大直徑泥水盾構常規刀盤在上軟下硬地層中的掘進管理

摘要：各種復雜地質條件下需要更大直徑的盾構機進行施工，但因常規刀盤受地質和地面條件等因素影響，不具備隨時進行檢查和更換刀具的條件。因此在復雜地質條件下掘進，對各項掘進參數和刀盤刀具的實時有效的監控和管理尤為重要。以杭州環城北路天目山路提升改造工程為例，從刀盤刀具管理，掘進參數控制和沖刷系統三個方面進行分析總結，為今后類似工程提供一定的指導和借鑒。

關鍵詞：復雜地質;大直徑泥水盾構;刀盤刀具;沖刷;參數控制;掘進管理

1" "工程概況

杭州市環城北路-天目山路提升改造工程2標段全長約3.26km。盾構隧道南線長1742.694m，北線長1742.976m。采用兩臺開挖直徑13.46m泥水平衡盾構機施工，盾構隧道穿越地層主要為：④₂淤泥質粉質黏土夾粉土、⑤1粉質黏土、⑦黏土、⑥₁淤泥質黏土、?₁全風化晶屑玻屑凝灰巖、?₂強風化晶屑玻屑凝灰巖、?₃中風化晶屑玻屑凝灰巖。穿越地層為典型的上軟下硬，盾構掘進過程中極易出現軸線上抬，且地層中的黏土易糊刀盤和堵塞泥漿艙門，引起壓力波動，不利于地面沉降控制。盾構機刀盤如圖1所示。

2" "盾構機主要參數

本工程使用的中鐵788/789號泥水盾構機，主機總長約為13.24m，整機總長約136m;主機質量約1869.2t，后配套拖車質量約1208.8t。刀盤采用常規刀盤，開挖直徑為φ13460mm，刀盤采用8主梁+8輔梁的結構形式，開口率31%。 刀具配置情況如表1所示。

刀具配置具體為：中心采用 18 寸單軸雙刃滾刀、正面至次外軌跡為 20 寸單刃滾刀，同時刀盤邊緣弧形區域最外軌跡布置三把滾刀，其余弧形區域軌跡布置兩把滾刀，提高了刀盤邊緣滾刀抗磨損能力。針對特殊地層選用扁齒刀圈，提高滾刀抗磨損能力。刀盤一共設計有 81 個刀具軌跡，中心及正面刀間距為 90mm，具體間距尺寸如圖2所示：

同時滾刀配置有旋轉實時監測功能，為了更好的對刀具狀態進行監控，設備配置有刀具旋轉實時監測系統。編號為#81-2、#75-2、#71-2、#70-2、#43、#21的滾刀配置了有線式滾刀旋轉檢測傳感器，編號為#57、#59的滾刀配置了無線式滾刀旋轉檢測傳感器。

北線盾構機在掘進至上軟下硬段情況。第一段掘進長度約21m，中風化巖層侵入隧道斷面高度約2.65m。第二段掘進長度約為22.5m，中風化巖層侵入隧道斷面高度約4.58m。第三段掘進長度約為43.44m，中風化巖層侵入隧道斷面高度約7.16m，北線穿越基巖突起段斷面圖如圖3所示。北線掘進至基巖突起段掘進參數如表2所示。

基巖突起段掘進參數折線如圖4、圖5所示。

結合盾構地質斷面圖和參數表及折線圖中可以看出，隨著刀盤進入中風化晶屑玻屑凝灰巖范圍和高度逐漸增大，扭矩出現逐漸增大且波動較明顯，推力逐漸增大，掘進速度明顯下降。北線盾構機掘進至520環時進倉檢查刀盤刀具，發現刀盤外圈出渣口位置已大部分被粘土堵住，刀盤面板粘結泥餅。刀盤面板背部粘結泥餅情況如圖6所示。

3" "掘進參數惡化情況分析

由于刀盤安裝的為扁齒滾刀，在上軟下硬地層，扁齒滾刀刀刃破巖能力稍弱，因此造成刀盤在此地層段長時間磨削，使磨削下來的極細小顆粒粘附在刀盤面板，且掘進時間較長，粘結情況逐漸嚴重，最終導致將出渣口堵死。

受刀盤出渣口加強隔板影響，導致出渣不暢，切削下來的渣土極易粘結在隔板上，因此造成刀盤形成泥餅。

原盾構沖刷系統僅有上部兩根向中心扭腿區域沖刷管路，沒有垂直于刀盤面板背部的沖刷管路，因此不能及時將刀盤切削下來的渣土進行沖刷，導致粘結在隔板區域。盾構機原泥水倉沖刷管路位置如圖7、盾構機原泥水倉沖刷系統示意圖見圖8所示。

5" "應對措施

增加超高壓沖刷水泵，利用盾構機原泥水倉和氣墊倉聯通管路，增設垂直于刀盤面板的沖刷管路。新增沖刷管路可沖刷刀盤外圈3m區域范圍。新增刀盤沖刷管路位置如圖9、改造后刀盤可沖刷區域如圖10所示。

利用刀盤可視化系統加強對刀盤面板檢查頻率。選擇刀盤合適里程位置，如刀盤上方地面處于綠化帶位置。合適時間段，如夜晚地面道路車流量比較小時將泥水倉液位降低至刀盤可視化攝像頭所能觀測到的位置，觀察刀盤面板情況，若發現有粘結泥餅現象，則適當增大沖刷壓力，并且在掘進過程中適當增加停機循環沖刷時間，減小刀盤粘結泥餅的概率。

滾刀旋轉檢測數據和地質二次補勘綜合分析判斷刀盤前方地層情況，提前對掘進參數進行優化。滾刀旋轉檢測數據如圖11所示。

根據滾刀旋轉實時監測系統可以看出，滾刀在開挖掌子面左下3/4范圍內，所采集的滾刀旋轉檢測點比較密集和規律，說明掌子面在此區域范圍內巖層較硬，在右上約1/4范圍內，所采集的滾刀旋轉檢測點比較稀疏且不規律，說明掌子面自此區域范圍內巖層較弱，因此滾刀會出現不規則轉動。結合地面二次補勘情況參數表，如表3所示。

從二次補勘強度參數表與滾刀旋轉監測數據進行綜合分析，掌子面地層強度分布基本吻合，因此每環加強對滾刀旋轉監測系統檢查分析，隨時根據掌子面情況變化對掘進參數進行調整。根據盾構機滾動角，適當增加刀盤旋轉方向變化降低黏土粘結的概率。

6" "結論

通過以上措施，北線盾構機參數較之前有較明顯提升，北線隧道盾構機貫通后刀盤外圈出渣口基本無泥餅堵塞現象。因常規刀盤不同常壓刀盤，無法隨時進行刀具檢查更換，因此要充分利用盾構機的滾刀旋轉監測系統和可視化系統，同時應根據實際情況對泥漿沖刷系統進行針對性改造，結合二次地質補勘情況，準確分析判斷掌子面地質情況，提前對各項掘進參數進行優化控制。

參考文獻

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