復合地層泥水平衡盾構機刀具使用和配置技術研究

摘要：介紹穗深城際鐵路機前段下穿海域工程項目概況和地質水文情況，對軟土及軟巖、硬巖、上軟下硬地層進行了地質特性及泥水平衡盾構刀具適應性分析，提出了復合地層泥水平衡盾構機的刀盤和刀具配置方案。從刀具使用實踐出發，深入闡述了不同地層刀具消耗情況、軟土地層刀具正常使用情況、上軟下硬地層刀具損壞情況和處置方法、軟巖地層刀具磨損情況和處置方法，提出了各種地層滾刀配置建議，全面總結了刀具配置技術。

關鍵詞：泥水平衡盾構；復合地層；刀具使用和配置；刀盤扭矩；滾刀生產工藝

1" "工程概況和地質水文情況

1.1" "工程概況

穗深城際鐵路機前段（深圳機場至前海段）下穿海域工程項目位于廣東深圳境內，西起已經開通的穗深城際鐵路深圳機場站，止于前海站，全長約15.2km，設計時速為160km/h。

從深圳機場站以雙洞、單線形式引出后，與深圳機場領航高架橋西側并行，然后下穿前海西灣，從海中下穿在建的深中通道，于金灣大道進入陸域。隧道采用兩臺開挖直徑為9.14m的間接控制式泥水平衡盾構機分體始發施工，獨頭掘進總長約4.35km，其中海域段掘進約3050m。

1.2" "盾構區域地質情況

機前段盾構施工區域地層層序自上而下，依次為素填土、淤泥、淤泥質黏土、粉質黏土、粉細砂、中粗砂、礫質黏性土、砂質黏性土，盾構穿越地層主要為粉質黏土、中細砂、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖和微風化花崗巖。盾構機自始發位置先后施工地層為軟土、上軟下硬、軟巖、硬巖地層。

1.2.1" "第四系全新統地質特點

淤泥質黏土為深灰、灰黑色，軟塑，含有機質，可見貝殼碎片，具腥臭味，流塑狀態，局部軟塑，切面光滑，搖振無反應，干強度高，韌性高。

粉質黏土為褐紅、褐黃色，可塑，光滑，搖振無反應，干強度及韌性高，壓縮性中等，含15%砂粒，分布于盾構施工區域內。

粗砂為淺黃色，飽和，稍密-中密，級配良好，主要成分為石英，亞圓形，含約15%黏土，局部黏粒含量較高。

1.2.2" "第四系殘積層地質特點

粉質黏土為黃褐色，硬塑，韌性及干強度較高，黏性一般，由下伏基巖風化殘積而成，遇水易軟化崩解。

1.2.3" "全風化、強風化花崗巖地質特點

全風化、強風化花崗巖為褐黃、褐灰色，原巖結構尚可辨認，巖芯呈砂土狀，用手可捏散，遇水易軟化。土質強風化花崗巖呈褐黃色，砂土狀，局部呈半巖半土狀，用手可捏散，遇水易軟化。巖質強風化花崗巖呈褐黃色，節理裂隙發育，沿裂隙面可見褐色鐵錳質浸染，巖芯破碎，呈塊狀或碎塊狀。

1.2.4" "中風化和微風化花崗巖地質特點

中風化花崗巖為青灰、肉紅色，巖芯呈短-中柱狀，局部呈碎塊狀，粗粒結構，塊狀構造，節長5～35cm，巖石質量指標范圍為50%～70%，硬質合金鉆進困難，需金剛石鉆進，巖體基本質量等級為Ⅲ類。

微風化花崗巖為青灰、肉紅色，巖芯呈短-中柱狀，粗粒結構，塊狀構造，節長8～100cm。巖石質量指標范圍為70%～90%，巖石錘擊聲脆，需金剛石鉆進。巖體基本質量等級為Ⅱ類。微風化花崗巖飽和單軸抗壓強度范圍為70～105MPa，根據深圳已施工項目類似地層經驗，微風化花崗巖巖石強度普遍可達160MPa。

1.3" "盾構區域水文情況

盾構施工區域地下水按其賦存介質不同主要分為兩種類型：一是第四系地層中的上層滯水和松散巖類孔隙潛水，上層滯水賦存于第四系人工填土（填石）層中，孔隙潛水主要賦存于沖洪積中粗砂、礫砂層中，因受上下相對隔水層的阻隔，略具承壓性。二是基巖裂隙（構造裂隙）水，主要賦存于強、中等風化帶及斷裂構造裂隙中，具有微承壓性。

