高水壓大直徑盾構(gòu)隧道刀盤配置與刀具更換關(guān)鍵技術(shù)

陳 健，薛 峰，蘇秀婷,陸 瑤，劉 濤

(1.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100；2.中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250014)

0 引言

隨著“一帶一路”倡議、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和路網(wǎng)規(guī)劃需要，穿江越海水下隧道建設(shè)日趨增多，經(jīng)驗日漸成熟。相較于其他施工方法，水下大盾構(gòu)隧道以其安全、高效等優(yōu)勢已成為水系發(fā)達地區(qū)交通建設(shè)的首選方案[1]。

進入21世紀，一大批水下大盾構(gòu)隧道的建成與運營，將水下盾構(gòu)隧道的修建技術(shù)推向了又一個高潮。從已建設(shè)完成及擬建的大直徑盾構(gòu)隧道來看，盾構(gòu)隧道的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下5個方面的特點。1)大斷面化，香港屯門隧道[2]盾構(gòu)直徑已達17.6 m。2)大深度化，美國米德湖引水隧道[3]從180 m深的豎井始發(fā)，最高水壓達到了1.5 MPa，創(chuàng)造了新的世界紀錄。3)長距離化，與陸地不同，在無法設(shè)置豎井的穿江越海區(qū)域，盾構(gòu)一次掘進距離顯著增加。4)斷面的多樣化，斷面利用更加高效。5)高智能化，盾構(gòu)技術(shù)整體呈現(xiàn)更加智能化的趨勢。目前，盾構(gòu)隧道可以用“深”、“大”、“長”、“高”、“廣”5個字描述。圍繞埋深大、大斷面、掘進距離長、高水壓、復(fù)雜地層等特點、難點，實現(xiàn)了多種地質(zhì)復(fù)合情況下的隧道快速施工，多項關(guān)鍵技術(shù)成功應(yīng)用于公路、鐵路、城市軌道交通、給排水、管廊等各個領(lǐng)域。國內(nèi)外典型大直徑盾構(gòu)隧道工程如表1所示。

表1 國內(nèi)外典型大直徑盾構(gòu)隧道工程Table 1 Typical large-diameter shield tunnels in China and abroad

水下大直徑盾構(gòu)修建的同時，也出現(xiàn)了大量技術(shù)難題，但前人多數(shù)研究都是針對單一隧道進行的，并沒有系統(tǒng)地對相關(guān)技術(shù)進行總結(jié)。本文結(jié)合國內(nèi)典型水下隧道工程，系統(tǒng)地總結(jié)了大直徑水下盾構(gòu)隧道施工的若干關(guān)鍵技術(shù)，包括：1)不同地層刀盤刀具的配置問題，如高磨蝕-密實砂卵石地層刀具磨損問題、高黏性地層結(jié)泥餅問題及土巖復(fù)合地層硬巖掘進等；2)不穩(wěn)定地層中的常壓刀盤刀具更換技術(shù)；3)高水壓地層的帶壓開艙換刀技術(shù)等。

1 盾構(gòu)刀盤刀具適應(yīng)性配置技術(shù)

盾構(gòu)刀具主要起刮松、剝離、引導土體進入土艙的作用，被稱為盾構(gòu)的“牙齒”。隨著隧道建設(shè)的推進，盾構(gòu)穿越的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜(見表2)，刀具的磨耗、破損已成為困擾盾構(gòu)施工的難題。盾構(gòu)刀具的更換像是“拔牙—鑲牙手術(shù)”，正確配置、及時更換才能使盾構(gòu)更高效地掘進。

表2 盾構(gòu)穿越不同地層典型工程Table 2 Strata conditions of typical shield projects

1.1 不同地層刀具切削機制分析

刮刀切削不同地層土體時呈現(xiàn)4種不同的流動狀態(tài)[13-14]，分別為流水型、剪切型、斷裂型和剝落型(見圖1)。

(a) 流水型 (b) 剪切型

(c) 斷裂型 (d) 剝落型圖1 不同土體流動狀態(tài)Fig.1 Flow states of different soils

在高磨蝕-密實砂卵石地層，石英砂等磨蝕性礦物含量較高，極易磨損刀盤刀具，需要經(jīng)常開艙換刀；且在高磨蝕地層掘進時，刀具一般表現(xiàn)為非正常磨損，大粒徑卵石的剝落會直接撞擊刮刀刀體，使其合金崩裂(見圖2)，磨損量也將大大提高[15]。

