盾構機黏土復合地層掘進刀具選型及改造

郝啟韜

莫斯科地鐵第三換乘環線西南段項目自開建以來，工期緊張且施工區間暗挖隧道地質存在大量全斷面黏土復合地層，在黏土復合地層中盾構的施工效率一直受限較大，僅通過土體改良很難有效解決刀盤泥餅板結問題，因此在各方面需進行改善確保提高其施工效率，刀盤刀具的布置及改造工作顯的尤為重要。

一、工程概況

莫斯科地鐵第三換乘環線西南段項目包括3站4區間、9條隧道，盾構區間穿越主要地層為黑褐色-棕色硬塑性砂質黏土，含細砂和亞砂體夾層和透鏡體，含不超過25%的卵石，碎石；粉砂巖到灰黃致密含水細砂巖，少見塑性亞砂體和軟塑性砂質黏土夾層，泥質砂巖；致密含水亮褐色細砂巖，局部含灰色軟塑性砂質黏土和粉砂夾層，泥質砂巖。

二、盾構機簡介

1. 盾構機概況

本區間采用5臺開挖直徑6280mm鐵建重工生產DZ397、DZ398、DZ399、DZ400、DZ401土壓平衡盾構機負責該項目區間隧道施工，主機外形尺寸：前盾φ6250mm，中盾φ6240mm，盾尾φ6230mm。

2. 刀盤及刀具布置情況

刀盤外形尺寸：裝刀開挖φ 6 2 8 0 m m，總厚725mm。刀盤前端面有8條輻板（開孔率40%），其上配有滾刀（撕裂刀）座、刮刀座和4根攪拌棒，刀盤與驅動裝置采用法蘭連接，法蘭與刀盤之間是靠四根大臂相連，刀盤周邊焊有耐磨條，前端面焊有格柵狀的Vaudit耐磨保護材料。

三、黏土復合地層盾構機掘進參數分析

1. 盾構機始發至首次開倉階段參數

根據往期地鐵項目盾構施工經驗，刀盤扭矩始發階段掘進素連墻刀盤扭矩較高，如若安裝滾刀數量較少，破巖能力差，所以導致始發階段在切削素墻過程中，刀盤扭矩較大，對撕裂刀的磨損較大。

圖1為0—258環刀盤扭矩變化趨勢，如圖所示96—258環掘進過程中開始逐漸穿越黏土復合地層，扭矩逐漸開始變大，推力持續增大且推進速度緩慢，初步判斷為刀具磨損且刀盤泥餅板結嚴重、刀盤開口率變小，刀盤切削能力變弱，導致掘進不順暢。

圖1 0—258環刀盤扭矩變化趨勢

在開倉后發現刀盤泥餅板結極其嚴重，刀座與刀體被黏土包裹，失去其工作能力，刀盤開口率變小，根據開倉工作人員反饋以及影像資料可知，刀具完全灌入到地層中，已失去其切削能力，邊緣線速度較大的位置泥餅板結偏軟，但是刀盤中心扭腿處泥餅嚴重干結，導致其產生的原因是刀盤泥餅與掌子面泥土面與面的摩擦，在這種狀態下長時間掘進，在刀盤與掌子面間產生大量的熱量，致使刀盤中心處泥餅脫水而干結。

在黏土復合地層中掘進由于黏土較軟，刀具刀痕很深，甚至已經挨到刀具刀體，導致痕峰直接摩擦刀盤，在刀盤開口格柵處逐漸生根形成泥餅，然后繼續推進通過擠壓，大塊黏土塊進入開挖倉而無法及時外排，逐漸導致刀盤中心處的泥餅板結，致使形成開倉后所呈現的泥餅大量板結在刀體、刀座、開口格柵、刀盤扭腿位置。

2. 盾構機開倉后掘進分析

盾構機開倉檢查清理完成恢復掘進后，258—275環掘進過程中，刀盤扭矩較帶壓開倉前有了明顯好轉，因在開倉過程中清理了刀盤開口處黏著黏土塊和所板結的泥餅，但是到275環后續掘進過程中，刀盤扭矩開始逐漸增大，由于刀盤開始泥餅板結，推進速度開始變的緩慢，推進困難，下圖2為258-380環刀盤扭矩變化參數。

圖2 258—380環刀盤扭矩變化參數

3. 刀盤泥餅板結對推進的影響

當盾構機在黏土段推進過程中，刀盤泥餅板結趨于嚴重且開口率變小，刀盤切削下來的黏土塊很容易就把刀與刀箱間隙填充起來，進而把整個刀體包裹在黏土里面。刀體被包裹后不光失去了原有的作用，同時還會使刀周邊的黏土包裹面積擴大，增加刀盤的運行負載，使刀盤在掘進過程中無法通過切削泥土來完成掘進，而是刀盤泥餅與掌子面泥土摩擦，盾構機前進只能依靠高推力、渣土擠壓式切削前進，從而導致推力大卻推進速度緩慢，下圖3和圖4分別為盾構機推進力變化趨勢圖和盾構機掘進速度趨勢圖。

圖3 盾構機推進力變化趨勢圖

圖4 盾構機掘進速度趨勢圖

由于刀盤泥餅的板結以及開口率的變小，致使在掘進過程中，刀具被黏土包裹，在刀盤轉動過程中無法良好的切削土體，因此導致大塊的形成，導致推進困難、排渣不順暢，影響掘進效率。

