復(fù)合地層中超大直徑泥水盾構(gòu)刀盤刀具選型設(shè)計研究

張旭

（南京市公共工程建設(shè)中心，南京 210019）

1 引言

21 世紀，隨著我國城市化發(fā)展進程的加快，地下空間開發(fā)與利用已逐漸提上日程，在城市鐵路、地鐵、管廊等地下施工建設(shè)中，盾構(gòu)隧道也將得到越來越多的應(yīng)用[1～3]，超大直徑泥水盾構(gòu)機因其適用于各種復(fù)雜地層的施工特點逐漸被人們所采納。盾構(gòu)機穿越復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境時配置可常壓更換刀具式復(fù)合刀盤可以更好地保證盾構(gòu)機的掘進效率，為此，刀盤刀具的合理選型設(shè)計是確保盾構(gòu)機連續(xù)掘進的關(guān)鍵因素。

目前，國內(nèi)眾多專家闡述了刀盤開口率的影響因素。

綜上，國內(nèi)專家已多次針對超大直徑泥水盾構(gòu)刀盤選型設(shè)計進行分析研究，可見刀盤選型設(shè)計的關(guān)鍵性。本文主要依托于南京建寧西路過江通道復(fù)合地層下盾構(gòu)機刀盤刀具選型設(shè)計進行研究，為后續(xù)國內(nèi)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工提供相關(guān)經(jīng)驗。

2 工程簡介

南京建寧西路過江通道位于南京長江大橋和揚子江隧道之間，距離上游的揚子江隧道約1.8 km，距離下游的長江大橋約2.4 km。采取盾構(gòu)隧道形式由江北始發(fā)穿越長江，左線隧道盾構(gòu)段平面長度為2 349.066 m，共設(shè)置管片環(huán)1 174 環(huán)；右線隧道盾構(gòu)段平面長度為2 361.782 m，共設(shè)置管片環(huán)1 180 環(huán)。根據(jù)盾構(gòu)隧道工程地質(zhì)條件采用氣墊式泥水平衡盾構(gòu)機進行施工，隧道外徑14.5 m，盾構(gòu)段最大縱坡為4.5%，最小轉(zhuǎn)彎半徑為1 100 m。江中段最小覆土厚度10.55 m，江中最大壓力達770 kPa。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，盾構(gòu)段穿越主要地層有粉砂層、上軟下硬砂卵石復(fù)合層、上軟下硬土巖復(fù)合層和粉質(zhì)黏土層。在地層中主要含有粉砂、圓礫、中（強）風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖夾礫巖、斷層破碎帶（泥巖+ 白云巖）、粉質(zhì)黏土夾粉砂，以及小范圍單軸抗壓強度最大達125 MPa 的中風(fēng)化白云巖等。

3 刀盤刀具面臨的主要難題

3.1 盾構(gòu)機穿越復(fù)合地層

隧道江中段存在復(fù)合地層共約770 m，斷層破碎帶約310 m，同時包含上軟下硬地層，地層強度差異大，巖土層種類較多，地質(zhì)復(fù)雜，在掘進過程中容易使刀盤及主軸承的受力不均，導(dǎo)致偏磨、崩齒、滾刀軸承斷裂以及抽刀困難等現(xiàn)象。同時，土巖復(fù)合地層中對刀盤刀具的磨損大大增加，常壓換刀頻繁，也增加了常壓換刀的風(fēng)險和難度。

3.2 盾構(gòu)機穿越堤防抗滑樁

盾構(gòu)機在下穿長江南岸堤防時需切除抗滑樁，樁徑為φ900 mm，長45 m，主筋φ20 mm，箍筋φ10 mm，其中，左線侵入隧道斷面9 根，右線入侵隧道斷面10 根（見圖1）。刀盤切削抗滑樁的混凝土和鋼筋結(jié)構(gòu)時，首要的問題是刀具對鋼筋的切斷能力能有效切斷鋼筋，避免鋼筋纏繞刀盤或卡入刀盤切口環(huán)處；其次是刀具對混凝土的切削能力能輕易破碎混凝土樁基，減少在切樁過程中更換常壓刀具的次數(shù)，盡量避免帶壓進倉作業(yè)。

圖1 盾構(gòu)機切樁范圍

3.3 刀盤泥餅問題

根據(jù)工程地質(zhì)勘探結(jié)果，盾構(gòu)隧道后段存在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層，此地層的特性易使刀盤面板堆積泥餅，導(dǎo)致刀盤扭矩增大，溫度升高，極大影響掘進效率。

