地铁站顶管工程刀盘刀具选型及盲区对策研究

孙占刚，张炎，秦世朋，殷会迎，戴叶谦

（1.济南轨道交通集团建设投资有限公司，山东 济南 250000；2.河海大学，江苏 南京 210000；3.中铁二十一局集团轨道交通工程有限公司，山东 济南 250000）

SUN Zhan-gang,ZHANG Yan,QIN Shi-peng,YIN Hui-ying,DAI Ye-qian

地铁作为大容量公共出行方式，在缓解交通拥堵问题方面有着重要作用。顶管法作为一种快速高效的施工方法也越来越多地应用于地铁隧道建设，特别是在地铁出入口通道建设中应用越来越广泛。

刀盘刀具作为顶管机的切削工具，在顶管机掘进工作中发挥着极其关键的作用。刀盘刀具的选择不当，施工效率低下，施工扰动大，对周围环境产生较大影响，给生产安全造成极大威胁。开挖盲区的产生，使得工程进度受阻，影响开挖。彭立敏等认为刀盘切削面积大，对土层的扰动范围大，易造成地面及管线沉降，控制难度大。谭青等研究了盾构切刀作用下岩石响应机制，发现了切刀作用于岩层时的相关规律。贾连辉论述了矩形顶管机的一般结构形式，介绍了矩形顶管在城市过街通道，地下商业空间，地下停车场等领域地下空间开发中的应用成果及其他方面的应用前景。

现有国内外研究顶管刀盘刀具多集中于创新刀盘刀具种类以及形式，使其能够适应岩层掘进环境。而对于顶管工程所产生的扰动与沉降问题，研究多集中于土层分析。本文则针对浅覆土层下软土工作环境的刀盘刀具选择以及盲区的产生进行了相应的研究。

1 工程概况

八里桥站是济南市轨道交通2 号线工程近期中间站，车站位于济齐路与张庄路交叉口西南侧，沿张庄路东西布置。该站设置4 号出入口穿越张庄路，采用顶管实施。

1.1 顶管工程简介

如图1 所示，车站出入口顶管工程自南向北，由出入口始发，向车站方向顶进，顶管段覆土厚度约为5.1m。通道采用外包尺寸为6 900mm×4 900mm 矩形顶管，内部净空尺寸为6 000mm×4 000mm，壁厚450mm，管节为整环结构，单节管长为1.5m，重约40t。采用强度C50 混凝土预制，抗渗等级为P10。

图1 出入口顶管通道平面示意图

1.2 交通、建筑及地下管线情况

八里桥站4 号出入口位于张庄路南侧朝西布置。出入口西侧为济南燃料集团宿舍楼，距离出入口18.3m，南侧为济南燃料集团宿舍楼，距离出入口18.9m。顶管穿越张庄路，为现状六车道、次干路，地面交通繁忙。地下管线众多，主要有天然气管、雨水管、热力管、饮用水管，其中热力管线距离顶管净距仅1.6m。

1.3 工程地质

如图2 所示，八里桥站为山前冲洪积倾斜地貌单元。地层主要以粘性土、沙及卵石层为主。

图2 地质剖面图

1.4 工程重难点分析

济南地铁R2 线连接东西城区，穿行线路长，线路所在区域人口密集，交通繁忙，地下管线老旧管线数量大，沉降控制的要求高。

顶管施工由于对土层扰动，易引起管线和地面道路的沉降。由于管线在长期的服役过程中会出现自然腐蚀、老化等故障，沉降过大会使脆弱地下管线被破坏，导致污水泄漏、生活及工业用水污染、电力与通讯系统中断等问题。同时，由于顶管穿越道路均为城市主干道，周边交通繁忙，人流量较大，地面沉降过大会对来往行人与驾驶员产生心理上的负担乃至威胁其人身安全。