四、刀盤刀具布置及使用效果

1. 刀盤選型

刀盤結構形式：在莫斯科地鐵西南段項目區間所穿越地質有砂礫層、黏土層、以及多種軟硬不均復合地層情況，刀盤結構形式采用面板式，支撐方式采用中間支撐式。

刀盤開口率：盾構機刀盤開口率選擇40%，刀盤開口部分加焊隔柵及粒徑限制器，只允許300mm以下粒徑的渣塊通過。

刀盤的耐磨措施：在刀盤的中心和邊緣及每個開口槽的周圍通過合理選擇耐磨材料和合金鑲嵌技術進行硬化處理并堆焊耐磨材料；在莫斯科地鐵西南段項目盾構機改造中刀盤外圈焊接了4把保徑刀，刀盤周邊焊耐磨條和帶有合金的耐磨板，刀盤面板用進口耐磨焊條焊接格柵狀耐磨網。

刀座設計：盾構機刀盤上的滾刀刀座與重型撕裂刀（先行刀）刀座相同，根據地層滿足刀具互換性要求。

2. 刀具布置

在莫斯科地鐵西南段項目盾構機刀盤邊緣位置的重型撕裂刀磨損嚴重，由于刀盤外緣撕裂刀線速度大，易磨損而失去其功能，部分刀具合金塊已經磨損嚴重。從刀具檢查情況看，處于周邊的重型撕裂刀磨損嚴重而且很快失去其切削功效，所以在后續相同地層盾構隧道掘進施工過程中周邊刀具宜采用以滾刀為主的布置形式。

3. 刀具改造

對于在黏土地層盾構機掘進易快速板結泥餅，主要是由于現安裝刀具對黏土地層適應性弱、渣土導流性差，切削下來的渣土易粘結于刀盤幅臂。另外大量的黏土和砂礫膠結堆積于開挖倉內而形成較大塊狀，不易通及時外排，長此以往導致黏土膠結體在刀盤處生根而板結泥餅趨于嚴重，所以需要對刀盤刀具的切削能力以及渣土的外排做改進處理。

針對黏土復合地層中盾構機掘進的適應性，選擇性的減少刀盤正面刮刀數量。減少正面刮刀數量之后效果如下：

（1）由于正面刮刀位于刀盤開口隔柵及粒徑限制器處，齒刀數量的減少，可以增大刀盤開口槽的部分開口率；

（2）掘進過程中由于正面刮刀的減少，相鄰刃口切削形成的刀間距變寬，黏土復合地層屬于軟巖類地質，刀間距取值可以較大，所以滿足此段掘進地質的刀具切削要求；

（3）在黏土切削過程中對切削下的渣土形成導流作用，更易從開口處更快的排出；

（4）減少正面刮刀且每個切削軌跡線均保證有正面刮刀，刀盤在調整轉動方向的時候，所保留的正面刮刀受力平衡，不產生刀具受力偏載。

在黏土地層中，為了解決快速板結泥餅問題，需要改進刀具配置。首先，減少正面刮刀數量可以增大刀盤開口槽的部分開口率，并使刀間距增大，以適應軟巖類地質的切削需求。同時，注意保護拆下的正面刮刀刀座，采用耐磨鋼板覆蓋并用螺栓緊固，以減輕刀盤面板的沖擊。

在減少正面刮刀后，進入試驗階段時要統計推進參數并與原始刀具配置的掘進參數進行對比，評估新刀具配置在黏土復合地層中的適應性。同時，關注刀盤磨損檢測器壓力表數據，觀察刀具和刀盤的磨損情況。

為增加對黏土的切削效果，可以將部分重型撕裂刀更換為貝殼型輕型撕裂刀，利用輕型撕裂刀的小而鋒利的刀頭增加切削效果。將正面重型刮刀更換為輕型刮刀可以減小刀頭磨損，并降低對黏土的切削力差。

為了確保切削刀具能有效地刮削土層進入開挖倉，可以將正面刮刀刀頭改為尖銳的款式（如圖5），并將刀頭合金位置調整到160mm，增加刀間距，更適應黏土軟土地層的掘進。由于黏土成巖程度較淺，刀頭尖銳的正面刮刀和較大的刀間距有助于刀盤在黏土復合地層中快速切削黏土，并及時排出渣土，從而減輕刀盤泥餅的板結速度。

圖5 正面刮刀尖齒改造

通過以上刀具改進措施，可以提高盾構機在黏土復合地層中的掘進效果，并減少板結泥餅的形成。

五、結論

在黏土復合地層中，通過合理的刀具安裝選擇和更換尖齒正面刮刀后及貝殼型輕型撕裂刀后，刀具切削能力變強，相應的會導致刀具的磨損速度加快，刀具壽命變短，刀具刀頭合金部位需要加強，以此來增加刀具的工作壽命；刀具的選擇性改造可以更有效地刮削土層進入開挖倉中，快速有效地外排渣土，減少渣土不能有效快速外排或堵排出渣口現象，減緩渣土在開挖倉中堆積，從而減緩泥餅的板結速度，可有效提高盾構的掘進效率，取得更好的經濟效益。