基于地層巖性的土壓平衡盾構機刀盤設計研究

李天明　王瑩

摘 要：分析了廣州地鐵某隧道地層巖性的現(xiàn)狀，對其盾構施工條件進行了評價，針對地質情況設計了土壓平衡盾構機的刀盤刀具，總結出土壓平衡盾構機刀盤刀具的配置特點。

關鍵詞：土壓平衡盾構機；地層巖性；刀盤；刀具

盾構機是暗挖地下隧道的專用工程機械，可以進行開挖、支護、襯砌等多種作業(yè)一體化施工，被廣泛應用于地鐵、鐵路、公路、市政管網(wǎng)等隧道工程建設。土壓平衡盾構機掘進過程中會遇到不同地層，從淤泥、粘土、砂層到軟巖及硬巖等，開挖過程中受力十分復雜，工作環(huán)境惡劣[1]，所以根據(jù)地層巖性研究刀盤刀具是非常有意義的。

1 工程概況及地層巖性分析

廣州地鐵某隧道設計為雙線圓形隧道，隧道內(nèi)徑為5400mm，外徑6000mm。隧道分為三個區(qū)間。

盾構一區(qū)間上覆第四系為人工填土層、沖積-洪積砂層、土層、淤泥質土和殘積土層，其中砂層在東湖范圍厚度較大，軟土埋藏在淺部，且厚度較薄，殘積土層在東湖一帶缺失，在東山口一帶則厚度較大。下伏基巖白堊系上統(tǒng)東湖段河西濠段紅色碎屑巖，風化程度不均一，軟硬夾層較多。巖性為棕紅色，紫紅色，巖性為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖夾薄層狀泥灰?guī)r。

盾構二區(qū)間上覆第四系土層厚度為5.50米-13.20米，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)大 山組三元里段碎屑巖，上部軟硬夾層較多，巖面略有起伏。巖性主要為雜色礫巖夾暗紫紅色粉細砂巖、礫巖與粉細砂互層；本區(qū)段盾構隧道部分地段通過微風化礫巖，其抗壓強度較高，最大值達62.2MPa。

盾構三區(qū)間上覆第四系土層厚度變化較大，厚度為5.30-18.40米，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)大 山組黃花崗段地層，風化較強烈且不均一，軟硬夾層較多，巖面起伏較大。巖性主要為紫紅色泥巖、泥質粉砂巖，夾含礫粉細砂巖，局部石灰?guī)r和石膏。

2 盾構段巖土工程條件分析評價

根據(jù)勘察資料，盾構一區(qū)間隧頂埋藏標高約為-13～-19m，埋深約20-26m，根據(jù)工程地質斷面圖隧道在巖層中掘進。由于軟硬夾層較多，同時由于紅色碎屑巖為泥鈣質膠結，應采取一定的碴土改良措施，防止形成泥餅。

盾構二區(qū)間隧道結構頂板埋藏深度約21-27m。根據(jù)工程地質斷面圖，隧道大部分地段在微風化巖層中通過，圍巖性質相對較好。本段盾構隧道部分地段通過微風化礫巖，其抗壓強度較高，最大值達62.2MPa，盾構機掘進時，應注意刀盤的選擇。

盾構三區(qū)間隧道頂板埋深約17-22m。隧道大部分地段通過巖石全風化帶和強風化帶，屬Ⅱ-Ⅲ類圍巖，對盾構施工較為有利。但由于本區(qū)間軟硬夾層較多，盾構施工時應注意刀具的選型和刀盤的選擇，以及保證良好的碴土改良系統(tǒng)。

3 刀盤的設計

根據(jù)巖土情況，設計刀盤具有一般的土壓平衡特點，并適合于在巖石條件下開挖。開挖直徑6280mm。

刀盤由6個輻條和6個鋼板組成。每個輻條兩邊安裝刮刀。這些刀具用于在軟土或軟巖條件下進行切割。通常軟巖硬度限制大約為40MPa，但是這些刮刀能夠切碎60MPa的硬巖，但只可用于很短一段隧道的開挖。在硬巖中掘進時要根據(jù)情況更換一定數(shù)量的滾刀。