2 刀盘刀具选型

刀盘刀具是顶管顶进工作的重要部件，选择合适的配套工具将有利于掘进工作的顺利开展，并使成本控制在合理的范围内。

2.1 刀盘种类及针对选型

地铁出入口开挖断面为矩形断面，需要使用矩形顶管机掘进，针对矩形开挖断面，可以选用组合式旋转刀盘与偏心多轴摆动刀盘。组合式旋转刀盘切削速率高扭矩小对周围土体扰动较小，但存在切削盲区。偏心多轴摆动刀盘不存在切削盲区，但对土体的扰动很大。针对工程覆土较浅的特点，应尽量避免对土体的扰动使地表产生较大形变，选择组合式旋转刀盘较为合理。

组合式旋转刀盘的单刀盘较盾构单刀盘组成更加简单，但外形上更多变，需结合刀盘尺寸、地质条件、埋深情况及周边环境等选择具体的刀盘组合形式。圆形刀盘辐条数常见6 根，星型刀盘辐条数为5 根，亦有三角型刀盘辐条数为3 根。刀盘配置刀具一般为切刀刮刀等切削土体刀具。如图3 所示，本工程选用组合式旋转刀盘，刀盘为呈十字形排列的四辐条设计。3 组大刀盘3 组小刀盘，保证切削效率的同时选择合理的辐条数目减小扰动。

图3 矩形顶管机刀盘设计图

2.2 刀具种类及针对选型

本工程顶管机穿越地层主要为粉质黏土及黏土，基本功能要求为软弱土体切削，具有破岩功能的滚刀等刀具由于功能倾向不符，启动扭矩难以满足使用条件等问题，不适宜在此软土地层使用。结合国内外顶管施工经验，刀具选型建议如下。

1）鱼尾刀先于其他刀具刮削刀盘中心部的土体，使地层松动，提高刀盘中心部位土体的流动性，方便其他刀具进行切削，减少其他刀具的切削阻力，并降低其磨损。

2）先行刀或超前刀先于切削刀具切削，可以分割土体，提高土体流动性，方便切削刀具进一步工作。

3）贝型刀用于处理刀盘受冲击引起的刀盘磨损，同时刀盘底部会有积土土渣，贝型刀可以进行清理工作，提高掘进效率。

4）切刀及刮刀用于软土层的切削，刮刀亦可刮削软岩，清理刮削渣土。

5）齿刀用于软岩切削，滚刀用于破岩，不适宜软土层切削，同时易产生较大扰动。

6）仿形刀或者超挖刀用于机体调整方向，需要油缸配合，顶管机调整方向可以采用纠偏油缸进行，此种刀具的应用需结合具体的顶管机功能使用。

本工程顶管机基本功能要求为软土切削，对于软土层切削功能的要求，选用鱼尾刀、切刀刮刀，切削效果良好。大刀盘刀具布置为中心鱼尾刀，每根辐条排列对称的4 对刮刀，先行刀与刮刀错开布置。小刀盘相对刀盘刀具数目一致，为3 对或4 对刮刀，先行刀布置同刮刀布置方式。

3 盲区对策研究

3.1 矩形顶管与圆形顶管开挖盲区的区别

圆形顶管断面形状为圆形，使用圆形单刀盘，刀盘中心与顶管机开挖断面中心重合，可以使刀盘切削运动轨迹与开挖断面符合，单个刀盘即可实现全断面无盲区切削。

矩形顶管开挖断面为矩形，使用单刀盘难以覆盖开挖断面的所有区域，采用多刀盘组合形式，尽量多的覆盖断面区域并减少盲区的产生，但多刀盘组合形式不能完全解决盲区存在的问题。

如图4 和表1 所示，矩形顶管中盲区出现在刀盘之间的非重叠部分以及刀盘与顶管机管壁之间的间隔区域，而盲区具体的分布主要有两种形式：①在重叠刀盘顶管的断面中，内部刀盘由于重叠遮盖了间隙区域，盲区主要分布在顶管机两侧腰部的位置；②在非重叠刀盘顶管的断面中，断面内部刀盘与刀盘之间存在间隙，盲区出现在顶管机断面中部一些区域。

