漂石地層不同刀盤型式盾構掘進試驗

王煒， 劉招偉， 邵小康， 吉帥科， 楊志勇

(1.中鐵電氣化局集團有限公司， 北京 100036； 2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083)

漂石地層是一種顆粒級配極為不均、膠結性弱、強度高、磨蝕性強的地層，地層中的大粒徑漂石給盾構施工造成嚴重困擾，使得漂石地層中盾構掘進充滿著挑戰性。一些研究者借鑒砂卵石地層中盾構掘進經驗試圖解決漂石地層中的工程難題往往適用性不強，根據地基基礎規范分類法，卵石地層為粒徑大于20 mm的顆粒質量占比超過50%，漂石地層的定義為粒徑大于200 mm的顆粒質量占比超過50%，在工程中漂石地層中甚至會出現800～1 200 mm的大石塊。因此，直接參考砂卵石地層中的盾構施工經驗來指導漂石地層中的盾構選型適應性不強。目前針對大粒徑漂石的處理主要存在兩種觀念，一種是“以排為主”的漂石處理原則，另一種是“以破為主”的原則[1-2]。這兩種漂石處理方式會形成不同的刀盤設計方案，前者重視漂石在刀盤上的通過性，一般會設計成具有大開口率的輻條刀盤，后者更注重對漂石的破碎能力，一般會設計成面板式刀盤，并裝配滾刀用以破碎漂石，之后將破碎的石塊從土艙中排出。

近年來，一些研究者對類似地層條件下的盾構選型進行了研究：吳和北等[3]、晏啟祥等[4]針對成都地區砂卵石地層條件，總結了盾構施工經驗，給出了該地層條件下的盾構選型建議；姜偉等[5]和張志龍等[6]建立了評價盾構適應性的模型，并應用于盾構工程實踐；黃新淼等[7]對不同城市的30個盾構區間盾構選型情況進行統計分析，發現經濟效應、技術成熟程度等因素影響也是決定盾構選型的重要因素之一；楊志勇等[8]和黃清飛[9]結合北京地區砂卵石地層特性，總結了盾構刀盤選型設計流程，井結合具體工程研究了盾構刀盤的結構形式對刀盤扭矩的影響；尚艷亮等[10]分析了石家莊6個區間的地表沉降數據，進行了無水砂層盾構選型。田四明等[11]結合太原市的地層情況，進行了大直徑土壓平衡盾構選型；曠斌[12]使用理論計算法對盾構掘進參數進行預測，并驗證盾構選型的合理性；陳健[13]對武漢軌道交通8號線越江隧道區間上軟下硬的復合地層條件下的盾構選型以及換刀技術進行研究；吳沛霖等[14]針對廣深港高鐵獅子洋海底隧道的工程地質特點，對該地層條件下的刀盤選擇、刀具優化以及常壓換刀技術進行研究。

眾多研究者針對北京、成都等地區的典型砂卵石地層進行了盾構選型研究，但是針對粒徑更大、強度更高的漂石地層的盾構選型研究仍較為欠缺，特別是關于“以排為主”和“以破為主”的漂石處理原則的應用效果研究仍缺乏現場對比試驗。因此，現依托位于北京西南地區大粒徑、高含量漂石地層的盾構工程，采用設置實際試驗掘進段的研究方法，通過對比兩臺采用不同刀盤方案的盾構在同一試驗段的掘進效率、掘進參數、刀具磨損情況來評判盾構選型的適應性，驗證的漂石處理方式和盾構選型方案的合理性，可為類似地層條件的盾構選型提供參考。

1 工程概況

北京地鐵16號線工程榆樹莊～宛平城區間(以下簡稱：榆～宛區間)盾構起自榆樹莊站，到達宛平城站接收，盾構長度約2.8 km，如圖1所示。區間設置聯絡通道5座。區間隧道采用圓形預制鋼筋混凝土管片結構，錯縫拼裝，弧形螺栓連接，隧道內徑5.8 m，隧道外徑6.4 m，管片厚度為0.3 m，環寬1.2 m，管片混凝土強度C50、抗滲等級P10。