2" "地質特性及泥水平衡盾構刀具適應性分析

2.1" "軟土及軟巖

盾構施工區域存在約1.5km軟土和軟巖地層。其中淤泥質黏土和粉質黏土的細顆粒含量較高，全風化花崗巖中礦物質普遍存在，強風化花崗巖地層中存在未風化完全的硬核。在采用泥水平衡盾構施工過程中，泥漿促進了刀盤泥餅的形成，增大了黏土對刀盤刀具的阻力。上述地層宜選用大開口率的刀盤，配置羊角形撕裂刀，配合刮刀，以降低刀盤結泥餅的概率，提高盾構掘進效率。粉質黏土層出渣情況如圖1所示，全風化花崗巖地層出渣情況如圖2所示。

2.2" "硬巖

盾構施工區域含總長為2.1km的硬巖地層，以全斷面微風化花崗巖為主，同時也存在中風化花崗巖。巖石強度高，整體性好，韌性強。上述地層宜選擇整體性強、小開口率的刀盤，配置滾刀和重型刮刀，以盡量縮小刀間距，提升刀具抗沖擊力、容錯能力，降低單刀的受力狀況。中風化花崗巖地層出現的大塊巖石如圖3所示，微風化花崗巖地層出渣情況如圖4所示。

2.3" "上軟下硬地層

盾構施工區域含有長于300m的上軟下硬地層，上部為軟土層，中部為脈石英（石英的集合體）、中風化花崗巖破碎巖層，下部為微風化花崗巖。該地層宜選擇整體性強、中等開口率的刀盤，配置滾刀和重型刮刀，以提升刀具的抗沖擊能力。上軟下硬地層出渣情況如圖5所示，石英巖主要為由石英組成的變質巖，如圖6所示。

3" "刀盤及刀具配置方案

3.1" "刀盤配置方案

根據盾構施工區域地質組成及其地質特點，考慮區間線路較長，刀盤配置圍繞提高盾構的可靠性和穩定性為主。刀盤選擇為六輻條面板復合式刀盤，開口率為33%，通過增強泥水沖刷系統來減小黏土層刀盤結泥餅的概率。

主刀箱可滾齒互換，輔助刀為重型刮刀、邊緣鏟刀、徑向刀。由于區間線路不存在小曲線半徑，因此取消仿形刀，增加主刀箱以降低刀間距[1]。刀盤刀具主要配置如表1所示。

3.2" "刀具配置方案

3.2.1" "刀具配置基本原則

根據盾構施工區域隧道地質、水文、埋深條件變化規律分析，盾構刀具先后面臨不同的技術問題，解決問題的原則是有針對性調整刀具各技術指標，階段性提高刀具適應性。基于此，需要解決下列問題：一是解決軟巖地層啟動扭矩不足、刀圈偏磨問題；二是解決高水壓軸承密封擊穿問題；三是解決不同地層的刀圈結構如何選擇的問題；四是結合巖石的強度和完整性，調整刃寬；五是增強刀具硬度，以提高硬巖地層的使用壽命和破巖能力；六是增強刀具韌性，以提高在復合地層的抗沖擊能力；七是增強刀具耐磨性能，以提高在花崗巖、石英等地層的適應性[2]。

3.2.2" "滾刀結構配置和生產工藝

滾刀的結構配置和生產工藝，包括軸承、密封件、內部壓力平衡裝置的選配，以及刀圈的鍛造等關鍵部位的細節設計，對提高其適應性和使用壽命尤為重要。

為了在復合地層中保持低貫入度掘進，邊緣刀的磨損量較大，需要提升其刀圈的耐磨性能。因為穿海段隧道埋深大、水土壓力大，軸承密封件承受0.6MPa壓力，需要配置承壓能力大的軸承密封件。在全斷面硬巖地層掘進時，為降低開倉成本，需提升刀具破巖能力、提高掘進效率[3]。滾刀生產工藝如圖7所示。

