大開口刀盤盾構機的施工優劣與問題分析

李騰

（中交天和機械設備制造有限公司南京分公司，南京211800）

1 工程概況

1.1 地質概況

成都軌道交通17號線一期線路主要沿灌溫路、鳳溪大道、鳳翔大道、香榭大道、永康路、自西向東敷設。線路全長約26.145 km，其中，地下段盾構區間長約20.785 km，共9個盾構區間，擬定使用20臺盾構機同時進行掘進。

全線盾構區間隧道主要穿越地層為2-9-2中密砂卵石、2-9-3密實砂卵石、3-8-2中密砂卵石、3-8-3密實砂卵石。溫江段卵石含量超過75%、漂石粒徑20～70 cm較多、漂石天然抗壓強度一般為41～200MPa，個別漂石強度達到299MPa。武侯及雙流段卵石含量約占75%～80%，粒徑一般2～20 cm，卵石含量約占10%～15%，其余為細、中沙填充。

1.2 施工重難點分析

1）需穿越卵石最大含量可能超過75%、漂石粒徑20～70 cm、卵石單軸抗壓強度可能超過132MPa的大粒徑、高強度、富水砂卵石地層。

2）漂石粒徑大、漂石含量高、部分地段卵石層密實程度差等特點。

在掘進過程中，會造成卵石破碎困難，超過刀盤開口的卵石無法進入刀盤，并且國內現有軸式螺旋輸送機無法排出直徑40 cm以上的卵石。

2 盾構機刀盤設計與其掘進數據分析

2.1 2種盾構刀盤的設計

針對部分大直徑漂石地段，盾構廠家（中交天和）特別設計了大開口刀盤，并配套無軸式螺旋機（后文統稱大開口盾構機，見圖1），而在中心城區卵石相對不密集的區域，采用普通開口刀盤配套有軸式螺旋機的盾構機（以下統稱“普通盾構機”，見圖2）。具體刀盤對比設計見表1。

2.2 掘進數據與分析

盾構掘進時的狀態并非一成不變，所以，僅采集掘進狀態正常、連續的數據。在數據采集的過程中，發現各普通盾構機與各大開口盾構機的數據之間相差微毫，所以，在普通盾構機與大開口盾構機中各隨機抽取1臺，作為數據分析的樣本。

普通盾構機的掘進數據見表2。大開口盾構機的掘進數據見表3。表中所有數據，泡沫發泡率均為10～15倍。

圖1 大開口盾構機刀盤

圖2 普通盾構機刀盤

2.3 掘進數據分析對比

從表2和表3中可以發現，正常掘進的各項數據中，大開口盾構機均占有優勢。以下一一進行分析：

1）推進速度快。雖然對于單環來說，整體節省時間不多，但從整條隧道來看，經過日積月累，可以加快施工速度。

2）刀盤扭矩小。扭矩小，不僅對于刀具的摩擦更小，可以延長刀具的使用壽命，而且還能減少換刀次數，明顯加快施工速度。

3）渣土改良劑用量小。物資的用量小，經濟方面可以節省很多費用；其次，側面反映了渣土更容易改良，掘進狀態更容易控制。

4）推力小。推力小說明機器負載小，能夠有效提高機器使用壽命，提高機器的容錯率，側面反映了盾構機持續施工的能力更強。

表1 2種盾構機的刀盤對比設計

表2 普通盾構機的掘進數據

表3 大開口盾構機的掘進數據

3 2 種盾構對施工的優劣分析

3.1 劣勢分析

3.1.1 螺旋機相對難以控制

大開口盾構機配套的螺旋機是無軸螺旋機，雖然它有著出渣快速、不易卡住的優點，但是在出渣上比較難以控制，初次使用經常會出現噴涌、超方。但是，使用熟練后，這些現象都能得以控制。

3.1.2 掌子面穩定性相對較差

因為大開口盾構機開口率大，且其面板設計為輻條式，相對于小開口盾構機，對于掌子面穩定性的作用相對小，所以，對土壓要求相對較高。

3.2 優勢分析

大開口刀盤盾構機與小開口盾構機數據差距不大，即優勢不太明顯，需要長年累月的觀察才能發現。但是從地層方面來看，大開口盾構機所處地層卵石的密度與粒徑更大，這種情況下，掘進數據還能與小開口盾構機一較長短，其作用可想而知。然后，再放開視角，從單個標段上來看，將各個標段進行對比可以發現，大開口盾構機的施工進度要比要開口的快很多。以下對其原因進行一一分析。

3.2.1 刀盤結餅率低

大開口刀盤采用6主輻條+6輔輻條式設計，開口率高達45%；小開口則采用6輻條+6面板式設計，開口率僅有36%。大開口盾構機刀盤不僅面積小，且各噴水口的受力點集中，刀盤更容易被沖洗，所以，其結餅率更低。

