进参数在不同地层条件下的适应性进行了相应的研究，该研究是依赖于模型试验以及相似理论的原理，对土压平衡盾构机掘进进行了相应的模型试验设计，并得出了一些实用的结论；宋克志等[7]对2种基本刀盘形式在刀盘负荷、刀盘土舱构造及地层适应性等方面进行了比较和分析。现有研究对盾构穿越多种复杂地层的刀盘适应性研究较少，且在不同地层中的刀盘适应性对比方面缺乏相应的理论依据。

本文以青岛地铁4号线静沙区间盾构工程为依托，针对不同地层条件，采用CE6250型复合式土压平衡盾构机，通过对刀盘结构形式以及该区间掘进参数的研究，对盾构刀盘与不同地层的适应性进行评价。

1 静沙区间地层概况

1.1工程概况

静沙区间位于青岛市崂山区静港路站至沙子口站之间。区间线路出静港路站后，沿李沙路路中向南敷设，线路在YDK25＋100.000附近偏离李沙路，向东方向敷设，从东尖山西北侧下方穿越后，往沙子口镇方向前进，在沙子口镇中心空地到达沙子口站。静沙区间左线全长1 123.531 m（矿山段452.1 m、盾构段687.5 m），右线全长1 143.346 m（右线矿山段504.8 m、右线盾构段634.8 m），静沙区间平面如图1所示。

图1 静沙区间平面示意

1.2工程地质水文地质情况

静沙区间场地地形地貌受人工改造较大，跨越河流阶地区、构造剥蚀区及滨海堆积区，地形较平坦，区间盾构段主要穿越12 1层碎石土、11 层粉质黏土和18 8层微风化凝灰岩，局部穿越上软下硬地层。本工程地下水类型主要为第四系潜水、第四系承压水和基岩裂隙水，其中第四系潜水、第四系承压水向下补给基岩裂隙水。

1.3隧道穿越地层分析

静沙区间左线隧道总环数为761环，目前盾构已掘进至532环，区间隧道依次穿越粉质黏土与碎石土复合地层、碎石土地层、微风化凝灰岩地层。其中穿越粉质黏土与碎石土复合地层占比最高，达到52.17%，其次是碎石土地层，占比26.09%，最后是微风化凝灰岩地层，占比21.74%。

2 静沙区间盾构刀盘设计

2.1刀盘结构形式

1）面板式刀盘。选用面板式刀盘的优点是由于该刀盘结构的特点，使得进入土仓的卵砾石的直径能够得到有效的限制；缺点是在进行隧道开挖时，由于结构的特点使得开挖面的土压力较难控制，这就造成了对土压力的管理控制较为困难。盾构在掘进过程中刀盘面板受到开口率的限制，容易造成黏结堵塞等问题，降低了刀盘刀具的使用寿命。

2）辐条式刀盘。辐条式刀盘与面板式刀盘相比能够较好地控制土压，因为辐条式刀盘仅有几根辐条，开口率较大，而且没有面板的阻碍，所以切削下来的渣土能够顺利进入土仓而没有压力的衰减，且在辐条后设置了搅拌页，保证了砂土的流动性，这样就使得土压力得到较好的控制，从而对地面的沉降进行有效控制。辐条式刀盘更适用于砂、土等单一的软土地层，且刀具的负荷较小，使用的寿命比较长。

3）复合式刀盘。复合式刀盘具有前两者的优点，既能有效保证开挖面的稳定性，又具有较大的刀盘开口率，并可以同时安装盘形滚刀和切削型刀具，对青岛地区复杂地层具有良好的地质适应性。

2.2盘形滚刀

盾构滚刀有齿形滚刀和盘形滚刀这2种滚刀形式，被广泛应用在盾构上的为盘形滚刀。盘形滚刀根据滚刀刀圈的数量分为3种形式，分别为单刃滚刀、双刃滚刀及多刃滚刀。

盾构在较软的地层掘进时一般用的是双刃滚刀，但在硬岩地层中掘进时采用的是单刃滚刀。盘形滚刀又可根据刀圈的材质分为多种不同形式的滚刀，分别为耐磨层表面刀圈、标准钢刀圈、重型钢刀圈以及镶齿硬质合金刀圈滚刀等。4种刀圈适应性见表1。盘形滚刀的标准尺寸规格一般根据隧道的开挖直径来选择，如表2所示。