4 刀盤刀具的適應(yīng)性要求

在不同的地層采用復(fù)合刀盤以及可變化的刀具布置形式，是保證刀盤刀具能適應(yīng)地質(zhì)情況、不發(fā)生非正常磨損而導(dǎo)致無法掘進的重要因素。

根據(jù)本工程的工程地質(zhì)特點，對刀盤刀具提出的適應(yīng)性要求如下：刀盤刀具配置能滿足穿越軟硬不均復(fù)合地層、切割堤防抗滑樁等適應(yīng)性要求；具備常壓換刀，以及滾刀與齒刀互換的能力；具備盾構(gòu)刀盤、刀具磨損自動監(jiān)測功能；采用合適的開口率和可沖洗裝置，避免結(jié)泥餅。

5 刀盤選型設(shè)計

5.1 常壓換刀設(shè)計

本工程盾構(gòu)隧道區(qū)間主要穿越粉砂層、軟硬不均卵石和硬巖層、斷層破碎帶和切割堤防抗滑樁等復(fù)合地層，盾構(gòu)機穿越復(fù)合地層時刀盤刀具的磨損會比較嚴重，又由于盾構(gòu)在江底進行掘進，埋深大、水壓高，開挖面土體自穩(wěn)性差，高壓進倉換刀風(fēng)險很大。為了適應(yīng)盾構(gòu)區(qū)間高水壓以及復(fù)合地層的情況，盾構(gòu)機選用可常壓換刀的復(fù)合刀盤設(shè)計形式。

5.2 刀盤耐磨及磨損檢測

盾構(gòu)機在復(fù)合地層中，由于受力不均或者刀具檢查不及時，可能會導(dǎo)致刀盤面板被磨損，刀盤面板的磨損在盾構(gòu)機掘進過程中是不可逆的，江底修復(fù)受損刀盤難度巨大，經(jīng)濟上的損失也是巨大的。所以，在盾構(gòu)機設(shè)計制造時期需考慮刀盤的保護問題。

刀盤的保護一般分為2 種：一種是加強刀盤的耐磨設(shè)計，提高刀盤的使用壽命，最常見的設(shè)計是刀盤面板正面焊接大塊耐磨鋼板以及刀盤邊緣及兩側(cè)區(qū)域焊接硬質(zhì)合金耐磨塊；另一種是在刀盤上設(shè)置磨損檢測裝置，在刀盤面板每個主臂上方制作1 層焊接保護板，保護板下方設(shè)置保壓液壓油，在盾構(gòu)機掘進過程中，一旦磨損到保護板高度時，保壓液壓油會自動泄壓，壓力變化直接反饋至盾構(gòu)機內(nèi)部監(jiān)測系統(tǒng)，即可知道刀盤磨損情況（見圖2）。

圖2 刀盤磨損檢測示意圖

5.3 刀盤開口率設(shè)計和沖刷設(shè)計

盾構(gòu)機刀盤開口率一般是指刀盤開口區(qū)域與刀盤總面積的比值。刀盤開口率的大小直接制約了盾構(gòu)切削的能力，同時大的刀盤開口率也使刀盤中心塊不易出現(xiàn)泥餅堆積，渣土導(dǎo)流性較好。根據(jù)本工程的復(fù)合地質(zhì)條件和設(shè)備配合，刀盤開口率應(yīng)設(shè)計為30%以上，更有利于刀盤的切削和渣土的流動。

為了防止刀盤中心部位泥餅的形成，盾構(gòu)機配置沖刷泵對刀盤面板和輔臂各配置6 個沖刷口進行沖刷，同時，通過6 把中心滾刀對刀盤中心面板進行持續(xù)沖刷（見圖3），可大大降低泥餅的堆積概率，提高盾構(gòu)機的掘進效率。

圖3 刀盤中心沖刷示意圖

6 刀具適應(yīng)性設(shè)計

6.1 滾刀與齒刀互換

在大直徑盾構(gòu)機的工作機理上，盾構(gòu)刀具分為軟土刀（刮刀）和硬巖刀（滾刀）。其中，刮刀是刮削工作方式，適用于淤泥、黏土、砂層、強風(fēng)化巖層等地層，若用于硬巖使用，則壽命很難超過幾米甚至幾十厘米，并且效率極低。而滾刀是利用刀刃擠壓破巖，當?shù)度袑δ滁c巖石施加的壓力超過巖石的最大承受能力時，巖石就會成塊崩裂。同時滾刀不斷滾動，實現(xiàn)連續(xù)破巖。

