復(fù)合地層盾構(gòu)刀具磨損控制探索

母永奇

中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001

1 工程概況

某地鐵工程上下行單線長度為1100.219m，洞身范圍穿越的地層主要有<5F-1>稍密～中密粉土層、<5N-2>硬塑殘積粉質(zhì)黏土層、<5F-1>稍密～中密粉土層、<8-1>含礫砂巖。大部分區(qū)間盾構(gòu)洞身范圍內(nèi)中上部地層為軟土或全強(qiáng)風(fēng)化巖層，中下部為中風(fēng)化、微風(fēng)化巖層，巖土強(qiáng)度軟硬不均，屬于典型的上軟下硬復(fù)合地層。區(qū)間地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 地質(zhì)剖面圖

2 盾構(gòu)穿越復(fù)合地層刀具磨損分析

2.1 刀具磨損情況

開展隧道上行線復(fù)合地層盾構(gòu)施工時，根據(jù)觀測，在掘進(jìn)到上軟下硬復(fù)合地層30m位置時盾構(gòu)機(jī)刀具就已產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的磨損問題，盾構(gòu)作業(yè)量為完成掘進(jìn)作業(yè)。經(jīng)開艙檢查后確定，盾構(gòu)機(jī)刀具普遍存在偏磨問題，特別是周邊滾刀位置，甚至部分刀具的刀刃已產(chǎn)生崩裂脫落問題。

考慮到盾構(gòu)機(jī)施工特點和該地鐵上行線的施工實際，可以確定的是，在下部巖層位置開展掘進(jìn)作業(yè)時，由于巖層強(qiáng)度大，刀具最外圈刀切削軌跡線長，故刀具磨損情況嚴(yán)重。產(chǎn)生刀具偏磨問題的最根本原因是在刀具切削過程中產(chǎn)生了高溫?zé)崃?，產(chǎn)生的高溫?zé)崃繒故┕さ都苤車酿ね涟l(fā)生固結(jié)，影響滾刀作業(yè)，甚至導(dǎo)致滾刀無法自傳啟動。在刀具存在偏磨現(xiàn)象的情況下，刀具的單邊刀刃會逐漸出現(xiàn)磨損，量變引發(fā)質(zhì)變，若在掘進(jìn)施工中遇到強(qiáng)度大的巖層，刀刃就會出現(xiàn)崩裂脫落。刀刃磨損脫落后，由于刀盤外側(cè)刀具切削軌跡長，刀盤外側(cè)刀具就會出現(xiàn)磨損，最終影響到刀盤中心[1]。

2.2 刀具磨損后掘進(jìn)參數(shù)異常

操作手嚴(yán)格按照操作規(guī)范操作盾構(gòu)機(jī)，掘進(jìn)到均勻黏土地層時，盾構(gòu)機(jī)各項設(shè)備均處于正常狀態(tài)，掘進(jìn)參數(shù)也未出現(xiàn)異常，如掘進(jìn)速度為35mm/mim、盾構(gòu)刀盤扭矩為3000kN·m，盾構(gòu)土艙壓力波動穩(wěn)定，掘進(jìn)作業(yè)順利穩(wěn)定開展。然而，在掘進(jìn)到復(fù)合地層，實施短距離盾構(gòu)掘進(jìn)時，掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)明顯異常，刀盤扭矩達(dá)4500kN·m，總推力高達(dá)29000kN，盾構(gòu)土艙溫度和壓力升高，產(chǎn)生了劇烈變化。除此之外，掘進(jìn)速度低于設(shè)計值，采取往土艙注水或注入膨脹土等措施后，土艙土壓異常波動，上升速度較快，整個土艙內(nèi)部壓力不一致，下部土壓力小于中部土壓力，并且在中止掘進(jìn)作業(yè)后，土艙土壓力還是無法達(dá)到設(shè)定值，呈負(fù)壓。