圖2 卵石墜落導致合金受沖擊破壞Fig.2 Impact damage of alloy caused by pebble falling

在上軟下硬的土巖復(fù)合地層中，主要通過滾刀破碎巖石，刀具配置不當極有可能造成刀圈崩裂和滾刀過度磨損(見圖3)等情況。滾刀的磨損原因主要為：1)巖層中巖石的強度高，對刀具受力性能要求極高時，滾刀磨損量明顯加大；2)刮刀遇硬巖出現(xiàn)磨損、崩裂甚至脫落，導致滾刀破巖以后不能及時將碎巖正常刮落，無法起到輔助并保護滾刀的作用；3)崩落的刮刀刀具及斷裂的滾刀刀圈、刀體等殘體在刀盤前方及土艙內(nèi)反復(fù)攪動，不能及時排出，對滾刀造成了很大的撞擊、擠壓、摩擦作用等。

圖3 刀具磨損Fig.3 Cutter wearing

1.2 高磨蝕-密實砂卵石地層刀具配置技術(shù)

1.2.1 刀具配置面臨的問題

南京長江隧道工程采用2臺φ14.93 m泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進，刀盤采用輻條-面板式結(jié)構(gòu)，配用6根主幅臂和6根副輻條臂，開口率約35%，側(cè)面寬0.48 m，原配置刀具由189把刮刀(包括118把固定刀和71把常壓可更換刀)、16把先行刀、6對周邊大鏟刀、6對小鏟刀和2把仿形刀組成，刮刀高出面板200 mm，先行刀高出面板250 mm。刀盤結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 南京長江隧道刀盤結(jié)構(gòu)Fig.4 Cutterhead structure of Nanjing Yangtze River tunnel

南京長江隧道盾構(gòu)穿越高磨蝕-密實砂卵石地層，穿越地層石英質(zhì)量分數(shù)極大(約占35%)。盾構(gòu)既有刀盤刀具在部分斷面礫砂層中掘進約270 m后出現(xiàn)刀盤及周邊刀嚴重磨損、刀具合金大面積脫落失效等現(xiàn)象，平均每50 m就需開艙換刀1次，增加了換刀風險。

對南京長江隧道盾構(gòu)刮刀的失效進行統(tǒng)計后(見表3)不難發(fā)現(xiàn)，初裝刮刀在掘進過程中，出現(xiàn)了不同程度的合金崩裂、槽內(nèi)翻轉(zhuǎn)、整體脫落等。類比國內(nèi)外礫砂-砂卵石地層盾構(gòu)刀盤刀具掘進情況可知，原刀盤刀具設(shè)計并不適應(yīng)當前地層。

表3 南京長江隧道刮刀失效統(tǒng)計Table 3 Scraper failure statistics of Nanjing Yangtze River tunnel 把

1.2.2 刀盤存在的問題及優(yōu)化措施

本工程刀盤原配置先行刀，僅在刀體中部鑲嵌3排合金柱，兩側(cè)刀體磨損后合金柱脫落，導致刀體整體進一步磨損，完全不適應(yīng)礫砂地層嚴重磨損特性。實際工程中，先行刀刀頭整個上部完全磨損，根據(jù)堆焊痕跡估計磨損約90 mm，剩余高度約165 mm，低于刮刀高度，完全失效(在部分斷面礫砂層中掘進不到300 m)。因此在先行刀兩側(cè)增加合金柱保護設(shè)置(如圖5所示)，以減少刀具磨損。