圖1 盾構區間平面圖Fig.1 Plan of tunnel alignment

圖2 地層揭露漂石分布情況Fig.2 Distribution of boulders in the stratum

2 地層情況分析

2.1 盾構穿越地層

隧道區間上覆土層厚9.2～20.8 m，結構頂板所在土層主要為卵石③層及卵石④層，結構所在土層主要為卵石③層及卵石④層，局部穿越黏土巖⑦，結構持力層主要為卵石③層、卵石④層及黏土巖⑦。盾構區間主要位于卵石③層及卵石④層，部分盾構管片底位于黏土巖⑦層。如圖2所示，卵石③層、卵石④層中漂石尺寸大小多為400～800 mm，最大達1 200 mm，總量約占體積比55%；其中400～600 mm漂石約占70%，600～800 mm漂石約占20%，800～1 200 mm漂石約占10%。

2.2 漂石特性

為了全面評價漂石的特性，取不同埋深的漂石制成相應的試件，分別對進行全巖礦物X射線衍射分析試驗、單軸抗壓試驗和磨蝕性試驗，測定其礦物成分、力學特性、磨蝕性。

(1)礦物成分分析。對漂石巖樣進行礦物成分分析，測試其成分含量，結果表明漂石中主要成分是石英，含量占比約85%，云母含量其次，占6%～10%。

(2)力學參數。卵石③層、卵石④層的天然密度分別為2.2、2.5 g/cm3，取漂石進行的單軸抗壓試驗結果如表1所示。可見漂石的抗壓強度最大超過400 MPa，試件平均強度高達300 MPa。

(3)磨蝕性。為了評價漂石的磨蝕性，取5塊漂石試樣用ATA-IGGⅠ巖石磨蝕伺服試驗儀進行磨蝕性試驗，通過測得鋼針磨蝕值換算得到漂石的Cerchar磨蝕系數 (Cerchar abrasivity index, CAI)，試驗結果顯示漂石試樣的平均CAI磨蝕值為2.63，磨蝕性較高。

表1 漂石試樣單軸抗壓試驗結果Table 1 Results of uniaxial compression test

綜上，本工程面對的漂石地層有以下幾個特性：①粒徑大，大粒徑含量高。粒徑大于400 mm的漂石占比超過55%，漂石最大長度可達1 200 mm；②主要礦物成分為石英與云母，其單軸抗壓強度極高，平均強度達300 MPa；③磨蝕性較高，平均CAI磨蝕值為2.63。

3 盾構選型分析

土壓平衡盾構常用的刀盤形式有三種，即輻條式刀盤、面板式刀盤、輻條面板復合式刀盤。輻條式刀盤結構由幾根輻條組成，刮刀和先行刀安裝于輻條上，開口率大(一般超過50%)；面板式刀盤結構由面板組成，主要切削刀具安裝于面板上，開口率小(一般在20%～40%)；輻條面板復合式刀盤結構由輻條+面板組成，主切削刀具安裝于輻條上，面板上安裝輔助切削刀具，開口率介于面板式和輻條式刀盤之間。

為了驗證并得到對漂石地層更具適應性的刀盤型式，本次研究設置了從始發井到4號檢修井的試驗掘進段，中途可進行刀具磨損測量和更換刀具。試驗段左線采用輻條式刀盤，右線采用輻條面板復合式刀盤。輻條刀盤是北京地區砂卵石地層中最常用的刀盤型式，本研究設置的左線試驗段可驗證北京地區典型的卵石地層土壓平衡盾構施工的成功經驗是否適用于漂石地層。試驗段右線開口率較小的輻條面板式刀盤限制大粒徑漂石進入土艙，并在刀盤上配制滾刀破碎部分大粒徑漂石，用以對比“以排為主”和“以破為主”的漂石處理原則實際應用效果。