表1 不同滚刀刀圈适应性

表2 滚刀尺寸与隧道直径的对应关系

2.3刀具的布置

在复合刀盘掘进过程中，滚刀具有先导破岩的作用，切刀主要用来切削未固结的土壤，并把切削土刮入土仓中。因此，为了能够获得最大的破岩能力以及最大程度地减小刀具的磨损，应对相邻滚刀的刀间距进行合理、有效的布置，不同地层中的滚刀间距如表3所示。

表3 不同地层中的滚刀间距

2.4静沙区间刀盘布置

静沙区间采用CE6250型复合式土压平衡盾构机，刀盘形式为复合式刀盘，且刀盘采用高强度钢板和耐磨材料焊接而成，在适应当前区间地层施工的同时，考虑了最大的通用性，针对全断面岩石区间段，采用6辐条硬岩刀盘方案，中间支撑，开口率33%。滚刀选择17#及18#标准滚刀，与盾构隧道开挖直径相适应，针对硬岩段，采用重型刀圈镶嵌硬质合金的滚刀。中心滚刀间距90 mm，正面滚刀间距85 mm。盾构机刀盘如图2所示，刀盘技术参数见表4。

表4 刀盘技术参数

图2 刀盘示意

3 盾构刀盘与地质适应性初步评价

CE6250型复合式土压平衡盾构刀盘适应性分析如下：

1）滚刀选择17#及18#标准滚刀，与盾构隧道开挖直径6 280 mm相适应。

2）用高强度钢板和耐磨材料焊接而成的刀盘，提高了施工的安全性，同时配备的高破岩能力滚刀可使刀盘在复杂地层中具有更良好的适应性。滚刀与齿刀能够完全互换安装，这也使得刀盘在掘进过程中更具灵活性。

3）针对区间穿越硬岩地层，刀盘上单刃滚刀和中心双联滚刀全部更换成重型刀圈镶嵌硬质合金的滚刀，母体硬度为HRC40，重型刀圈硬度均为HRC58～60，刀圈和刀毂加耐磨焊，增加耐磨焊后刀具耐磨性也增加，且具有一定的抗冲击能力，磨蚀性高，能够在上软下硬和硬岩地层掘进时增加工效。

4）为了防止切刀、贝壳刀以及边刮刀在掘进过程中出现磨损较快的问题以及提高刀具的耐冲击性能，对3种刀具采用了合金设计，刀座的背部也采用了耐磨的焊层及保护块，可以较好地保护刀座。配置的刀具在各种地层的掘进过程中分别起到开挖、收渣及倒流作用。

5）针对全断面岩石区间段，采用6辐条硬岩刀盘方案，中间支撑，开口率33%，中心区域开口率38%，可以有效避免刀盘结泥饼的不良工作状态。

综上所述，借鉴已有的盾构刀盘设计经验和青岛复合地层中盾构施工的成功经验，CE6250型复合式土压盾构机的刀盘具有良好的适应性。

4 不同地层盾构刀盘与地质适应性评价

4.1复合地层盾构刀盘与地质适应性评价

静沙区间左线施工段以粉质黏土与碎石土复合地层为主，盾构穿越粉质黏土和碎石土复合地层段的总推力、刀盘扭矩、贯入度和掘进速度如图3所示。

图3 复合地层掘进参数变化曲线

从图中可以看出：

1）盾构穿越复合地层时，盾构总推力控制在9 300～15 300 kN，刀盘扭矩控制在1 400～4 000 kN·m，小于装备推力39 894 kN及刀盘装备扭矩5 794 kN·m。

2）盾构在复合地层中掘进时，贯入度控制在15～55 mm/r，掘进速度控制在15～56 mm/min，且平均掘进速度控制在41 mm/min，这表明在技术性能范围内，盾构机取得了良好的掘进速度，即刀盘对该地质条件具有良好的适应性。