圖5 先行刀改進示意圖Fig.5 Improvement of advance cutter

另外，工程所采用刮刀由于合金截面過小，頭部過于尖銳，易受碰撞崩裂[16]。因此將合金布置及尺寸均針對砂卵石地層易撞易損的特性進行了改進?？傮w思路為：減小前角加大后角、增大合金、鈍化刀刃，改進后工程效果、刀具磨損情況大大改善，盾構(gòu)換刀的距離提升到了300 m。周邊刮刀改進如圖6所示，可更換刮刀的優(yōu)化改進如圖7所示。

1.3 高黏性地層刀具配置技術(shù)

1.3.1 刀盤配置面臨的問題

盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅是盾構(gòu)在硬塑黏土、粉質(zhì)黏土、強風化泥巖等地層中掘進時經(jīng)常遇到的工程難題。因高黏性地層具有顆粒細、黏度高的特點，在該類型地層中首先要考慮的問題是如何對盾構(gòu)刀盤進行改造以防止盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅。

揚州瘦西湖隧道所經(jīng)過的地層黏粉?？偭扛哂?0%，呈現(xiàn)中等膨脹性，是典型的高黏性地層。計劃使用為南京長江隧道工程設(shè)計的盾構(gòu)進行掘進施工，因2個工程項目的地層差異較大，需對盾構(gòu)進行適應(yīng)性改造。

1.3.2 刀盤配置優(yōu)化措施

面對高黏性地層的特點，改造前的中心刀為柱形刀具(見圖8(a))，渣土極易附著在刀具之間，形成泥餅。改造后為一體式的魚尾刀，高出刮刀切削面210 mm，可提前松動土體，增加其流動性(見圖8(b))。

(a) 原刀盤配置周邊刮刀橫截面

(b) 改進后周邊刮刀橫截面圖6 周邊刮刀改進示意圖(單位：mm)Fig.6 Schematic diagram of peripheral scraper improvement (unit:mm)

(a) 原裝刮刀 (b) 優(yōu)化改進刮刀圖7 可更換刮刀優(yōu)化改進Fig.7 Optimization improvement of replaceable scraper

(a) 改造前的中心刀 (b) 改造后的中心刀圖8 改造前、后的中心刀Fig.8 Modification of centre cutter

為解決結(jié)泥餅問題，揚州瘦西湖隧道盾構(gòu)刀盤還采用了增加流量分配系統(tǒng)的方案。在不改造盾構(gòu)中心回轉(zhuǎn)接頭和沖刷流量的前提下，對刀盤沖刷系統(tǒng)進行了改造，采用分時、分步?jīng)_刷，刀盤噴口位置如圖9所示。選取DN20管道作為噴口直徑并開展現(xiàn)場試驗，通過高壓沖刷與切削作用，可有效使大黏土塊變小，解決了高黏性地層泥水盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅的技術(shù)難題，且利于泥漿攜帶。

圖9 刀盤噴口位置Fig.9 Nozzle position of cutter

1.4 土巖復(fù)合地層盾構(gòu)刀具配置技術(shù)

1.4.1 刀盤配置面臨的問題

盾構(gòu)在高水壓土巖復(fù)合地層掘進時，面臨姿態(tài)控制難度大、掘進速度緩慢、刀具磨損嚴重等多重困難，是目前遇到的最大挑戰(zhàn)之一。

武漢地鐵8號線穿越地質(zhì)包括全斷面粉細砂層、粉細砂與膠結(jié)礫巖地層組成的上軟下硬地層等，屬于典型的土巖復(fù)合地層[17]。因此，既要防止刀盤結(jié)泥餅，又要考慮刀具的破巖能力，給盾構(gòu)刀盤刀具的設(shè)計帶來了不小的挑戰(zhàn)。

1.4.2 刀盤配置優(yōu)化措施

在南京地鐵10號線盾構(gòu)刀盤設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對高水壓條件下土巖復(fù)合地層，武漢地鐵8號線盾構(gòu)刀盤配置1/3的常壓更換刀具。刀具共347把，采用貝殼型先行刀和刮刀搭配的綜合刀具配置體系，其中，可更換先行刀8把、可更換刮刀43把、中心可更換刀10把、固定先行刀8把、固定刮刀123把、邊緣刮刀12套(共78把)。刀盤外圈4.5 m高度區(qū)域內(nèi)布置15把常壓更換雙刃滾刀。刀盤結(jié)構(gòu)如圖10所示。各種刀具的高差配置為：滾刀225 mm、刮刀185 mm、先行刀225 mm(固定式205 mm)、滾刀(先行刀)與刮刀的高差為40 mm，有效地避免了刮刀直接與硬巖接觸，同時高度差較大，也能保證在磨損較小的情況下仍然避免刮刀與硬巖接觸，保證了刮刀的壽命。

