盾构机黏土复合地层掘进刀具选型及改造

郝启韬

莫斯科地铁第三换乘环线西南段项目自开建以来，工期紧张且施工区间暗挖隧道地质存在大量全断面黏土复合地层，在黏土复合地层中盾构的施工效率一直受限较大，仅通过土体改良很难有效解决刀盘泥饼板结问题，因此在各方面需进行改善确保提高其施工效率，刀盘刀具的布置及改造工作显的尤为重要。

一、工程概况

莫斯科地铁第三换乘环线西南段项目包括3站4区间、9条隧道，盾构区间穿越主要地层为黑褐色-棕色硬塑性砂质黏土，含细砂和亚砂体夹层和透镜体，含不超过25%的卵石，碎石；粉砂岩到灰黄致密含水细砂岩，少见塑性亚砂体和软塑性砂质黏土夹层，泥质砂岩；致密含水亮褐色细砂岩，局部含灰色软塑性砂质黏土和粉砂夹层，泥质砂岩。

二、盾构机简介

1. 盾构机概况

本区间采用5台开挖直径6280mm铁建重工生产DZ397、DZ398、DZ399、DZ400、DZ401土压平衡盾构机负责该项目区间隧道施工，主机外形尺寸：前盾φ6250mm，中盾φ6240mm，盾尾φ6230mm。

2. 刀盘及刀具布置情况

刀盘外形尺寸：装刀开挖φ 6 2 8 0 m m，总厚725mm。刀盘前端面有8条辐板（开孔率40%），其上配有滚刀（撕裂刀）座、刮刀座和4根搅拌棒，刀盘与驱动装置采用法兰连接，法兰与刀盘之间是靠四根大臂相连，刀盘周边焊有耐磨条，前端面焊有格栅状的Vaudit耐磨保护材料。

三、黏土复合地层盾构机掘进参数分析

1. 盾构机始发至首次开仓阶段参数

根据往期地铁项目盾构施工经验，刀盘扭矩始发阶段掘进素连墙刀盘扭矩较高，如若安装滚刀数量较少，破岩能力差，所以导致始发阶段在切削素墙过程中，刀盘扭矩较大，对撕裂刀的磨损较大。

图1为0—258环刀盘扭矩变化趋势，如图所示96—258环掘进过程中开始逐渐穿越黏土复合地层，扭矩逐渐开始变大，推力持续增大且推进速度缓慢，初步判断为刀具磨损且刀盘泥饼板结严重、刀盘开口率变小，刀盘切削能力变弱，导致掘进不顺畅。

图1 0—258环刀盘扭矩变化趋势

在开仓后发现刀盘泥饼板结极其严重，刀座与刀体被黏土包裹，失去其工作能力，刀盘开口率变小，根据开仓工作人员反馈以及影像资料可知，刀具完全灌入到地层中，已失去其切削能力，边缘线速度较大的位置泥饼板结偏软，但是刀盘中心扭腿处泥饼严重干结，导致其产生的原因是刀盘泥饼与掌子面泥土面与面的摩擦，在这种状态下长时间掘进，在刀盘与掌子面间产生大量的热量，致使刀盘中心处泥饼脱水而干结。

在黏土复合地层中掘进由于黏土较软，刀具刀痕很深，甚至已经挨到刀具刀体，导致痕峰直接摩擦刀盘，在刀盘开口格栅处逐渐生根形成泥饼，然后继续推进通过挤压，大块黏土块进入开挖仓而无法及时外排，逐渐导致刀盘中心处的泥饼板结，致使形成开仓后所呈现的泥饼大量板结在刀体、刀座、开口格栅、刀盘扭腿位置。

2. 盾构机开仓后掘进分析

盾构机开仓检查清理完成恢复掘进后，258—275环掘进过程中，刀盘扭矩较带压开仓前有了明显好转，因在开仓过程中清理了刀盘开口处黏着黏土块和所板结的泥饼，但是到275环后续掘进过程中，刀盘扭矩开始逐渐增大，由于刀盘开始泥饼板结，推进速度开始变的缓慢，推进困难，下图2为258-380环刀盘扭矩变化参数。

图2 258—380环刀盘扭矩变化参数

3. 刀盘泥饼板结对推进的影响

当盾构机在黏土段推进过程中，刀盘泥饼板结趋于严重且开口率变小，刀盘切削下来的黏土块很容易就把刀与刀箱间隙填充起来，进而把整个刀体包裹在黏土里面。刀体被包裹后不光失去了原有的作用，同时还会使刀周边的黏土包裹面积扩大，增加刀盘的运行负载，使刀盘在掘进过程中无法通过切削泥土来完成掘进，而是刀盘泥饼与掌子面泥土摩擦，盾构机前进只能依靠高推力、渣土挤压式切削前进，从而导致推力大却推进速度缓慢，下图3和图4分别为盾构机推进力变化趋势图和盾构机掘进速度趋势图。

图3 盾构机推进力变化趋势图

图4 盾构机掘进速度趋势图

由于刀盘泥饼的板结以及开口率的变小，致使在掘进过程中，刀具被黏土包裹，在刀盘转动过程中无法良好的切削土体，因此导致大块的形成，导致推进困难、排渣不顺畅，影响掘进效率。