3.2.2 推進故障率低

盾構機在推進時，不可能一帆風順，總有一些問題導致推進數據異常，使盾構機不能正常掘進，從而影響施工進度。

大開口盾構機，因為刀盤開口率高，這就使其進渣比小開口快，且大開口盾構配有無軸螺旋機，不僅出渣快，而且不會因為卵石粒徑過大而卡住螺旋機。這樣的結構，如果土倉內渣土有改良不到位的地方，也會被快速排出，不會在土倉內沉結，所以，掘進時，大開口盾構機的持續穩定性非常可觀。

3.2.3 推進故障的修正效率快

在3.2.2 節中提到，大開口盾構土倉內渣土的置換速度非常快，所以，在盾構機推進數據異常后，不必像小開口一樣研究土倉內剩余的改良不到位的渣土應該怎樣改良，可以直接將其快速排出，只需要將新進的渣土改良到位即可。所以，當盾構機出現“推死”的情況時，大開口盾構機重新恢復正常速度不僅要比小開口的快，而且方法更簡單。

3.2.4 螺旋機、刀盤不易卡停

因為采用大開口盾構機，遇到大粒徑卵石時，不必將其破碎就可直接進入土艙，減少了刀具的磨損；而且大開口盾構機配套的螺旋機是無軸螺旋機，能夠有效地輸送大粒徑卵石而不會被卡停。

綜上可以發現，大開口盾構機在卵石密集、粒徑大的地層中優勢更加明顯一些，也更適用一些。普通盾構機這些劣勢都可以通過提高盾構操作者的個人水平來解決。總體來說，大開口盾構機瑕不掩瑜，更適合成都砂卵石地層，特別是在卵石粒徑大，顆粒密集的地方，大開口盾構機是不二之選。

4 大開口盾構機常見問題及解決辦法

4.1 噴涌現象及解決辦法

大刀盤盾構機因為配套無軸螺旋機，在初期推進過程中，都出現過不可控的噴涌現象。

4.1.1 原因分析

1）渣土改良不好，土倉內積渣嚴重、板結使土倉容積變小，渣土不能在土倉內得到充分的攪拌造成噴涌；

2）有超方現象，空洞跟著盾構向前延伸；

3）由于土艙壓力低，造成地層中水的倒灌；

4）地層含水量多變，操作手改良不及時，加水過多造成噴涌。

4.1.2 解決辦法

1）利用高壓水向土倉隔板上的預留球閥對土倉中心區域進行沖洗，使土倉容積變大渣土能夠充分得到攪拌；

2）及時在地面尋找空洞，同時，做好土倉保壓措施，待回填初凝后推進；

3）做好渣土改良提高實土倉位，在盾尾后注封堵環或打開盾尾后方管片吊裝孔排水；

4）在判斷不了地層中水含量時，可以適當讓渣土干一些；

5）及時清理皮帶下掉落的渣土，避免噴涌時渣土過多，直接壓死皮帶。

4.2 超方現象及解決辦法

成都屬于富水砂卵石地層，超方是一個常見問題。

4.2.1 造成此狀況的原因

1）同步注漿、二次注漿量不夠，或者不夠及時；

2）地層本身較別處更加松散，操作手怕積倉，加快出渣，造成了多出渣；

3）地層含水量大，出渣時噴涌，造成多出渣；

4）上土壓較低，造成壓力不平衡，地層坍塌，導致多出渣。

4.2.2 現場處置辦法

1）及時打探孔，找空洞，并進行回填；

2）通知盾構司機，控制出渣量，按照正常模式掘進，不為了出渣而出渣；

3）及時關閉螺旋機閘門，減少注水量，降低螺旋機轉速；

4）提高上土壓，在掘進參數正常的情況下，再次提高上土壓。

4.2.3 防范措施

1）及時足量的注入漿液，不為了施工進度而忽視注漿量；

2）提早通知盾構司機地層狀況；

3）在即將進入富水地層時，提前減少注水量，加大泡沫發泡率；

4）精確計算土壓，并嚴格實施；

5）加強地表巡查，準備好應急物資，以便能夠第一時間發現并進行補救。

5 結語

成都地區地鐵施工因為各種原因導致停機，嚴重影響了施工進度而成為各施工單位施工難度較大的區域。大開口盾構機的試驗優點十分明顯，對于加快施工進度有積極的作用，其最大日掘進距離為15環（1.5 m/環），得到了施工單位的一致稱贊。可以大膽預測，在以后的成都盾構施工中，特別是在卵石更為密集、粒徑更大的地層中，大開口盾構機將會逐步取代普通盾構機，成為被市場接受并喜歡的新型盾構機械設備。