圖10 武漢地鐵8號線刀盤結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Diagram of shield cutterhead structure used in Wuhan Metro Line 8

2 不穩(wěn)定地層常壓刀盤刀具更換技術(shù)

盾構(gòu)在地層中施工掘進時，刀具的更換是不可避免的。目前高水壓大直徑盾構(gòu)隧道刀具更換主要有2種類型：常壓刀盤換刀和帶壓開艙換刀。帶壓換刀風險高，進度慢，且對人體危害較大[18]。常壓刀盤換刀所需的工作空間較大，一般運用在直徑12 m以上盾構(gòu)中。

2.1 絲杠頂推法換刀技術(shù)

南京長江隧道盾構(gòu)刀盤有72把齒刀可進行常壓更換，可更換的刀具主要由刀齒、刀座、固定螺栓、刀腔和閘門等組成(見圖11)。刀齒和刀座通過固定螺栓連接為整體，固定在刀腔內(nèi)，刀腔焊接在刀盤上，利于專用螺桿使刀齒和刀座沿刀具軸線方向在刀腔內(nèi)前后移動。

圖11 可更換刀具結(jié)構(gòu)Fig.11 Replaceable cutter structure

盾構(gòu)掘進期間，刀齒和刀座被推到最前端并固定，此時，刀齒伸出刀盤切削掌子面；檢查和更換時，刀齒和刀座整體縮回至位于刀具前端的閘門后部。關(guān)閉閘門后，閘門的前部與開挖艙聯(lián)通為高壓腔，閘門的后部與刀盤輻條聯(lián)通為常壓腔，此時，在常壓下進行刀齒的檢查、更換工作。

采用常壓刀盤換刀時，核心是利用絲杠頂推的方法實現(xiàn)常壓刮刀的更換，即刀具刀腔抽出及安裝是通過2根導向螺栓實現(xiàn)的[19]。第1代絲杠頂推法刀具更換流程見圖12。然而在實際施工過程中，由于導向桿過于單薄，當遇到?jīng)_擊時，端頭限位裝置極易損壞，導向螺栓也易疲勞破壞且該項技術(shù)所需換刀空間較大，有必要進行改進。

2.2 小空間換刀技術(shù)

南京地鐵10號線掘進時，曾遇到需要在較小的空間里完成換刀的挑戰(zhàn)。為解決這一難題，該工程應(yīng)用了高水壓條件下泥水盾構(gòu)(11 m級)小空間常壓刀盤換刀裝置及配套技術(shù)，突破了高水壓條件下小空間泥水盾構(gòu)常壓刀具更換難題，實現(xiàn)了小空間常壓刮刀更換技術(shù)[20](見圖13)。

(a) 安裝導向桿 (b) 拆除固定螺栓

(c) 退出刀具 (d) 關(guān)閉閘門、更換新刀圖12 第1代絲杠頂推法刀具更換流程Fig.12 Technical process of first generation of cutter replacement by screw incremental launching method

(a) 安裝換刀裝置 (b) 松開刀具

(c) 更換新刀 (d) 安裝新刀圖13 第2代小空間換刀技術(shù)流程Fig.13 Technical process of second generation of cutter replacement in small space

該技術(shù)在第1代更換刀具技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行了大量改進。首先，取消導向螺桿的設(shè)計，改用更安全的油缸頂推設(shè)計；其次，改進了刀頭的固定方式和安裝方式，設(shè)置了定位銷適配孔的設(shè)計，并重新設(shè)計了和換刀套筒相配套的換刀用多級油缸，大大提高工效。

