漂石地层不同刀盘型式盾构掘进试验

王炜， 刘招伟， 邵小康， 吉帅科， 杨志勇

(1.中铁电气化局集团有限公司， 北京 100036； 2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院， 北京 100083)

漂石地层是一种颗粒级配极为不均、胶结性弱、强度高、磨蚀性强的地层，地层中的大粒径漂石给盾构施工造成严重困扰，使得漂石地层中盾构掘进充满着挑战性。一些研究者借鉴砂卵石地层中盾构掘进经验试图解决漂石地层中的工程难题往往适用性不强，根据地基基础规范分类法，卵石地层为粒径大于20 mm的颗粒质量占比超过50%，漂石地层的定义为粒径大于200 mm的颗粒质量占比超过50%，在工程中漂石地层中甚至会出现800～1 200 mm的大石块。因此，直接参考砂卵石地层中的盾构施工经验来指导漂石地层中的盾构选型适应性不强。目前针对大粒径漂石的处理主要存在两种观念，一种是“以排为主”的漂石处理原则，另一种是“以破为主”的原则[1-2]。这两种漂石处理方式会形成不同的刀盘设计方案，前者重视漂石在刀盘上的通过性，一般会设计成具有大开口率的辐条刀盘，后者更注重对漂石的破碎能力，一般会设计成面板式刀盘，并装配滚刀用以破碎漂石，之后将破碎的石块从土舱中排出。

近年来，一些研究者对类似地层条件下的盾构选型进行了研究：吴和北等[3]、晏启祥等[4]针对成都地区砂卵石地层条件，总结了盾构施工经验，给出了该地层条件下的盾构选型建议；姜伟等[5]和张志龙等[6]建立了评价盾构适应性的模型，并应用于盾构工程实践；黄新淼等[7]对不同城市的30个盾构区间盾构选型情况进行统计分析，发现经济效应、技术成熟程度等因素影响也是决定盾构选型的重要因素之一；杨志勇等[8]和黄清飞[9]结合北京地区砂卵石地层特性，总结了盾构刀盘选型设计流程，井结合具体工程研究了盾构刀盘的结构形式对刀盘扭矩的影响；尚艳亮等[10]分析了石家庄6个区间的地表沉降数据，进行了无水砂层盾构选型。田四明等[11]结合太原市的地层情况，进行了大直径土压平衡盾构选型；旷斌[12]使用理论计算法对盾构掘进参数进行预测，并验证盾构选型的合理性；陈健[13]对武汉轨道交通8号线越江隧道区间上软下硬的复合地层条件下的盾构选型以及换刀技术进行研究；吴沛霖等[14]针对广深港高铁狮子洋海底隧道的工程地质特点，对该地层条件下的刀盘选择、刀具优化以及常压换刀技术进行研究。

众多研究者针对北京、成都等地区的典型砂卵石地层进行了盾构选型研究，但是针对粒径更大、强度更高的漂石地层的盾构选型研究仍较为欠缺，特别是关于“以排为主”和“以破为主”的漂石处理原则的应用效果研究仍缺乏现场对比试验。因此，现依托位于北京西南地区大粒径、高含量漂石地层的盾构工程，采用设置实际试验掘进段的研究方法，通过对比两台采用不同刀盘方案的盾构在同一试验段的掘进效率、掘进参数、刀具磨损情况来评判盾构选型的适应性，验证的漂石处理方式和盾构选型方案的合理性，可为类似地层条件的盾构选型提供参考。

1 工程概况

北京地铁16号线工程榆树庄～宛平城区间(以下简称：榆～宛区间)盾构起自榆树庄站，到达宛平城站接收，盾构长度约2.8 km，如图1所示。区间设置联络通道5座。区间隧道采用圆形预制钢筋混凝土管片结构，错缝拼装，弧形螺栓连接，隧道内径5.8 m，隧道外径6.4 m，管片厚度为0.3 m，环宽1.2 m，管片混凝土强度C50、抗渗等级P10。

图1 盾构区间平面图Fig.1 Plan of tunnel alignment

图2 地层揭露漂石分布情况Fig.2 Distribution of boulders in the stratum

2 地层情况分析

2.1 盾构穿越地层

隧道区间上覆土层厚9.2～20.8 m，结构顶板所在土层主要为卵石③层及卵石④层，结构所在土层主要为卵石③层及卵石④层，局部穿越黏土岩⑦，结构持力层主要为卵石③层、卵石④层及黏土岩⑦。盾构区间主要位于卵石③层及卵石④层，部分盾构管片底位于黏土岩⑦层。如图2所示，卵石③层、卵石④层中漂石尺寸大小多为400～800 mm，最大达1 200 mm，总量约占体积比55%；其中400～600 mm漂石约占70%，600～800 mm漂石约占20%，800～1 200 mm漂石约占10%。

