以全斷面硬巖為主的復合地層土壓平衡盾構(gòu)機刀盤及刀具配置技術(shù)研究

張志奇 馬志堅

（中交隧道工程局有限公司 江蘇南京 210000）

在盾構(gòu)隧道施工中，刀具配置和選型是盾構(gòu)項目施工成敗的關(guān)鍵；尤其是在硬巖復合地層盾構(gòu)隧道施工，刀具配置和選型更是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。不合理的刀具配置和選型不僅會造成刀具破巖能力差，貫入度低，盾構(gòu)推進速度慢，施工效率低下；在強度高的硬巖地質(zhì)中還會造成刀具的大面積非正常損壞，額外增加開倉換刀頻率，極大影響項目進度和增加項目施工成本和安全風險。

1 工程概況

本標段工程為寧高城際軌道交通二期（剩余段）土建施工NG-TA01標段，盾構(gòu)區(qū)段位于祿口新城南站～銅山站區(qū)間，盾構(gòu)段起訖里程為YDK4+350.0～YDK6+740.0（ZDK4+349.018～ZDK6+729.159） 右線長2390m（左線長2380.141m）。盾構(gòu)區(qū)間主要穿越地層為J31-2強風化安山巖（抗壓強度平均值14.2MP，標準值12.0MP）、J31-3中風化安山巖（抗壓強度平均值62.5MP，標準值60.2MP，最大值150MP）。盾構(gòu)區(qū)間地表水地下水發(fā)育，上層粘性土富水性和透水性較差，下部基巖全～強風化富水地地面無重要的建（構(gòu)）筑物，穿越地層無重要管（桿）線，隧道埋深5.8～21.4m。盾構(gòu)區(qū)間最小曲線半徑1000m，最大線路縱坡2.8%。

2 施工難點

隧道區(qū)間存在有軟土地層，軟硬不均地層和硬巖地層三種地層；盾構(gòu)區(qū)間較長，單線單區(qū)間2390m；區(qū)間約有1km為全斷面巖層，地層硬，掘進難度大，風險高，對刀盤和刀具配置有極高的要求。本文主要針對刀盤配置和滾刀形式進行研究。

3 盾構(gòu)機刀盤主要技術(shù)參數(shù)

3.1 普通海瑞克盾構(gòu)機刀盤配置

刀盤是一個帶有多個進料槽的切削盤體，位于盾構(gòu)機的最前部，用于切削土體，刀盤的開口率約為28%，刀盤直徑6.28m，也是盾構(gòu)機上直徑最大的部分，一個帶四根支撐條幅的法蘭板用來連接刀盤和刀盤驅(qū)動部分，在該種地層下，刀盤上安裝有64把齒刀，8把邊刮刀，31把單刃滾刀，4把雙刃滾刀，1把超挖刀。液壓可伸縮式超挖刀可用于小曲徑開挖。刀盤上安裝的所有類型的刀具都由螺栓連接，都可以從刀盤后的泥土倉中進行更換。在刀盤的圓周面、正面焊接有耐磨層，加強了刀盤的耐磨能力，增強刀盤的使用能力。

刀具在刀盤上的超前量較大，正面滾刀的超前量為175mm，齒刀超前量為120mm，正面滾刀的軌跡間距為100mm，邊緣滾刀的軌跡間距為9.59～100mm；滾刀的承載力為25t，適應(yīng)掘進的巖石抗壓強度為20～120MPa；滾刀的轉(zhuǎn)動阻力矩小，在砂層中掘進時可以轉(zhuǎn)動，以避免滾刀偏磨；刀盤前部的中心部位，裝有一個用于注入添加劑的旋轉(zhuǎn)接頭，同時設(shè)備本身配備了用于渣土改良的泡沫和膨潤土注入系統(tǒng)。

3.2 對普通刀盤和刀具分析及改進

（1）普通刀盤是以在極少硬巖的復合地層中掘進而設(shè)計的復合刀盤。沒有針對長距離以硬巖為主的復合地層的措施，在硬巖地層施工中極易發(fā)生刀具數(shù)量不夠，破巖能力差，掘進速度慢；刀具外形設(shè)計不合理，沒有好的貫入度；滾刀刀圈損壞，齒刀脫落，卡死刀盤；甚至發(fā)生刀盤卡死的現(xiàn)象；造成極大的成本增加和浪費。

（2）刀盤和刀具改進主要措施

①取消齒刀設(shè)計，減少由于硬石塊打掉齒刀引起的滾刀等其他刀具的非正常損壞；

②在刀盤直徑、強度、開口率等基本參數(shù)不改變的前提下，通過改變滾刀外形尺寸，增加滾刀數(shù)量、提高刀盤整體破巖能力；

③針對全斷面巖層和復合地層，優(yōu)化滾刀刀圈外形和固定方式，提高滾刀貫入度和正常使用時間。減少換刀次數(shù)，提高施工進度，進而節(jié)約施工成本。

