太原地鐵盾構施工刀盤地質適應性分析

劉 建 文

(山西省太原市市政池渠設施管理處，山西 太原 030012)

0 引言

為了緩解太原市交通運輸壓力，太原地鐵一號線一期工程于2018年3月正式開工建設，預計2023年建成運營。太原地鐵一號線全線采用地下盾構施工技術，最大程度降低對地面交通的影響和干擾，且盾構機在地下運行，同明挖法等施工方式相比施工噪聲低，工程振動影響較小，具備高效、快速、質量穩定的優勢。刀盤結構是盾構機的核心部件之一，是盾構機推進過程中開挖、破碎巖層、加固掌子面并攪拌粉碎渣的主要工具，因此，刀盤在施工過程中的地質適應性直接決定了施工效率和質量，也直接影響刀盤使用壽命，一旦刀盤與地質力學參數不匹配非但不能正常施工，如遇地質巖層硬度過大，將導致刀盤嚴重磨損甚至斷裂，造成嚴重的經濟損失。本文以太原地鐵一號線盾構施工為研究案例，就盾構刀盤的地質適應性進行分析，為后續的地鐵盾構施工提供參考和借鑒。

1 太原地鐵一號線工程地質特點分析

太原地鐵一號線，東西向橫跨汾河，銜接迎澤區商圈和武宿機場南站等交通樞紐，是太原火車站和南站的重要交通聯絡線，與在建的二號線共同組成“力”字型地鐵線路骨架。線路西起西山礦務局，東至武宿機場，全線里程28.95 km，地下部分21.49 km，地上7.7 km。地下隧道埋深介于9.5 m～10.5 m之間，線路呈L形分布，以直線平交為主要路線布置形式。施工區間高層建筑分布密集，穿越人流密集商業區，地下既有管線線路眾多，路上交通量較大。埋深隧道底板位于中砂層以上，僅有少部分底板位于粉砂土層以上。盾構機施工截面穿越的地層主要為質密的中砂層和質地稍密的粉砂層，分析地質勘察報告可知，部分區間層間分布有含水層，且含水層滲透系數較高，平均值為55 m/d，屬于中強透水層。其水含量豐富主要與橫穿汾河河道相關。總體分析，一號線全線地質結構穩定，除部分區間穩定性欠佳，且滲透性高，存在一定的透水、沉降等事故風險；此外，在盾構掘進過程中，由于地下水利管網密集，存在廢棄的水井，存在一定的管涌和流砂風險。

2 原有盾構機刀盤存在的問題分析

經過前期試掘進過程可看出，前期使用的刀盤及道具構造不適用于中砂巖層掘進。主要不匹配出現在盾構機刀盤的開口率不足，由于巖層土體的流塑性較低，流塑性較低是砂土的典型特點，導致巖層土體不能順利通過刀盤進入土倉內，由于進土效率較低，導致盾構機掘進過程中的出土率不足，前方待盾構土體承壓過大。由于壓力影響，導致盾構機刀盤與前方土體的擠壓力持續增加，若不在土體中添加潤滑料，將導致刀盤扭轉力矩增加，一旦超過設備扭矩上限，將出現嚴重的“卡頓”問題，嚴重情況下將直接停機，且經擠壓后的土體形成“餅狀”物。在盾構施工過程中，為了保證盾構刀盤前端土體的疏松性，一般在刀盤結構上加設攪拌棒，攪拌棒設置數量為三套，長度均為500 mm，攪拌棒直徑為250 mm，三套主動式攪拌棒的運行軌跡為同心圓。這種分布及軌跡形式不太適用于砂土層掘進施工，尤其是盾構刀盤截面底部的碎渣土不能及時攪拌清理，導致底部渣土日益密實，最終影響出渣效率，增加了渣土成餅的幾率。上述施工問題在跨汾河盾構施工過程中最為常見。