四、刀盘刀具布置及使用效果

1. 刀盘选型

刀盘结构形式：在莫斯科地铁西南段项目区间所穿越地质有砂砾层、黏土层、以及多种软硬不均复合地层情况，刀盘结构形式采用面板式，支撑方式采用中间支撑式。

刀盘开口率：盾构机刀盘开口率选择40%，刀盘开口部分加焊隔栅及粒径限制器，只允许300mm以下粒径的渣块通过。

刀盘的耐磨措施：在刀盘的中心和边缘及每个开口槽的周围通过合理选择耐磨材料和合金镶嵌技术进行硬化处理并堆焊耐磨材料；在莫斯科地铁西南段项目盾构机改造中刀盘外圈焊接了4把保径刀，刀盘周边焊耐磨条和带有合金的耐磨板，刀盘面板用进口耐磨焊条焊接格栅状耐磨网。

刀座设计：盾构机刀盘上的滚刀刀座与重型撕裂刀（先行刀）刀座相同，根据地层满足刀具互换性要求。

2. 刀具布置

在莫斯科地铁西南段项目盾构机刀盘边缘位置的重型撕裂刀磨损严重，由于刀盘外缘撕裂刀线速度大，易磨损而失去其功能，部分刀具合金块已经磨损严重。从刀具检查情况看，处于周边的重型撕裂刀磨损严重而且很快失去其切削功效，所以在后续相同地层盾构隧道掘进施工过程中周边刀具宜采用以滚刀为主的布置形式。

3. 刀具改造

对于在黏土地层盾构机掘进易快速板结泥饼，主要是由于现安装刀具对黏土地层适应性弱、渣土导流性差，切削下来的渣土易粘结于刀盘幅臂。另外大量的黏土和砂砾胶结堆积于开挖仓内而形成较大块状，不易通及时外排，长此以往导致黏土胶结体在刀盘处生根而板结泥饼趋于严重，所以需要对刀盘刀具的切削能力以及渣土的外排做改进处理。

针对黏土复合地层中盾构机掘进的适应性，选择性的减少刀盘正面刮刀数量。减少正面刮刀数量之后效果如下：

（1）由于正面刮刀位于刀盘开口隔栅及粒径限制器处，齿刀数量的减少，可以增大刀盘开口槽的部分开口率；

（2）掘进过程中由于正面刮刀的减少，相邻刃口切削形成的刀间距变宽，黏土复合地层属于软岩类地质，刀间距取值可以较大，所以满足此段掘进地质的刀具切削要求；

（3）在黏土切削过程中对切削下的渣土形成导流作用，更易从开口处更快的排出；

（4）减少正面刮刀且每个切削轨迹线均保证有正面刮刀，刀盘在调整转动方向的时候，所保留的正面刮刀受力平衡，不产生刀具受力偏载。

在黏土地层中，为了解决快速板结泥饼问题，需要改进刀具配置。首先，减少正面刮刀数量可以增大刀盘开口槽的部分开口率，并使刀间距增大，以适应软岩类地质的切削需求。同时，注意保护拆下的正面刮刀刀座，采用耐磨钢板覆盖并用螺栓紧固，以减轻刀盘面板的冲击。

在减少正面刮刀后，进入试验阶段时要统计推进参数并与原始刀具配置的掘进参数进行对比，评估新刀具配置在黏土复合地层中的适应性。同时，关注刀盘磨损检测器压力表数据，观察刀具和刀盘的磨损情况。

为增加对黏土的切削效果，可以将部分重型撕裂刀更换为贝壳型轻型撕裂刀，利用轻型撕裂刀的小而锋利的刀头增加切削效果。将正面重型刮刀更换为轻型刮刀可以减小刀头磨损，并降低对黏土的切削力差。

为了确保切削刀具能有效地刮削土层进入开挖仓，可以将正面刮刀刀头改为尖锐的款式（如图5），并将刀头合金位置调整到160mm，增加刀间距，更适应黏土软土地层的掘进。由于黏土成岩程度较浅，刀头尖锐的正面刮刀和较大的刀间距有助于刀盘在黏土复合地层中快速切削黏土，并及时排出渣土，从而减轻刀盘泥饼的板结速度。

图5 正面刮刀尖齿改造

通过以上刀具改进措施，可以提高盾构机在黏土复合地层中的掘进效果，并减少板结泥饼的形成。

五、结论

在黏土复合地层中，通过合理的刀具安装选择和更换尖齿正面刮刀后及贝壳型轻型撕裂刀后，刀具切削能力变强，相应的会导致刀具的磨损速度加快，刀具寿命变短，刀具刀头合金部位需要加强，以此来增加刀具的工作寿命；刀具的选择性改造可以更有效地刮削土层进入开挖仓中，快速有效地外排渣土，减少渣土不能有效快速外排或堵排出渣口现象，减缓渣土在开挖仓中堆积，从而减缓泥饼的板结速度，可有效提高盾构的掘进效率，取得更好的经济效益。