3）盾构在穿越该地层时的总推力、刀盘扭矩及掘进速度变化相对较稳定，盾构处于一个安全、高效率的工作状态，可看出刀盘对该地质条件有较好的适应性。

4.2碎石土地层盾构刀盘与地质适应性评价

盾构穿越碎石土地层段的总推力、刀盘扭矩、贯入度和掘进速度如图4所示。

图4 碎石土地层速度变化曲线

从图中可以看出：

1）盾构穿越复合地层时，盾构总推力及刀盘扭矩皆趋于大致稳定的状态，盾构总推力控制在10 000～15 000 kN，刀盘扭矩控制在1 100～3 900 kN·m，小于装备推力39 894 kN及刀盘装备扭矩5 794 kN·m。

2）盾构在复合地层中掘进时，贯入度控制在10～57 mm/r，掘进速度控制在9～59 mm/min，且平均掘进速度控制在40 mm/min，表明在技术性能范围内，盾构机掘进速度良好，即刀盘对该地质条件的适应性良好。

3）盾构在121～170环掘进过程中的总推力、刀盘扭矩及掘进速度变化相对来说都比较稳定，掘进到171～180环时掘进速度呈直线下降，原因是地质勘探存在一定误差，掘进至171环时刀盘已接触到硬岩，从而使得掘进速度产生较大幅度的变化。

4.3微风化凝灰岩地层盾构刀盘与地质适应性评价

盾构穿越微风化凝灰岩地层段的总推力、刀盘扭矩、贯入度和掘进速度如图5所示。

图5 微风化凝灰岩地层速度变化曲线

从图中可以看出：

1）盾构穿越复合地层时，盾构总推力及刀盘扭矩皆趋于大致稳定的状态，盾构总推力控制在5 000～14 000 kN，刀盘扭矩控制在1 010～3 330 kN·m，小于装备推力39 894 kN及刀盘装备扭矩5 794 kN·m。

2）盾构在复合地层中掘进时，贯入度控制在2.5～10 mm/r，掘进速度控制在3～11 mm/min，且平均掘进速度控制在6.83 mm/min，能够明显看出盾构在硬岩地层中掘进时的掘进速度较其他2种地层低，但总体也能控制在一个较理想的范围，即刀盘对该地质条件的适应性较好。

4.4盾构穿越地层适应性对比研究

由于盾构总推力及刀盘扭矩还受掘进速度和贯入度的影响，因此，为了消除掘进速度和贯入度对盾构总推力的影响，将盾构总推力及刀盘扭矩进行归一化处理，得到地层识别参数场切深指数FPI（FPI＝盾构总推力/贯入度）、扭矩切深指数TPI（TPI＝刀盘扭矩/贯入度），如图6所示。从图中可以看出，微风化凝灰岩的场切深指数FPI为复合地层及碎石土地层的5～6倍，扭矩切深指数TPI为复合地层及碎石土地层的4.5～5.5倍，以上表明：盾构在硬岩地层中掘进时的单位贯入度需比其他2种地层消耗5～6倍的盾构总推力，且在硬岩地层中掘进时的刀盘单位贯入度需比其他2种地层消耗4.5～5.5倍的扭矩，即盾构在复合地层及碎石土地层中的开挖效率更高。

图6 3种地层FPI和TPI的变化曲线

5 结语

1）依据盾构刀盘的设计经验和青岛地区不同地层中盾构施工的成功经验，从刀具选型、刀具布置、刀盘结构形式等方面表明了3种不同地质条件与CE6250型复合式土压盾构机刀盘之间的适应性。盾构的掘进参数表明，在技术性能范围内，CE6250型复合式土压盾构机取得了较高的掘进速度，盾构刀盘对3种不同地质条件均具有良好的适应性。

2）盾构在复合地层及碎石土地层中取得的41 mm/min和40 mm/min的平均掘进速度优于在微风化凝灰岩地层中6.83 mm/min的平均掘进速度，即盾构刀盘在复合地层及碎石土地层中的适应性更好，对盾构隧道开挖工期的控制更有把握。

3）盾构在复合地层、碎石土地层及微风化凝灰岩地层中的FPI平均值分别为351、390及2 080，TPI平均值分别为74、86及405，即贯入度相同的条件下，盾构在微风化凝灰岩地层中掘进时刀盘要消耗更大的推力和刀盘扭矩。进一步表明，在3种地层条件下，盾构刀盘在复合地层及碎石土地层中的适应性更好。