改進后，刀盤由5個主刀臂和5個輔臂組成，其中，主刀臂采用空心體形式。根據(jù)刀盤刀具分布位置不同，30把先行刀和42把刮刀的刀座采用背裝式。背裝式刀具刀腔內(nèi)設(shè)置閘板，人員可在常壓下通過刀盤中心體直接進入主刀臂內(nèi)，完成常壓更換刀具。

2.3 整體套筒換刀技術(shù)

常壓刀盤換刀技術(shù)在武漢地鐵8號線中又得到了進一步改進。為降低換刀風險，提高換刀效率，采用了第3代整體套筒常壓刀盤換刀技術(shù)。

為解決高水壓條件下土巖復(fù)合地層和硬巖盾構(gòu)掘進施工難題，該工程采用了配備滾刀、齒刀互換技術(shù)的刀盤[17]。即在上軟下硬復(fù)合地層采用滾刀、先行刀、刮刀配合開挖，在全斷面軟土地層更換所有滾刀為單刃或雙刃齒刀(刀高與先行刀一致)，采用齒刀、先行刀、刮刀配合開挖，如圖14所示。

圖14 滾齒互換技術(shù)Fig.14 Interchange technology of disc cutter and serrated cutter

該技術(shù)的成功運用大大提高了大直徑泥水盾構(gòu)的掘進效率，合理換用滾刀和齒刀增加了刀具的使用壽命，節(jié)約了換刀成本。

常壓滾刀、齒刀互換時首先將盾構(gòu)停機，將刀盤轉(zhuǎn)動到指定位置，并用新制泥漿置換泥水艙中的渣土。換刀過程主要分為刀筒的拆卸和安裝。盾構(gòu)刀盤采用特定的類型——常壓進艙式刀盤，利用刀具刀腔前后兩端的閘門實現(xiàn)泥水艙高壓區(qū)域和刀盤中心常壓區(qū)域的聯(lián)通和隔離。施工人員可以進入到刀盤中心的中空區(qū)域，再經(jīng)過聯(lián)通—半抽出—隔離—泄壓—抽出等一系列操作后，將抽出的刀筒放置在常壓區(qū)域進行滾刀和齒刀的磨損檢測和更換。

第3代整體套筒換刀流程如圖15所示，需要用到的輔助工具有：刀筒托架、刀筒套箍、伸縮油缸、油缸支架、內(nèi)六角螺栓和壓力表。

整體套筒常壓刀盤換刀技術(shù)適用于復(fù)雜的地層環(huán)境，可以針對不同地質(zhì)條件及時選擇相應(yīng)的刀具配置，從而確保盾構(gòu)掘進的高效率和刀具的低磨損。

3 高水壓-強透水地層帶壓開艙技術(shù)

穿江越海盾構(gòu)隧道中，當盾構(gòu)停機時，常位于高水壓(>0.5 MPa)、強透水(滲透系數(shù)>10-2cm/s)的復(fù)雜地層，并不具備常壓開艙施工條件,無法避免帶壓進艙作業(yè)。帶壓換刀風險高、進度慢，且對人的健康危害較大[18]。

帶壓進艙作業(yè)可以分為常規(guī)壓縮空氣作業(yè)和飽和潛水帶壓進艙作業(yè)2種。前者適用于深度不大、壓力不太高、作業(yè)時間不太長的條件，后者適用于大深度、高氣壓、長時間作業(yè)的條件。

3.1 常規(guī)壓縮空氣帶壓進艙作業(yè)

南京長江隧道是我國較早采用常規(guī)壓縮空氣開艙-帶壓換刀技術(shù)的典型工程。盾構(gòu)掘進至江底53.25 m處時，出現(xiàn)刀盤、刀具嚴重磨損無法繼續(xù)掘進的情況[21]。

(a) 伸出油缸，松開刀筒螺栓 (b) 收回油缸 (c) 關(guān)閉閘門

(d) 將油缸完全收回 (e) 拆除油缸支架 (f) 更換刀具圖15 第3代整體套筒換刀流程Fig.15 Technical process of third generation of cutter replacement with overall sleeve

