復合地層盾構刀具磨損控制探索

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>硬塑殘積粉質黏土層、<5F-1>稍密～中密粉土層、<8-1>含礫砂巖。大部分區間盾構洞身范圍內中上部地層為軟土或全強風化巖層，中下部為中風化、微風化巖層，巖土強度軟硬不均，屬于典型的上軟下硬復合地層。區間地質剖面如圖1所示。

圖1 地質剖面圖

2 盾構穿越復合地層刀具磨損分析

2.1 刀具磨損情況

開展隧道上行線復合地層盾構施工時，根據觀測，在掘進到上軟下硬復合地層30m位置時盾構機刀具就已產生了較為嚴重的磨損問題，盾構作業量為完成掘進作業。經開艙檢查后確定，盾構機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生崩裂脫落問題。

考慮到盾構機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作業時，由于巖層強度大，刀具最外圈刀切削軌跡線長，故刀具磨損情況嚴重。產生刀具偏磨問題的最根本原因是在刀具切削過程中產生了高溫熱量，產生的高溫熱量會使施工刀架周圍的黏土發生固結，影響滾刀作業，甚至導致滾刀無法自傳啟動。在刀具存在偏磨現象的情況下，刀具的單邊刀刃會逐漸出現磨損，量變引發質變，若在掘進施工中遇到強度大的巖層，刀刃就會出現崩裂脫落。刀刃磨損脫落后，由于刀盤外側刀具切削軌跡長，刀盤外側刀具就會出現磨損，最終影響到刀盤中心[1]。

2.2 刀具磨損后掘進參數異常

操作手嚴格按照操作規范操作盾構機，掘進到均勻黏土地層時，盾構機各項設備均處于正常狀態，掘進參數也未出現異常，如掘進速度為35mm/mim、盾構刀盤扭矩為3000kN·m，盾構土艙壓力波動穩定，掘進作業順利穩定開展。然而，在掘進到復合地層，實施短距離盾構掘進時，掘進參數出現明顯異常，刀盤扭矩達4500kN·m，總推力高達29000kN，盾構土艙溫度和壓力升高，產生了劇烈變化。除此之外，掘進速度低于設計值，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，并且在中止掘進作業后，土艙土壓力還是無法達到設定值，呈負壓。

2.3 刀具磨損后盾構出土異常及地表塌陷

盾構機刀盤滾刀出現偏磨現象會直接影響切削作業，改變原設計的切削機理，降低切削效率，導致無法對大塊巖塊進行切削處理，并且嚴重時會使石塊滾入土艙內，堵塞螺機出土口，影響螺機的正常作業，導致螺機出現卡死問題。此外，在復合地層實施盾構時，若盾構刀具存在嚴重磨損、土艙滾入了大塊巖塊、螺旋輸送機出土口卡死及土艙土壓力無法達到設定值，就會加大土壓平衡控制的難度，處理不恰當時會引發地面沉降和地面坍塌事故。

3 刀具嚴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行地基加固，輔助常壓法來處理盾構正面土體。根據該地鐵工程的地質勘察資料，復合地層上部土體的穩定性較差，且盾構開挖作業面與地面之間有聯通的泄壓通道，則采用地基加固，輔助常壓法處理盾構正面土體。針對非預見性刀盤和刀具磨損問題，應選擇在盾構刀具切口區域位置實施處理，采用鋼板止水樁的施工工藝，隔離非預見性刀盤和盾構正面土體，再實施加固，填充止水材料應選擇克泥效。

為了確保順利進行，避免影響盾構土體的穩定性，應選擇垂直鉆桿后退注漿法作為鋼板樁外側的施工工藝。這種分層壓密注漿方案優勢突出，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的注漿材料，嚴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定性，確保加固土體強度達標，避免加固土體的強度超出設計值而降低盾構殼體的包裹效果。垂直鉆桿回抽注漿方法的注漿標高從盾構土體正上方3m到巖層面，長、寬分別為5.9m和9.46m，寬度由左右盾構體總值決定。根據工程施工需要，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，強度為1.0MPa。考慮到施工特點和刀具磨損問題，針對地面冒漿加固區的情況，決定采取地面防冒漿技術進行加固處理，具體情況如圖2所示。

圖2 加固區縱剖面圖（單位：m）

做好開艙準備后，對艙內空氣質量進行檢查，判斷無有害氣體后，即可安排操作人員進入土艙，清理艙內，尤其是螺旋機輸土口位置的大塊巖石；清理盾構刀具，檢查刀具情況，對刀具進行編號，如實記錄各編號刀具的磨損情況；整理數據和資料，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，安排技術人員開展換刀作業，不得一次性拆除多把刀具，應拆除一把，更換一把，更換完成后由工程師驗收，驗收合格后即可關閉土艙艙門，試轉刀盤。若刀具參數沒有達到設定值，則應再次進入土艙進行處理，復緊刀具，確保盾構機各項參數均符合設計要求。完成以上工作，并確定盾構機各項參數均達到設定值后，操作人員即轉移檢修設備、拆除鋼板，并及時回填人工渣土。

4 后續盾構掘進優化措施

更換完磨損刀具后，操作手可操作盾構機繼續穿越復合地層，完成剩余上行線盾構作業以及下行線盾構作業，并且從以下四個方面入手改善后續盾構掘進施工。

4.1 開挖面前方土體改良

為了更好地控制盾構滾刀磨損量，盾構復合地層時，將預先注入品質優良、配比恰當的泡沫劑對開挖作業面前方土體進行改良，遵循30～50L/環的注入標準。對開挖作業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生土層固結的問題。同時靈活應用刀盤正轉和反轉功能，利用刀盤加泥加水系統，在后續上下行復合地層掘進中向刀盤前方注入冰水，控制刀盤和開挖作業面的問題[3]。

4.2 盾構掘進貫入度控制

嚴格按照設計要求控制盾構掘進貫入度，采用低貫入度掘進模式，調整盾構掘進速度，將其控制在3～10mm/min，穩步開展后續復合地層掘進作業，同時關注刀盤扭矩等刀具參數情況，若刀具參數出現異常應調整掘進參數或停機處理，保證刀盤扭矩等參數符合設定值。

4.3 盾構刀盤轉速控制

在該工程的盾構掘進施工中，刀盤轉速最佳值為1r/min，科學的刀盤轉速能夠避免刀盤結構應力過大的問題，防止出現刀具磨損現象，并且能夠優化刀具單次切削貫入度，保證切削機理和切削效果。

4.4 增強刀具耐磨性能

根據該工程的地質勘察報告，針對復合地層上軟下硬的地質，將從多個角度入手，增強刀具的耐磨性能，在后續復合地層穿越掘進施工中選擇在下行線穿越前更換中心及周邊滾刀。采取以上優化措施后，經檢查，在后續上行線盾構穿越上軟下硬復合地層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；在下行線盾構掘進施工中，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 結束語

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