3.1 刀盤型式

試驗段左線采用“以排為主”的大粒徑漂石處理原則，盾構機刀盤采用輻條式結構、液驅動力以及重型撕裂刀的配置形式。針對砂卵石地層對刀盤的耐磨性要求較高，為保證盾構的正常掘進，刀盤大圓環采用三圈合金耐磨塊全覆蓋，靠近切口環的大圓環部位采用合金耐磨塊全覆蓋；同時刀盤上設置有兩處油壓式磨損檢測裝置，及時檢測刀盤及刀具磨損情況。如圖3(a)所示，刀盤開口率為56%，總質量46 t，刀盤直徑6 680 mm，材質為Q345B。

試驗段右線盾構采用“以排為主，排破結合”的漂石處理原則。如圖3(b)所示，刀盤結構為4輻條+4面板的復合刀盤，刀盤開口率為43%，刀盤直徑6 680 mm，重量59 t，材質為Q345B。刀盤的主要切削刀具為滾刀，面板上增加重型焊接撕裂刀，撕裂刀最外側鑲嵌合金塊可提高其抗沖擊性。

圖3 刀盤結構型式Fig.3 Structure of the cutter head

3.2 刀具布置

輻條刀盤為保證刀具的強度及耐沖擊性，撕裂刀全部采用重型撕裂刀，并適當加大了切刀及邊刮刀的迎渣角度。

復合式刀盤中心布置四把雙刃滾刀，滾刀為主切削刀具，第一層為滾刀，高度為175 mm，安裝于輻條上；第二層為撕裂刀，高度為155 mm，焊接在面板及刀盤輻條末端；切刀一層，刀高120 mm，采用螺栓連接；同時在刀盤面板周邊位置布置8把滾刀，用于破碎周邊大粒徑卵石，防止阻塞盾構機前進；并將所有滾刀和撕裂刀做可互換設計。兩種刀盤型式刀具配置情況如表2所示。

表2 刀盤刀具配置表Table 2 Tool configuration of cutterhead

3.3 其他系統

左、右線兩臺盾構均由中鐵裝備生產制造，除刀盤分別為輻條式、輻條面板復合式這一主要區別外，其余主要系統均一致。

盾構配置10組驅動，最大推力為4 086 t，額定扭矩為7 850 kN/m，脫困扭矩為9 500 kN/m。采用主動式鉸接，12根鉸接油缸，鉸接推力3 378 t，可準確控制前盾與中盾的角度，便于盾構機在曲線段的掘進施工以及盾尾卡死時的脫困。

4 盾構掘進試驗結果分析

4.1 掘進參數

盾構正常掘進時的總推力、刀盤扭矩和正常掘進時的平均推進速度如圖4所示。

圖4 盾構掘進參數Fig.4 Shield tunneling parameters

左線盾構的穩定推力的變化范圍為1.0×104～1.8×104kN，平均推力13 267 kN，穩定刀盤扭矩4.0×103～6.0×103kN·m，平均扭矩為4 800 kN·m，平均推進速度為68 mm/min；右線盾構的推力的變化范圍為0.9×104～1.4×104kN，平均推力為11 696 kN，刀盤扭矩為3.0×103～5.0×103kN·m，平均扭矩為3 900 kN·m，平均推進速度為84 mm/min。左線盾構的總推力、刀盤扭矩均明顯高于右線，右線盾構正常掘進時推進速度比左線平均快16 mm/min。

圖5 左、右線盾構月掘進距離Fig.5 Shield tunneling distance per month

4.2 掘進進尺

左、右線盾構的月掘進環數如圖5所示，按開工后總時間計算，左線盾構掘進效率為110 環/月，右線為74 環/月。為了更直觀的對比兩臺盾構的施工效率，扣除盾構長時間停機的時間，按盾構穩定掘進時間計算，從2020年5月至盾構到達檢修井停機，左線盾構正常掘進時間46 d，右線正常掘進53 d，左、右線的掘進效率分別為10.3環/d、7.6 環/d，左線盾構的掘進效率比右線盾構高35%。