在盾構(gòu)機穿越復(fù)合地層時，既有軟土地層，也有硬巖地層，刀盤無法在江底改變切削形式，所以，配置具有滾刀和齒刀互換功能的刀盤是應(yīng)對復(fù)合地層掘進的有效設(shè)計。

6.2 刀具布置

刀盤在切削穿越復(fù)合地層時，滾刀設(shè)計更小的刀間距，以及布置更多的滾刀刀具才能滿足盾構(gòu)機掘進的需要。同時，刀盤配備常壓可更換滾刀、常壓可更換刮刀、固定式刮刀以及超挖刀等多種刀具，便于在各地層中發(fā)揮各類刀具的優(yōu)點，提高盾構(gòu)機掘進效率。

6.3 刀具切樁

根據(jù)長江南岸堤防抗滑樁的結(jié)構(gòu)和特點，為避免對抗滑樁造成較大的擾動，以及確保盾構(gòu)施工安全，在盾構(gòu)機穿越抗滑樁的過程中，主要對刀具的形式進行優(yōu)化。結(jié)合抗滑樁的特性，刀盤常壓刀具可針對性地設(shè)計切混凝土撕裂刀（見圖4）進行切樁。

圖4 切混凝土撕裂刀設(shè)計

切混凝土撕裂刀的設(shè)計刀頭兩端合金采用大圓角可以避免合金因碰撞而導(dǎo)致的尖角破損，較窄的刃部便于切入并劃開混凝土，起到先行撕裂破碎的作用，同時，利用刀盤自身旋轉(zhuǎn)扭矩和推力拗斷鋼筋。合金間母材開槽鑲嵌硬質(zhì)合金，使刀具頂部全部由合金覆蓋，充分保證刀具的耐磨性。同時，刀具需破碎樁基同時扯斷其中的鋼筋，因此，采用厚度較大的刀頭增加刀具的強度，減少刀頭拉扯變形或斷裂的可能。使用撕裂刀進行切削抗滑樁時需注意盾構(gòu)機的掘進參數(shù)變化，及時進行刀具檢查，避免刀盤受損。

6.4 刀具磨損監(jiān)測

為便于掌控刀具在盾構(gòu)機掘進過程中的磨損程度，配置刀具磨損監(jiān)測裝置，可及時發(fā)現(xiàn)刀具較大的磨損，為常壓換刀及盾構(gòu)機掘進參數(shù)的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

刀具磨損監(jiān)測一般分為3 類：刮刀磨損監(jiān)測、滾刀磨損監(jiān)測、滾刀轉(zhuǎn)動監(jiān)控系統(tǒng)。

刮刀磨損監(jiān)測安裝在刮刀內(nèi)刀筒中，為傳感器監(jiān)測，可更換重復(fù)使用。其工作原理為當刮刀磨損到一定程度時，通過傳感器監(jiān)測刀具的磨損程度反饋至盾構(gòu)機操作室。

滾刀磨損監(jiān)測集成在每個滾刀刀具的刀筒上，為液壓可重復(fù)式監(jiān)測。其原理為當?shù)毒吣p到液壓磨損監(jiān)測點時，磨損監(jiān)測點被磨損，內(nèi)部液壓油泄壓，盾構(gòu)機操作室實時反饋數(shù)據(jù)，作為判斷刀具需更換的依據(jù)。

滾刀轉(zhuǎn)動監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測每把滾刀的旋轉(zhuǎn)，如果在掘進過程中，滾刀有一個刀刃不再旋轉(zhuǎn)，那么操作人員可以在主控室內(nèi)看到，根據(jù)需要可停止掘進進行換刀。該系統(tǒng)的好處是可以在早期發(fā)現(xiàn)刀具出現(xiàn)的問題，防止對刀具、刀具支座和刀箱的損害。

7 結(jié)語

盾構(gòu)機設(shè)計制造前，根據(jù)工程地質(zhì)情況和工程特點，提前預(yù)判盾構(gòu)機掘進過程中對刀盤刀具的影響，對刀盤刀具進行合理選型，是盾構(gòu)機順利掘進的必要前置條件之一。

通過對刀盤刀具的刀間距設(shè)計以及刀具的配置，增強刀盤整體的破碎和切削能力，在復(fù)合地層中能起到更高效的掘進效果，確保盾構(gòu)機的穩(wěn)步掘進。盡可能地增大刀盤開口率以及對刀盤中心沖刷進行合理布局和設(shè)計，能起到更好的渣土導(dǎo)流作用，同時對防止泥餅的堆積也更為有效。