4 優(yōu)化措施工作原理

（1）在以全斷面硬巖為主的復合地層中，滾刀切削下來的大石塊會沖擊齒刀，致使齒刀脫落。在刀盤轉(zhuǎn)動的掘進過程中，脫落的齒刀又會沖擊滾刀，從而造成滾刀的連鎖非正常損壞；同時齒刀在硬巖地層中剝離作用極差，弊大于利。取消齒刀能夠明顯減少由于刀具損壞而進行的開倉刀具更換。

（2）通過優(yōu)化減小滾刀外形尺寸，不改變滾刀受力性能的前提下，由傳統(tǒng)盾構(gòu)刀盤滾刀最多39刃增加到45刃，增加切削軌跡密度，增大盾構(gòu)切削能力，提高破巖效率。

4.1 地質(zhì)分析

巖石天然單軸抗壓強度最高達到150MPa，平均73.49MPa，對滾刀刀圈的強度要求較高；區(qū)間含大量細中砂、粗砂、礫砂、混砂礫土，局部為粘土和含砂粉質(zhì)粘土，部分全分化、強分化、中分化巖層，而且部分安山巖屬于較硬巖-堅硬巖，對刀圈的耐磨要求較高。

4.2 全斷面風化巖地質(zhì)

主要考慮刀圈高強度、高韌性，刀圈需具備在全斷面巖石層施工的有效貫入破巖能力，同時考慮刀圈需具備在全斷面巖石層施工的適當耐磨性能。

采用適當加寬刀圈刃口寬度（常規(guī)20mm）的刀圈設(shè)計，提高刀圈強度和耐磨性；對刀圈刃口設(shè)計為10mm圓弧錐度，提高刀刃貫入能力和對巖石的擠壓龜裂效果；材料上選用特殊刀圈專用的SWQH13超細化材料，強度高，韌性好；刀圈熱處理硬度控制在HRC54-56，兼具高韌性、高強度的同時兼具較好的耐磨性能。

4.3 復合層地質(zhì)

主要考慮在上軟下硬地質(zhì)情況下，刀圈所遇到的高沖擊要求，刀圈需具備絕對的高韌性和在復合層施工的高效貫入破巖能力。

采用適當加寬刀圈刃口寬度（常規(guī)20mm）的重型刀圈設(shè)計，提高刀圈強度和耐磨性；采用刀刃刃口20°錐度設(shè)計，提高刀刃在復合層地質(zhì)的貫入效率。

材料上選用特殊刀圈專用的SWQH13超細化材料，強度高，韌性好；刀圈熱處理硬度控制在HRC53-55，確保刀圈的高韌性，滿足高沖擊需求。

4.4 改進滾刀壓塊固定方式

在固定滾刀的壓塊上增加凹凸槽，更有效固定滾刀。減少長距離掘進對滾刀刀箱磨損的影響，避免滾刀固定不牢而引起的非正常損壞。

圖1 舊滾刀形式

圖2 新滾刀形式

5 效果評價

此項目依托寧高二期TA01標進行研究和實際使用，該標段單線盾構(gòu)隧道全長2400m，分左右線，地質(zhì)基本為50PMa以上的全斷面安山巖（最多150MPa），優(yōu)化刀具配置前，每盤刀具可掘進153.6m，計劃平均每月進度144m，計劃貫通日期至2015年11月30日；15年9月份采用優(yōu)化刀具后現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，刀具使用效率、施工進度明顯提高。

據(jù)測算：未優(yōu)化前換刀情況，預(yù)計換刀23次，更換滾刀1035把，齒刀1288把，刮刀644把。優(yōu)化刀具配置后，每盤刀具實際掘進211.2m，每月實際進度240m以上，隧道于2015年11月7日貫通。節(jié)約工期23d，減少換刀次數(shù)3次，減少更換滾刀135把，齒刀168把，刮刀84把。

每天施工成本人工工資200元×26人=5200元，機械使用費每天2200元，節(jié)約工期23d，節(jié)約成本170200元；每把滾刀維修費用10000元，齒刀3550元，刮刀3750元，節(jié)約滾刀135把，齒刀168把，刮刀84把，節(jié)約刀具費用2261400元；累計節(jié)約2431600元。

獲得刀具專利兩項，專利號zl201521115596.6和zl201521117091.3。同時，換刀次數(shù)的減少也極大的降低了項目的安全風險。此項目研究成果可全部或單獨應(yīng)用于全斷面硬巖地質(zhì)盾構(gòu)施工掘進，社會效益顯著。

[1]周立波，編著，盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用，中國建筑工業(yè)出版社，2009，4.

[2]陳饋，洪開榮，吳學松，主編.盾構(gòu)施工技術(shù)，人民交通出版社，2009，5.