3 改造后盾構機刀盤地質適應性分析

3.1 盾構刀盤結構改造

根據具體的地質條件及相關特點，對盾構機刀盤結構進行了改進，將刀盤結構改為面板、輻條復合式刀盤結構，且刀盤的開口形式為對稱分布的長條孔形，且刀盤開口臨近刀盤中心，便于中心位置的巖層碎渣清理。刀盤的開口率主要取決于安裝的刀具類型，全部采用硬質巖時，且對應的開口率為30%；其中刀盤表面分布有六塊面板，且至少1/2比例的板面焊接攪拌棒設備。為了在提高刀盤開口率的前提下還能夠保證刀盤主體結構的強度，對其余未安裝攪拌棒的面板進行分割，以提高整體的開口率。在刀盤開口位置增加加勁肋。經過模擬試算及工程實踐表明，改造后的刀盤結構滿足施工工況。改造后的刀盤結構見圖1。

3.2 刀盤攪拌棒改造分析

由于原有盾構機刀盤結構的背面分布有三套軌跡為同心圓的攪拌設備，由于攪拌棒工作的局限性，導致刀盤底部的巖層碎屑難以及時清理，進而增加了巖層碎屑成為“泥餅”的可能性。為了進一步改善刀盤攪拌棒的攪拌效率，可以在原有刀盤背面加設兩套主式攪拌棒，且攪拌棒的焊接位置分布在兩根對稱的輻條結構上。其中一根后加攪拌棒的運行軌跡必須保證距離土倉底部150 mm，另外一套后加主動攪拌棒的軌跡分布距離應與土倉底部距離為500 mm,主動式的攪拌棒制造材料為圓柱形錳鋼。為了降低錳鋼主動式攪拌棒的磨損情況，必須在攪拌棒的表面增設耐磨焊接條或者增設耐磨花紋。增加主動式攪拌棒后，在設備掘進過程中，必須將對應的螺旋機綁定在固定區域，并進一步穩固螺旋伸縮設備，防止主動式攪拌棒觸及螺旋桿。通過攪拌棒改造后，能夠保證主動式攪拌棒充分攪拌巖層及土倉內的碎屑，確保盾構后的土體始終處于疏松狀態，確保出渣率。攪拌棒加設情況具體如圖2所示。

3.3 盾構機刀盤中心區域刀盤改造分析

為了通過盾構機刀盤中心區域的工作效率，可以在刀盤中心部位安裝魚尾型刀片，在盾構開挖前，中心區域的魚尾型刀片率先觸及盾構截面，通過定位盾構實現了開挖前的精準定位，從一定程度上降低了由于盾構機整體波動引起的盾構土體擾動，減小了由于盾構施工作用影響下的地面不均勻沉降。除此以外，在盾構機中心區域配套中心魚尾刀盤，能夠最大程度緩解盾構后碎渣結塊成餅的情況出現，通過工程實踐發現，在盾構機刀盤的中心區域是最容易出現“泥餅”現象的區域。在魚尾刀盤設置過程中，應處理好以下技術部分。

1)通過盾構機設備對待盾構土體進行分層分布盾構切削，并充分利用好魚尾刀，先切削中心區域的圓柱形土體，再進一步擴大至全截面切削，即將魚尾刀設計與其他切刀不在一個平面上，即魚尾刀超前切刀布置，保證魚尾刀最先切削土體。

2)將前端的盾構機魚尾型刀盤端部設計成錐形，能夠保證刀盤結構在旋轉過程中魚尾刀盤優先切削土體，確保在截面切向及截面徑向方向實現翻轉運動，這樣分布既可以解決盾構截面中心土體的切削不到位問題，還能進一步改善中心區域土體的切削土體流動性，保證斷面整體的盾構施工效果和質量。

4 刀盤改造后的地質適應性總結

表1 刀盤改造參數

通過刀盤改造后，經多次調整后，對盾構土進行改良，并選取了若干施工參數進行對比。經過多次設備優化，建議確定的盾構機推進力為13 000 kN，盾構機刀盤轉速為1.3 rpm～1.5 rpm，推進速率為25 cm/min左右，保證渣土流暢出土，且出土溫度介于24 ℃～27 ℃之間，保證施工區域地表沉陷處于可控范圍內。表1為某標段盾構刀盤改造后推進相關參數。