图4 几种矩形顶管盲区示意图

表1 盲区面积及盲区率估算表

3.2 刀盘开挖盲区引起的工程问题

当顶管机在软黏土等土体强度较低的环境中工作时，由于土体强度不高，对土体不需施加较大的影响就可以使土体产生流动、脱离，盲区的处理也相对简单，尤其是小范围的盲区通过推进以及管壁的铲刀作用就可以使盲区处的土体脱落。

当顶管机在土体强度较高的硬土层中顶进时，由于土体不易产生形变，会结成泥饼，顶进时的推力也需要适应性提高，刀盘切削时的扭矩增大。另外由于土体塑性形变小，使地面产生隆起或沉降等问题。这些问题最终会影响施工效率，导致施工进度放缓，工程延期。

3.3 应对盲区问题相关措施

3.3.1 通过刀盘选型避免盲区产生

在覆土厚度足够深或地面扰动的影响不会产生严重后果的工作环境中，可以使用偏心多轴摆动刀盘等异形刀盘来避免盲区产生。

在覆土较浅时，应合理进行大小刀盘组合、辐条数量设计。

3.3.2 优化刀盘设计减少盲区产生

1）重叠刀盘。刀盘相交区域虽然对切削功能的需求有溢出，但保证了在土层中较好地处理顶管机断面中部的土层开挖盲区问题，避免盲区在断面中心部产生，使盲区问题集中在开挖断面腰部解决。

2）合理设计各分体刀盘大小及形状，进行优化布置，在保证切削能力与切削速度的前提下，减小单个盲区的面积从而减小整个断面上盲区的总面积，从而减小并弱化盲区问题对顶进工作的影响并便于采取其他措施处理盲区问题。

3.3.3 盲区处理措施

1）在顶管机对应的盲区设置劈刀，并在刃口上设置铲齿，直接对盲区土体进行钻裂破体。

2）顶管机管壁设置管壳切刀或其他能够起到分割土体的切削设备，对应解决刀盘与顶管机管壁之间的盲区土体问题。

3）使用效果较好的土体改良剂，辅助切削刀具发挥作用，使土体在原基础上更易被破坏，盲区土体更易产生破坏。

4）增设搅拌装置，减少堆土，设置分渣器。若切削土体未能及时排出，甚至堆积在刀盘附近，与盲区连通并挤压密实，对盲区的处理会变得更加困难，引发更多问题影响顶进工作。设置搅拌装置等可以及时疏通土体，避免堆积以及并发问题产生。

5）盲区设万向球头风钻，对开挖盲区可能存在的大型障碍物进行处理。

6）盲区设高压水喷口、锥环，对开挖盲区可能存在的泥饼进行防治、处理。

3.3.4 本工程措施

如图5、图6 和表2 所示本工程使用重叠刀盘设计，配合管壳边缘切刀，避免断面中心区域产生盲区，并解决了开挖断面腰部的盲区土层问题，效果较好。

图5 现场出洞刀盘图

图6 本工程顶管盲区示意图

表2 本工程盲区面积及盲区率表

4 结论

1）刀盘刀具选型及盲区处理不当将对土层产生较大扰动、降低施工效率，带来安全隐患。

2）顶管机工作环境为软土，且覆土较浅时，应选用组合式旋转刀盘，降低对土层扰动，刀具选择以切刀、刮刀等土体切削刀具为主。

3）顶管施工盲区问题的解决，可从以下3 个方面应对：①刀盘选型避免盲区产生；②优化刀盘设计减少盲区面积；③盲区产生后处理。

4）本工程使用重叠刀盘设计，配合管壳边缘切刀，避免断面中心区域产生盲区，并解决了开挖断面腰部的盲区土层问题，效果较好。