4" "刀具使用要點及問題處置方法

4.1" "不同地層刀具消耗情況

以右線盾構刀具使用實踐為例，分析刀具在使用過程中出現的問題。不同地層主要刀具消耗情況如表2所示，右線盾構刀具消耗匯總如圖8所示。

4.2" "軟土地層刀具正常使用情況

盾構機分體始發后，連續掘進淤泥質黏土、粉質黏土、砂等軟土地層約540m，初裝刀具為全盤鑲齒滾刀。除了渣土積倉滯排問題引起掘進參數異常之外，并未因刀具造成參數異常導致的停機檢查。

4.3" "上軟下硬地層刀具損壞情況和處置方法

4.3.1" "刀具使用情況

盾構機由軟土地層掘進到第一段上軟下硬地層后，其掘進參數出現變化。在310環（566m）處出現刀具異常損壞問題。主要表現為推進速度波動較大，其他表現如刀盤扭矩、總推力變化不明顯，待總推力突然升高后停機檢查，刀具已嚴重磨損，并略傷刀盤。經開倉檢查刀具發現，中心刀偏磨損壞，正面刀少量崩齒，邊緣刀大量崩齒[4]。上軟下硬地層刀具損壞情況如圖9所示。

4.3.2" "原因分析

4.3.2.1" "分析掘進參數

通過分析刀盤轉矩、總推力、貫入度折線圖等掘進參數得知，軟土段各項參數相對平穩，在280環附近掘進到強風化花崗巖地層以后，在總推力未明顯增加的前提下，刀盤轉矩逐漸增加，并在320環出現突變，貫入度逐步降低。掘進參數總體與地層變化相符，少量刀具失效造成的參數變化不明顯。

4.3.2.2" "拆檢刀具

為檢查刀具損壞原因，對6把中心雙聯滾刀中磨損嚴重的2-4#刀具進行拆檢，發現軸承密封產生了輕微磨損，內表面有極細的浮泥，軸承滾珠邊緣的掉角、磨損屬于正常磨損。中心刀2-4#刀具拆檢情況如圖10所示。

4.3.2.3" "分析刀具損壞原因

邊緣刀具在高線速度的影響下，在硬巖地層中鑲齒刀具受碰撞斷裂，斷裂的合金齒等金屬材料較重，難以隨泥漿快速排出，加劇了邊緣刀具的損壞。

中心滾刀偏磨是因為前期軟土地層掘進期間，受到中心區域結泥餅的影響，導致中心刀無法正常轉動。施工軟土地層時，鑲齒滾刀刀圈不轉動，合金齒具有撕裂功能，但在巖層中刀圈很快偏磨失效，不再具備破巖能力，最終引發臨近軌跡線上的滾刀失效[5]。

4.3.3" "處置方法

在右線上軟下硬地層段，329環和342環兩次開倉檢查刀具后，將邊緣14把鑲齒滾刀更換為刃寬22mm的光面滾刀。除了因復推脫困的兩環以外，在后續掘進過程中，穩步提升掘進速度，從而使貫入度、刀盤扭矩、總推力趨于平穩。更換邊緣滾刀后的掘進參數變化如圖11所示。

4.4" "軟巖地層刀具磨損情況和處置方法

4.4.1" "磨損情況

邊緣光面滾刀在軟巖、硬巖地層中刃寬的磨損量比刀高的磨損量大，磨損后的刀圈成刀片狀，最后雖然刀高磨損未達到更換標準，但基本失去破巖能力，只能主動換刀[6]。由于本工程盾構機未配置仿形刀，在對應的位置補充了滾刀刀箱。邊緣滾刀的刀間距較小，在數次更換刀具的過程中發現，刀盤邊緣磨損最嚴重的是S53#至S58#共6把邊緣滾刀。邊緣光面滾刀刃寬磨損情況如圖12所示。

4.4.2" "破巖機理和磨損異常處理

4.4.2.1" "中心刀具在軟硬地層中破巖機理

刀盤中心采用17\"雙聯鑲齒滾刀，在軟巖地層中，該滾刀啟動扭矩不足很難轉動，更多狀態下是通過合金齒切入巖面，將掌子面土體撕裂分塊，不斷擠壓至周邊開口處，在中心沖刷系統的配合下完成開挖。因刀盤中心區域空間受限，刀間距為101.5mm，比正面的78mm更大，同時沒有空間布置刮刀，所以中心區域也是最容易形成泥餅的地方。刀盤中心開口處結泥餅情況如圖13所示，倉內泥餅樣本如圖14所示。