2.3 刀具磨損后盾構(gòu)出土異常及地表塌陷

盾構(gòu)機(jī)刀盤滾刀出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象會直接影響切削作業(yè)，改變原設(shè)計的切削機(jī)理，降低切削效率，導(dǎo)致無法對大塊巖塊進(jìn)行切削處理，并且嚴(yán)重時會使石塊滾入土艙內(nèi)，堵塞螺機(jī)出土口，影響螺機(jī)的正常作業(yè)，導(dǎo)致螺機(jī)出現(xiàn)卡死問題。此外，在復(fù)合地層實施盾構(gòu)時，若盾構(gòu)刀具存在嚴(yán)重磨損、土艙滾入了大塊巖塊、螺旋輸送機(jī)出土口卡死及土艙土壓力無法達(dá)到設(shè)定值，就會加大土壓平衡控制的難度，處理不恰當(dāng)時會引發(fā)地面沉降和地面坍塌事故。

3 刀具嚴(yán)重磨損工況下的處理措施

為了順利開艙，以便處理刀具磨損問題，多采用氣壓法或者進(jìn)行地基加固，輔助常壓法來處理盾構(gòu)正面土體。根據(jù)該地鐵工程的地質(zhì)勘察資料，復(fù)合地層上部土體的穩(wěn)定性較差，且盾構(gòu)開挖作業(yè)面與地面之間有聯(lián)通的泄壓通道，則采用地基加固，輔助常壓法處理盾構(gòu)正面土體。針對非預(yù)見性刀盤和刀具磨損問題，應(yīng)選擇在盾構(gòu)刀具切口區(qū)域位置實施處理，采用鋼板止水樁的施工工藝，隔離非預(yù)見性刀盤和盾構(gòu)正面土體，再實施加固，填充止水材料應(yīng)選擇克泥效。

為了確保順利進(jìn)行，避免影響盾構(gòu)土體的穩(wěn)定性，應(yīng)選擇垂直鉆桿后退注漿法作為鋼板樁外側(cè)的施工工藝。這種分層壓密注漿方案優(yōu)勢突出，布孔快捷，同時不占用過多地面空間，加固效果好。采用雙液作為垂直鉆桿回抽注漿作業(yè)的注漿材料，嚴(yán)格按照實驗室提供的配比拌制施工材料，每立方米注漿液中各個原材料的用量為水泥0.6t、水玻璃0.2t、粉煤灰0.2t、水1t[2]。

在拌制雙液漿時，添加適量的粉煤灰能夠有效提升漿液的穩(wěn)定性，確保加固土體強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，避免加固土體的強(qiáng)度超出設(shè)計值而降低盾構(gòu)殼體的包裹效果。垂直鉆桿回抽注漿方法的注漿標(biāo)高從盾構(gòu)土體正上方3m到巖層面，長、寬分別為5.9m和9.46m，寬度由左右盾構(gòu)體總值決定。根據(jù)工程施工需要，加固樁直徑為1500mm，與樁中心的距離為1000mm，與軸線方向中心的距離為1200mm，強(qiáng)度為1.0MPa?？紤]到施工特點和刀具磨損問題，針對地面冒漿加固區(qū)的情況，決定采取地面防冒漿技術(shù)進(jìn)行加固處理，具體情況如圖2所示。

圖2 加固區(qū)縱剖面圖（單位：m）

做好開艙準(zhǔn)備后，對艙內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行檢查，判斷無有害氣體后，即可安排操作人員進(jìn)入土艙，清理艙內(nèi)，尤其是螺旋機(jī)輸土口位置的大塊巖石；清理盾構(gòu)刀具，檢查刀具情況，對刀具進(jìn)行編號，如實記錄各編號刀具的磨損情況；整理數(shù)據(jù)和資料，把握刀具磨損情況，明確需要實施換刀的刀具類型和具體編號。

