大開口刀盤盾構(gòu)機的施工優(yōu)劣與問題分析

李騰

（中交天和機械設(shè)備制造有限公司南京分公司，南京211800）

1 工程概況

1.1 地質(zhì)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(shè)。線路全長約26.145 km，其中，地下段盾構(gòu)區(qū)間長約20.785 km，共9個盾構(gòu)區(qū)間，擬定使用20臺盾構(gòu)機同時進行掘進。

全線盾構(gòu)區(qū)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(nèi)現(xiàn)有軸式螺旋輸送機無法排出直徑40 cm以上的卵石。

2 盾構(gòu)機刀盤設(shè)計與其掘進數(shù)據(jù)分析

2.1 2種盾構(gòu)刀盤的設(shè)計

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

2.2 掘進數(shù)據(jù)與分析

盾構(gòu)掘進時的狀態(tài)并非一成不變，所以，僅采集掘進狀態(tài)正常、連續(xù)的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集的過程中，發(fā)現(xiàn)各普通盾構(gòu)機與各大開口盾構(gòu)機的數(shù)據(jù)之間相差微毫，所以，在普通盾構(gòu)機與大開口盾構(gòu)機中各隨機抽取1臺，作為數(shù)據(jù)分析的樣本。

普通盾構(gòu)機的掘進數(shù)據(jù)見表2。大開口盾構(gòu)機的掘進數(shù)據(jù)見表3。表中所有數(shù)據(jù)，泡沫發(fā)泡率均為10～15倍。

圖1 大開口盾構(gòu)機刀盤

圖2 普通盾構(gòu)機刀盤

2.3 掘進數(shù)據(jù)分析對比

從表2和表3中可以發(fā)現(xiàn)，正常掘進的各項數(shù)據(jù)中，大開口盾構(gòu)機均占有優(yōu)勢。以下一一進行分析：

1）推進速度快。雖然對于單環(huán)來說，整體節(jié)省時間不多，但從整條隧道來看，經(jīng)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(shù)，明顯加快施工速度。

3）渣土改良劑用量小。物資的用量小，經(jīng)濟方面可以節(jié)省很多費用；其次，側(cè)面反映了渣土更容易改良，掘進狀態(tài)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(cè)面反映了盾構(gòu)機持續(xù)施工的能力更強。

表1 2種盾構(gòu)機的刀盤對比設(shè)計

表2 普通盾構(gòu)機的掘進數(shù)據(jù)

表3 大開口盾構(gòu)機的掘進數(shù)據(jù)

3 2 種盾構(gòu)對施工的優(yōu)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(gòu)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(yōu)點，但是在出渣上比較難以控制，初次使用經(jīng)常會出現(xiàn)噴涌、超方。但是，使用熟練后，這些現(xiàn)象都能得以控制。

3.1.2 掌子面穩(wěn)定性相對較差

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

3.2 優(yōu)勢分析

大開口刀盤盾構(gòu)機與小開口盾構(gòu)機數(shù)據(jù)差距不大，即優(yōu)勢不太明顯，需要長年累月的觀察才能發(fā)現(xiàn)。但是從地層方面來看，大開口盾構(gòu)機所處地層卵石的密度與粒徑更大，這種情況下，掘進數(shù)據(jù)還能與小開口盾構(gòu)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(fā)現(xiàn)，大開口盾構(gòu)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(jié)餅率低

大開口刀盤采用6主輻條+6輔輻條式設(shè)計，開口率高達45%；小開口則采用6輻條+6面板式設(shè)計，開口率僅有36%。大開口盾構(gòu)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(jié)餅率更低。

3.2.2 推進故障率低

盾構(gòu)機在推進時，不可能一帆風(fēng)順，總有一些問題導(dǎo)致推進數(shù)據(jù)異常，使盾構(gòu)機不能正常掘進，從而影響施工進度。

大開口盾構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)，如果土倉內(nèi)渣土有改良不到位的地方，也會被快速排出，不會在土倉內(nèi)沉結(jié)，所以，掘進時，大開口盾構(gòu)機的持續(xù)穩(wěn)定性非?？捎^。

3.2.3 推進故障的修正效率快

在3.2.2 節(jié)中提到，大開口盾構(gòu)土倉內(nèi)渣土的置換速度非?？欤?，在盾構(gòu)機推進數(shù)據(jù)異常后，不必像小開口一樣研究土倉內(nèi)剩余的改良不到位的渣土應(yīng)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(dāng)盾構(gòu)機出現(xiàn)“推死”的情況時，大開口盾構(gòu)機重新恢復(fù)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(gòu)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(gòu)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(fā)現(xiàn)，大開口盾構(gòu)機在卵石密集、粒徑大的地層中優(yōu)勢更加明顯一些，也更適用一些。普通盾構(gòu)機這些劣勢都可以通過提高盾構(gòu)操作者的個人水平來解決?？傮w來說，大開口盾構(gòu)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(gòu)機是不二之選。

4 大開口盾構(gòu)機常見問題及解決辦法

4.1 噴涌現(xiàn)象及解決辦法

大刀盤盾構(gòu)機因為配套無軸螺旋機，在初期推進過程中，都出現(xiàn)過不可控的噴涌現(xiàn)象。

4.1.1 原因分析

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

2）有超方現(xiàn)象，空洞跟著盾構(gòu)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(yù)留球閥對土倉中心區(qū)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(huán)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(dāng)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(xiàn)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(dǎo)致多出渣。

4.2.2 現(xiàn)場處置辦法

1）及時打探孔，找空洞，并進行回填；

2）通知盾構(gòu)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(guān)閉螺旋機閘門，減少注水量，降低螺旋機轉(zhuǎn)速；

4）提高上土壓，在掘進參數(shù)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(gòu)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(fā)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(yīng)急物資，以便能夠第一時間發(fā)現(xiàn)并進行補救。

5 結(jié)語

成都地區(qū)地鐵施工因為各種原因?qū)е峦C，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(qū)域。大開口盾構(gòu)機的試驗優(yōu)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(huán)（1.5 m/環(huán)），得到了施工單位的一致稱贊。可以大膽預(yù)測，在以后的成都盾構(gòu)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(gòu)機將會逐步取代普通盾構(gòu)機，成為被市場接受并喜歡的新型盾構(gòu)機械設(shè)備。