4.3 停機時間

自盾構始發掘進至4號檢修井停機位置，除去2020年初疫情防控導致的長時間停機外，盾構出土量超限是導致盾構停機的主要因素。右線超排停機注漿14次，平均停機地面注漿時長為6 d，右線因超排停機時間總長為77 d；左線超排停機地面注漿1次，地面注漿時間為8 d。

4.4 刀盤磨損分析

進行刀具檢修時發現右線刀盤的滾刀磨損正常，磨損量2～3 mm，9把單刃滾刀出現刀圈崩裂，刮刀損壞嚴重，且多為磕破。右線刀盤的泡沫保護刀磨損嚴重，且有3路泡沫孔被砂石堵塞。左線輻條式刀盤的磨損情況較好，邊緣撕裂刀和保徑刀磨損較為嚴重，有1路泡沫孔出現堵塞。刀具檢修情況如圖6所示。

圖6 刀盤磨損情況Fig.6 Tool abrasion

由刀具檢修情況可知，左、右兩刀盤刀具出現“損”的破壞明顯多于“磨”，刀具被磕壞、合金塊脫落的概率較高，漂石的粒徑大、含量高、強度高是導致這種情況出現的主要因素。右線復合刀盤的開口率較小，試圖使用滾刀將平均強度高達300 MPa的大粒徑漂石擊破是不現實的。大粒徑漂石聚集在刀盤前方無法進入土艙，反而對刀具產生危害，造成滾刀刀圈崩裂、刮刀刀刃崩落。另外，刀盤前方聚集的石塊對渣土改良注入口造成嚴重損壞，刀盤泡沫口頻繁被堵塞，影響盾構渣土改良系統的正常工作。當盾構刀盤上方出現大漂石掉落引起超挖、超排時，難以通過刀盤注入孔注入膨潤土等材料填充地層，引發地層塌陷的風險，這是右線頻繁停機的主要原因。左線輻條刀盤的開口率更大，大漂石容易進入土艙。刀具磨損情況、掘進效率以及掘進參數均表明左線盾構本工程的地層條件更具適應性。

5 結論

北京地鐵16號線榆～宛區間盾構穿越粒徑大、強度高、磨蝕性強的漂石，通過對比采取輻條式刀盤、輻條面板復合式刀盤的兩臺盾構在同一試驗段的掘進參數、掘進效率、刀具磨損情況，獲取了更具適應性的盾構選型方案，得出以下結論。

(1)相比于輻條面板復合式刀盤，輻條式刀盤對大粒徑漂石地層更具適應性。輻條式刀盤開口率更高，大漂石更易通過，而輻條面板復合式刀盤開口小，加之滾刀對高強度的漂石的破碎效果差，大漂石難以進入土艙，刀具也更容易損壞。因此，漂石地層建議采用刀盤開口率更高的刀盤，即采取“以排為主”的漂石處理原則。

(2)采用輻板輻條復合式刀盤的盾構掘進時刀盤泡沫注入孔更易發生堵塞，渣土改良系統難以工作，嚴重影響盾構正常掘進，導致綜合掘進效率比輻條式刀盤盾構低35%。

(3)漂石地層的高強度、高磨蝕性漂石對刀具的損害嚴重，輻條式刀盤的邊緣撕裂刀、保徑刀磨損大，特別是位于出土口處的刮刀被磕破的概率高；輻條面板復合式刀盤部分滾刀出現刀圈崩裂，刮刀破損嚴重，泡沫口被嚴重損壞，影響施工效率。

通過對比分析輻條式盾構、輻條面板式盾構在漂石地層的綜合掘進效果，發現輻條式盾構在該地層的掘進的可靠性和效率更高，但是針對無法正常排出的超大粒徑的漂石仍然只能采用開艙后人工擊破的處理辦法，具有一定的施工風險，此外如何解決漂石地層中盾構刀具磨損問題是一項重大挑戰，建議進一步對漂石地層中盾構刀具設計、布置以及換刀技術開展針對性研究。