2.2 漂石特性

为了全面评价漂石的特性，取不同埋深的漂石制成相应的试件，分别对进行全岩矿物X射线衍射分析试验、单轴抗压试验和磨蚀性试验，测定其矿物成分、力学特性、磨蚀性。

(1)矿物成分分析。对漂石岩样进行矿物成分分析，测试其成分含量，结果表明漂石中主要成分是石英，含量占比约85%，云母含量其次，占6%～10%。

(2)力学参数。卵石③层、卵石④层的天然密度分别为2.2、2.5 g/cm3，取漂石进行的单轴抗压试验结果如表1所示。可见漂石的抗压强度最大超过400 MPa，试件平均强度高达300 MPa。

(3)磨蚀性。为了评价漂石的磨蚀性，取5块漂石试样用ATA-IGGⅠ岩石磨蚀伺服试验仪进行磨蚀性试验，通过测得钢针磨蚀值换算得到漂石的Cerchar磨蚀系数 (Cerchar abrasivity index, CAI)，试验结果显示漂石试样的平均CAI磨蚀值为2.63，磨蚀性较高。

表1 漂石试样单轴抗压试验结果Table 1 Results of uniaxial compression test

综上，本工程面对的漂石地层有以下几个特性：①粒径大，大粒径含量高。粒径大于400 mm的漂石占比超过55%，漂石最大长度可达1 200 mm；②主要矿物成分为石英与云母，其单轴抗压强度极高，平均强度达300 MPa；③磨蚀性较高，平均CAI磨蚀值为2.63。

3 盾构选型分析

土压平衡盾构常用的刀盘形式有三种，即辐条式刀盘、面板式刀盘、辐条面板复合式刀盘。辐条式刀盘结构由几根辐条组成，刮刀和先行刀安装于辐条上，开口率大(一般超过50%)；面板式刀盘结构由面板组成，主要切削刀具安装于面板上，开口率小(一般在20%～40%)；辐条面板复合式刀盘结构由辐条+面板组成，主切削刀具安装于辐条上，面板上安装辅助切削刀具，开口率介于面板式和辐条式刀盘之间。

为了验证并得到对漂石地层更具适应性的刀盘型式，本次研究设置了从始发井到4号检修井的试验掘进段，中途可进行刀具磨损测量和更换刀具。试验段左线采用辐条式刀盘，右线采用辐条面板复合式刀盘。辐条刀盘是北京地区砂卵石地层中最常用的刀盘型式，本研究设置的左线试验段可验证北京地区典型的卵石地层土压平衡盾构施工的成功经验是否适用于漂石地层。试验段右线开口率较小的辐条面板式刀盘限制大粒径漂石进入土舱，并在刀盘上配制滚刀破碎部分大粒径漂石，用以对比“以排为主”和“以破为主”的漂石处理原则实际应用效果。

3.1 刀盘型式

试验段左线采用“以排为主”的大粒径漂石处理原则，盾构机刀盘采用辐条式结构、液驱动力以及重型撕裂刀的配置形式。针对砂卵石地层对刀盘的耐磨性要求较高，为保证盾构的正常掘进，刀盘大圆环采用三圈合金耐磨块全覆盖，靠近切口环的大圆环部位采用合金耐磨块全覆盖；同时刀盘上设置有两处油压式磨损检测装置，及时检测刀盘及刀具磨损情况。如图3(a)所示，刀盘开口率为56%，总质量46 t，刀盘直径6 680 mm，材质为Q345B。

试验段右线盾构采用“以排为主，排破结合”的漂石处理原则。如图3(b)所示，刀盘结构为4辐条+4面板的复合刀盘，刀盘开口率为43%，刀盘直径6 680 mm，重量59 t，材质为Q345B。刀盘的主要切削刀具为滚刀，面板上增加重型焊接撕裂刀，撕裂刀最外侧镶嵌合金块可提高其抗冲击性。

图3 刀盘结构型式Fig.3 Structure of the cutter head

3.2 刀具布置

辐条刀盘为保证刀具的强度及耐冲击性，撕裂刀全部采用重型撕裂刀，并适当加大了切刀及边刮刀的迎渣角度。

复合式刀盘中心布置四把双刃滚刀，滚刀为主切削刀具，第一层为滚刀，高度为175 mm，安装于辐条上；第二层为撕裂刀，高度为155 mm，焊接在面板及刀盘辐条末端；切刀一层，刀高120 mm，采用螺栓连接；同时在刀盘面板周边位置布置8把滚刀，用于破碎周边大粒径卵石，防止阻塞盾构机前进；并将所有滚刀和撕裂刀做可互换设计。两种刀盘型式刀具配置情况如表2所示。

表2 刀盘刀具配置表Table 2 Tool configuration of cutterhead

3.3 其他系统

左、右线两台盾构均由中铁装备生产制造，除刀盘分别为辐条式、辐条面板复合式这一主要区别外，其余主要系统均一致。

盾构配置10组驱动，最大推力为4 086 t，额定扭矩为7 850 kN/m，脱困扭矩为9 500 kN/m。采用主动式铰接，12根铰接油缸，铰接推力3 378 t，可准确控制前盾与中盾的角度，便于盾构机在曲线段的掘进施工以及盾尾卡死时的脱困。