為保證壓氣作業(yè)時地層的閉氣性，工程先用密度較小、黏度較低的純膨潤土泥漿向開挖面內(nèi)大量滲透，再將壓力艙內(nèi)的泥漿置換為膨潤土泥漿和黏土泥漿的混合泥漿以形成致密閉氣泥膜。形成泥膜后，降低泥漿液面3 m，換以壓縮空氣[22]。

刀具更換前，換刀作業(yè)人員進入人閘加壓，隨后在泥水艙中進行換刀作業(yè)。每次有效作業(yè)時間為45～60 min，工作效率約為50%。其作業(yè)流程如圖16所示，人員退出后恢復(fù)泥漿液面[23]。

圖16 常規(guī)壓縮空氣帶壓進艙作業(yè)流程Fig.16 Conventional operation flowchart of entering chamber with compressed air pressure

此外，氣壓條件下作業(yè)人員加減壓病的防治，也是該技術(shù)的另一個關(guān)鍵問題。由于帶壓開艙換刀作業(yè)時，作業(yè)人員每次任務(wù)都需要經(jīng)過一個加壓程序(一般10～20 min)，完成刀盤、刀具檢修和更換作業(yè)后，也需要在人艙內(nèi)經(jīng)過一個減壓流程(一般2～3 h)才能出艙。頻繁經(jīng)歷加壓和減壓過程，易導致作業(yè)人員出現(xiàn)加壓或者減壓病癥。因此，常規(guī)壓縮空氣開艙—帶壓換刀技術(shù)并不太適合工作量較大的換刀作業(yè)。

3.2 飽和潛水帶壓進艙作業(yè)

飽和潛水帶壓換刀需在盾構(gòu)上配備飽和高壓生活艙、人員穿梭轉(zhuǎn)運艙等特殊設(shè)備。

在換刀工作期間，作業(yè)人員只需要通過1次加壓過程，在高壓生活艙中休息待命以及刀盤作業(yè)面前進行工作，作業(yè)完后同樣只需要通過1次減壓過程即可返回常壓。因此，相對于常規(guī)壓縮空氣換刀，飽和潛水換刀可適用于較高水土壓力的地層，同時無需多次加減壓，工效提高較多。采用飽和潛水帶壓換刀作業(yè)時，1次工作時間可達6～8 h，工作效率是常規(guī)帶壓換刀作業(yè)的8～10倍；且飽和艙可以供人居住3周左右，有效降低了患減壓病的概率。其作業(yè)流程如圖17所示。

圖17 飽和潛水帶壓進艙作業(yè)流程圖Fig.17 Operation flowchart of entering chamber with saturated diving pressure

南京揚子江隧道應(yīng)用該技術(shù)時，在0.63 MPa氣壓條件下，作業(yè)人員可1次進艙工作4 h。由于飽和氣體帶壓換刀的適用性及高效性，總計采用該方法進行了240次作業(yè)，更換滾刀及刮刀300余把[24]。

4 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了大直徑盾構(gòu)隧道的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題，闡述了我國高水壓大直徑盾構(gòu)隧道施工時不同地層刀盤刀具的配置和刀具更換。主要得出以下結(jié)論：

1)大直徑盾構(gòu)刀盤刀具的合理配置是減少刀具更換的前提。目前，大直徑水下盾構(gòu)在高磨蝕密實砂卵石地層、高黏性地層、高水壓土巖復(fù)合地層等多種地層中實現(xiàn)了成功穿越，積累了不同地層刀盤刀具配置的經(jīng)驗，可為類似工程提供參考。

2)大直徑水下盾構(gòu)在刀具更換方面實現(xiàn)了小空間常壓刀盤換刀等多項技術(shù)，并進行了多次改良。帶壓換刀技術(shù)也得到了更好的改進，提高了盾構(gòu)掘進的效率。

面對穿江、河、湖及越海超大斷面水下深埋隧道，盾構(gòu)隧道修建將面臨“三超”施工難題，即超高水壓、超長距離和超大直徑。在愈加復(fù)雜的環(huán)境中，如何高效安全地解決上述難題成為研究的方向與重點。

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