同時，安排技術(shù)人員開展換刀作業(yè)，不得一次性拆除多把刀具，應(yīng)拆除一把，更換一把，更換完成后由工程師驗收，驗收合格后即可關(guān)閉土艙艙門，試轉(zhuǎn)刀盤。若刀具參數(shù)沒有達(dá)到設(shè)定值，則應(yīng)再次進(jìn)入土艙進(jìn)行處理，復(fù)緊刀具，確保盾構(gòu)機(jī)各項參數(shù)均符合設(shè)計要求。完成以上工作，并確定盾構(gòu)機(jī)各項參數(shù)均達(dá)到設(shè)定值后，操作人員即轉(zhuǎn)移檢修設(shè)備、拆除鋼板，并及時回填人工渣土。

4 后續(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)優(yōu)化措施

更換完磨損刀具后，操作手可操作盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)穿越復(fù)合地層，完成剩余上行線盾構(gòu)作業(yè)以及下行線盾構(gòu)作業(yè)，并且從以下四個方面入手改善后續(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)施工。

4.1 開挖面前方土體改良

為了更好地控制盾構(gòu)滾刀磨損量，盾構(gòu)復(fù)合地層時，將預(yù)先注入品質(zhì)優(yōu)良、配比恰當(dāng)?shù)呐菽瓌﹂_挖作業(yè)面前方土體進(jìn)行改良，遵循30～50L/環(huán)的注入標(biāo)準(zhǔn)。對開挖作業(yè)面前方土體實施改良能夠有效改善土體的流動性，避免刀盤溫度過高而產(chǎn)生土層固結(jié)的問題。同時靈活應(yīng)用刀盤正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)功能，利用刀盤加泥加水系統(tǒng)，在后續(xù)上下行復(fù)合地層掘進(jìn)中向刀盤前方注入冰水，控制刀盤和開挖作業(yè)面的問題[3]。

4.2 盾構(gòu)掘進(jìn)貫入度控制

嚴(yán)格按照設(shè)計要求控制盾構(gòu)掘進(jìn)貫入度，采用低貫入度掘進(jìn)模式，調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)速度，將其控制在3～10mm/min，穩(wěn)步開展后續(xù)復(fù)合地層掘進(jìn)作業(yè)，同時關(guān)注刀盤扭矩等刀具參數(shù)情況，若刀具參數(shù)出現(xiàn)異常應(yīng)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)或停機(jī)處理，保證刀盤扭矩等參數(shù)符合設(shè)定值。

4.3 盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速控制

在該工程的盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，刀盤轉(zhuǎn)速最佳值為1r/min，科學(xué)的刀盤轉(zhuǎn)速能夠避免刀盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大的問題，防止出現(xiàn)刀具磨損現(xiàn)象，并且能夠優(yōu)化刀具單次切削貫入度，保證切削機(jī)理和切削效果。

4.4 增強(qiáng)刀具耐磨性能

根據(jù)該工程的地質(zhì)勘察報告，針對復(fù)合地層上軟下硬的地質(zhì)，將從多個角度入手，增強(qiáng)刀具的耐磨性能，在后續(xù)復(fù)合地層穿越掘進(jìn)施工中選擇在下行線穿越前更換中心及周邊滾刀。采取以上優(yōu)化措施后，經(jīng)檢查，在后續(xù)上行線盾構(gòu)穿越上軟下硬復(fù)合地層15m后，滾刀磨損量未超出安全范圍，周邊及中心滾刀磨損量分別為8mm、5mm；在下行線盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，滾刀磨損量同樣未超出安全范圍，周邊及中心滾刀磨損量分別為10mm、6mm。

5 結(jié)束語

綜上所述，雖然在隧道掘進(jìn)施工中無法杜絕盾構(gòu)機(jī)刀具的磨損問題，但可以采取改進(jìn)及優(yōu)化策略，控制滾刀磨損量。文章立足盾構(gòu)刀具磨損情況，提出了優(yōu)化措施，希望能夠為類似工程提供參考。