4 盾构掘进试验结果分析

4.1 掘进参数

盾构正常掘进时的总推力、刀盘扭矩和正常掘进时的平均推进速度如图4所示。

图4 盾构掘进参数Fig.4 Shield tunneling parameters

左线盾构的稳定推力的变化范围为1.0×104～1.8×104kN，平均推力13 267 kN，稳定刀盘扭矩4.0×103～6.0×103kN·m，平均扭矩为4 800 kN·m，平均推进速度为68 mm/min；右线盾构的推力的变化范围为0.9×104～1.4×104kN，平均推力为11 696 kN，刀盘扭矩为3.0×103～5.0×103kN·m，平均扭矩为3 900 kN·m，平均推进速度为84 mm/min。左线盾构的总推力、刀盘扭矩均明显高于右线，右线盾构正常掘进时推进速度比左线平均快16 mm/min。

图5 左、右线盾构月掘进距离Fig.5 Shield tunneling distance per month

4.2 掘进进尺

左、右线盾构的月掘进环数如图5所示，按开工后总时间计算，左线盾构掘进效率为110 环/月，右线为74 环/月。为了更直观的对比两台盾构的施工效率，扣除盾构长时间停机的时间，按盾构稳定掘进时间计算，从2020年5月至盾构到达检修井停机，左线盾构正常掘进时间46 d，右线正常掘进53 d，左、右线的掘进效率分别为10.3环/d、7.6 环/d，左线盾构的掘进效率比右线盾构高35%。

4.3 停机时间

自盾构始发掘进至4号检修井停机位置，除去2020年初疫情防控导致的长时间停机外，盾构出土量超限是导致盾构停机的主要因素。右线超排停机注浆14次，平均停机地面注浆时长为6 d，右线因超排停机时间总长为77 d；左线超排停机地面注浆1次，地面注浆时间为8 d。

4.4 刀盘磨损分析

进行刀具检修时发现右线刀盘的滚刀磨损正常，磨损量2～3 mm，9把单刃滚刀出现刀圈崩裂，刮刀损坏严重，且多为磕破。右线刀盘的泡沫保护刀磨损严重，且有3路泡沫孔被砂石堵塞。左线辐条式刀盘的磨损情况较好，边缘撕裂刀和保径刀磨损较为严重，有1路泡沫孔出现堵塞。刀具检修情况如图6所示。

图6 刀盘磨损情况Fig.6 Tool abrasion

由刀具检修情况可知，左、右两刀盘刀具出现“损”的破坏明显多于“磨”，刀具被磕坏、合金块脱落的概率较高，漂石的粒径大、含量高、强度高是导致这种情况出现的主要因素。右线复合刀盘的开口率较小，试图使用滚刀将平均强度高达300 MPa的大粒径漂石击破是不现实的。大粒径漂石聚集在刀盘前方无法进入土舱，反而对刀具产生危害，造成滚刀刀圈崩裂、刮刀刀刃崩落。另外，刀盘前方聚集的石块对渣土改良注入口造成严重损坏，刀盘泡沫口频繁被堵塞，影响盾构渣土改良系统的正常工作。当盾构刀盘上方出现大漂石掉落引起超挖、超排时，难以通过刀盘注入孔注入膨润土等材料填充地层，引发地层塌陷的风险，这是右线频繁停机的主要原因。左线辐条刀盘的开口率更大，大漂石容易进入土舱。刀具磨损情况、掘进效率以及掘进参数均表明左线盾构本工程的地层条件更具适应性。

5 结论

北京地铁16号线榆～宛区间盾构穿越粒径大、强度高、磨蚀性强的漂石，通过对比采取辐条式刀盘、辐条面板复合式刀盘的两台盾构在同一试验段的掘进参数、掘进效率、刀具磨损情况，获取了更具适应性的盾构选型方案，得出以下结论。

(1)相比于辐条面板复合式刀盘，辐条式刀盘对大粒径漂石地层更具适应性。辐条式刀盘开口率更高，大漂石更易通过，而辐条面板复合式刀盘开口小，加之滚刀对高强度的漂石的破碎效果差，大漂石难以进入土舱，刀具也更容易损坏。因此，漂石地层建议采用刀盘开口率更高的刀盘，即采取“以排为主”的漂石处理原则。

(2)采用辐板辐条复合式刀盘的盾构掘进时刀盘泡沫注入孔更易发生堵塞，渣土改良系统难以工作，严重影响盾构正常掘进，导致综合掘进效率比辐条式刀盘盾构低35%。

(3)漂石地层的高强度、高磨蚀性漂石对刀具的损害严重，辐条式刀盘的边缘撕裂刀、保径刀磨损大，特别是位于出土口处的刮刀被磕破的概率高；辐条面板复合式刀盘部分滚刀出现刀圈崩裂，刮刀破损严重，泡沫口被严重损坏，影响施工效率。

通过对比分析辐条式盾构、辐条面板式盾构在漂石地层的综合掘进效果，发现辐条式盾构在该地层的掘进的可靠性和效率更高，但是针对无法正常排出的超大粒径的漂石仍然只能采用开舱后人工击破的处理办法，具有一定的施工风险，此外如何解决漂石地层中盾构刀具磨损问题是一项重大挑战，建议进一步对漂石地层中盾构刀具设计、布置以及换刀技术开展针对性研究。