4.4.2.2" "正面刀具在軟巖地層中破巖機理

正面采用20\"單刃鑲齒滾刀，在軟巖地層中，刀具的轉動情況隨刀具所處位置半徑的增加而有利于切削，因此正面靠中心的刀具更容易出現刀圈偏磨問題。但是掘進相同長度，半徑越小的位置線速度越小，刀具與土體之間做相對運動的距離越短，受到的磨損量越小。反之，正面靠邊緣的刀具、刀圈磨損問題比較嚴重[7]。鑲齒滾刀崩齒和齒床磨損情況如圖15所示。

4.4.2.3" "邊緣刀具在軟巖地層中破巖機理

刀盤邊緣采用20\"單刃光面滾刀，在軟巖地層中，邊緣滾刀受到的沖擊力并不大，主要還是刃寬磨損問題。無論是刃寬磨損還是刀體直徑磨損，都會導致開挖直徑不足，造成盾構姿態糾偏困難、盾體卡滯、推力增加、管片受力不均和破損滲漏等問題。邊緣滾刀刃寬磨損后破巖效果模擬如圖16所示。

4.4.2.4" "處置方法

一是掘進軟土和軟巖地層時，刀盤中心可考慮配制分段式魚尾刀，以降低刀盤中心結泥餅的概率。該配置方法在一些土壓平衡盾構機在軟土地層施工中應用效果較好。二是掘進軟巖地層時，在正面靠近邊緣線速度較大的位置配置光面滾刀，以減輕刀刃耐磨速度、延長刀具使用壽命。三是掘進軟巖地層時，邊緣光面滾刀的刃寬可以加寬到25mm，以延長其使用壽命。在沒有抗沖擊需求的情況下，其刀圈不需要采用梯度硬度設計，這是因為梯度硬度刀圈一旦其頂部較硬的部位磨損后，靠內部硬度較低的區域反而降低了刀具的使用壽命。四是針對鑲齒滾刀齒床磨損較快的問題，增加其合金齒周邊的耐磨層。鑲齒滾刀齒床耐磨層加強前后如圖17所示。

4.5" "各種地層滾刀配置建議

根據實際使用情況，針對不同地質情況，提出各種地層滾刀配置建議如表3所示。

5" "刀具配置技術總結

復合地質大直徑盾構機刀具配置數量多，單刀損壞后對整體參數影響較小，不易辨識。在常開倉、勤檢查的基礎上，應加強參數管理，借助折線圖等形式，精準分析參數變化情況，提高對參數變化的敏感度。

華南地區全風化、強風化花崗巖等軟巖地層存在較大變數，礦物質含量和微風化完全的硬核普遍存在，應配置鑲齒滾刀，以提高其容錯能力。以黏土為主的軟土地層、軟巖地層，主要問題集中在預防刀盤結泥餅問題，刀盤應以配置撕裂刀或鑲齒滾刀為主。考慮施工的連續性和帶壓開倉的成本較高，若盾構施工區間軟土地層長度較短，應直接配置鑲齒滾刀作為初裝刀具，以減少開倉次數，但要高度關注參數變化。

針對上軟下硬地層需要預防刀具的崩刃崩齒問題，刀盤線速度較大的邊緣及正面靠邊的區域應配置梯度硬度光面滾刀，以提升其抗沖擊能力，同時應控制刀盤轉速在1r/min左右。全斷面硬巖地層是可以實現常壓開倉的地段，應以施工效率為主做到常開倉、勤檢查。應在刀盤邊緣配置刃寬較大的光面滾刀，正面和刀盤中心配置刃寬較小的光面滾刀，在提高邊緣刀具耐磨和抗沖擊的同時，提升正面及中心刀破巖效率。

6" "結束語

華南地區地質條件復雜，大直徑盾構隧道的斷面大、埋深變化大，隧道施工過程中往往涉及多層十幾種地質情況，盾構刀具的配置對施工工效和盾構設備安全極為重要。本文依托穗深城際鐵路下穿海域段隧道盾構工程項目，分析大直徑泥水盾構機在復雜地質條件下，長距離大埋深隧道施工過程中刀具使用中存在的問題，提出針對華南地區復雜地質條件下刀具配置原則和配置方案，為類似地層的隧道盾構工程項目提供了參考。

參考文獻

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