刀盤外表面焊接有硬化防磨保護層，并有以下特點：最終硬度從52 到56HRc；工作溫度T°<100°C；用于承受沖擊負荷的結構表面的硬化面層；硬化面層具有高的抗磨損性能。

刀盤的構造、布局、刀盤開口的設計和刀具的布置充分考慮了渣土的流動性，避免刀盤渣土通道被堵塞，減少刀盤的磨損。

所有的刀具以及滾刀都能從開挖室里刀盤的背面進行拆卸和更換。撕裂刀和盤形滾刀可互換安裝。在刀盤后部支撐隔板的左側中部有專門更換刀具的倉門，配備起吊機具及平臺，便于刀具運輸和換刀的操作；人倉內(nèi)配備可拆卸的運輸?shù)毒叩膯诬壛?，在管片安裝機上配備可拆卸的吊運刀具的手動裝置。

4 刀具的設計

土壓平衡盾構機的刀盤根據(jù)地質條件的不同一般分軟土和硬巖兩種刀盤布置形式，軟土區(qū)刀盤的布置形式是以齒刀為主輔以邊緣滾刀和刮刀，硬巖刀盤的布置形式是以滾刀為主輔以刮刀。

刮刀用來切割未固結的土壤。可以將開挖面的土壤剝離下來。刮刀的寬度使得每把刀的切割軌跡之間有一定的重疊。刮刀上鑲有碳化鎢刀刃，目的是為了更好地防止開挖過程中產(chǎn)生磨損。刀體由經(jīng)過機加工的碳鋼制成，刀刃由用銅焊焊在刀體凹槽中的碳化鎢鑲嵌塊構成。刀體上可能與開挖面發(fā)生摩擦的其他表面由硬化面層加以保護。切刮刀安裝在焊在刀盤輻條兩側的支架上，不需要在開挖面上挖一個深孔便可以拆卸一把刀或安裝一把新刀。

滾刀在推力的作用下貫入巖層，同時在開挖面巖石阻力的作用下隨刀盤做同心圓滾動，巖石被擠壓，形成擠壓切槽，并在小半徑范圍內(nèi)將擠壓裂紋延伸到周圍的巖石，最終在刀盤推力作用下擠壓切槽兩邊的巖石呈片狀破碎。刀盤上裝備有用于安裝17″單刃滾刀及雙刃滾刀（僅中心滾刀為雙刃）的刀座，以適應盾構機在硬巖中使用盤型滾刀。所有盤形滾刀都從刀盤后面進行拆裝。盤形滾刀高出標準刮刀40mm。刀盤上裝備有單刃滾刀，它有利于渣土沿著滾刀的兩側流過，可防止由于渣土的積聚對滾刀造成的額外磨損。滾刀額定承受載荷為250KN；滾刀的轉動扭矩在25-35NM之間可以調整，以避免盾構機在軟土地層中掘進時滾刀不轉造成偏磨。

超前撕裂刀用于先行切割和松動固結土。它比標準刮刀高20mm，每一個撕裂刀與其對應的標準刮刀處于同一半徑上，可以和盤形刀具互換。所有撕裂刀都從刀盤后面進行拆裝。

5 結束語

刀具是盾構機的一個非常重要的組成部分，對刀具合理選擇、使用 、維護和更換，直接決定盾構掘進工程的質量、進度和工程成本。土壓平衡盾構機在刀盤選型和刀具配置時要著重注意以下幾點：（1）實際施工時會遇到各種復雜的地層，地質資料不能完全準確反映實際地質情況。因此在盾構刀盤選型時要對地質進行充分的分析，刀盤及刀具配置要有一定的富余。（2）對于復合巖土地層，刀盤除配置切削型刀具外，還要配置盤形滾刀，對于巖層首先通過盤形滾刀進行破巖。（3）渣土改良不僅有利于土壓控制，還可以延長刀具壽命，注意保持刀盤面板注入口的暢通。

參考文獻

[1]李朝，等.北京砂卵石地層盾構機刀盤磨耗分析及工程措施[J].建設機械與管理，2012，8：20～21.