张家年,胡玉娟

(中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450000)

成都富水砂卵石地层盾构刀盘设计及应用

张家年,胡玉娟

(中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450000)

针对成都富水砂卵石地层盾构施工过程中刀盘刀具磨损严重、结泥饼和地表沉降大等问题，从盾构刀盘结构设计、刀具配置、耐磨保护及刀盘碴土改良等方面入手，对刀盘进行了针对性地改良设计。改良后的盾构刀盘不仅实现了长距离掘进，而且也有效地控制了地表沉降，对类似地层盾构刀盘设计具有一定的指导和借鉴作用。

成都地铁；富水砂卵石；土压平衡盾构；刀盘设计；碴土改良

0 引言

目前，盾构法在应用于城市地铁隧道的修建中还存在一些问题，如在成都富水砂卵石地层盾构法施工中，普遍面临刀盘刀具磨损严重，换刀频繁，刀盘结泥饼，地表沉降难以控制等问题。针对上述问题，施工单位和盾构设备提供商均做了大量的研究和改进。文献[1]采用最新动态监测装置，对北京地铁4号线4标角门北路站—北京南站区间盾构刀具进行了磨损监测，并对砂卵石地层刀具动态磨损情况进行了分析；文献[2]对富水砂卵石地层大直径盾构刀具的磨损与适应性进行了分析；文献[3] 对土压平衡盾构在成都砂卵石地层中应用的几个关键性问题进行了分析；文献[4]和文献[5]分别进行了砂卵石地层土压平衡盾构施工泡沫技术和碴土改良技术的研究；文献[6]对富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术进行了探讨；文献[7]分析了砂卵石地层对盾构施工造成的影响，并给出了解决措施；文献[8]对成都富水砂卵石地层盾构施工滞后、沉降防控措施进行了探讨；文献[9]结合成都地铁1号线2标和地铁2号线2标的盾构施工实践，提出了砂卵石地层下盾构如何降低超挖及如何解决超挖回填的问题；文献[10]针对成都富水砂卵石地层盾构施工问题，对盾构设备配置进行了探讨。

国内大部分文献均从施工措施或施工技术方面，对砂卵石地层盾构施工进行了总结和研究。但盾构施工效果的保证除了采取合理的施工措施外，也离不开对设备本身的研发设计。虽然文献[11]概述了国内典型砂卵石地层盾构的设计及配置，但针对盾构关键系统——刀盘，主要叙述了刀盘刀具设计的特点，对于其设计理念、设计原因并未进行具体的分析论证。而本文主要针对成都富水砂卵石地层，分析了盾构刀盘设计面临的难点，并对其进行针对性设计，实践证明，新设计制造的盾构刀盘在成都3，4号线施工中取得了较好的应用效果，对类似地层盾构刀盘设计具有一定的指导和借鉴作用。

1 成都地铁工程概况

成都平原是发育在东北—西南向的向斜构造基础上，由发源于川西北高原的岷江、沱江及其支流等8个冲积扇重叠联缀而成复合的冲积扇平原。地铁隧道埋深在地下10～25 m，管片外径为6 m，静止水位线一般在地面下3～5 m。隧道穿越地层主要为砂卵石，局部为泥岩，卵砾石中间由中粗砂填充，标贯值较高，为密实砂卵石，如图1所示。其中卵石含量为50%～80%，卵石粒径以20～200 mm为主，局部含有漂石。卵砾石硬，强度高，单轴抗压强度可达150 MPa，最大可达180 MPa。同时水位线位于隧道顶板以上，卵砾石的透水系数为4.1×10-4m/s，故该隧道所在砂卵石地层含水丰富。

图1 密实砂卵石

2 盾构刀盘重难点分析

刀盘作为土压平衡盾构的开挖系统，起着隧道开挖、改良土仓碴土、保持掌子面稳定等作用。针对成都富水砂卵石地层，盾构刀盘设计主要存在以下问题。

2.1 刀盘刀具磨损严重及换刀困难

根据地质勘探可知，砂卵石中卵石含量高达50%～80%，卵石中间由中粗砂填充，卵石强度较高，难以破碎，常常会对刀盘刀具造成二次磨损，甚至多次磨损，且整个刀盘盘体及刀体本身直接与卵石接触，卵石不仅会对刀具刃口造成磨损和较强的冲击，还会对整个刀体和刀盘盘体造成磨损。同时因刀具磨损较快，常常需要进仓更换刀具，由于砂卵石层细颗粒含量少，透气性强，在需要带压进舱换刀时很难保住气压，因此存在换刀困难的问题。

2.2 刀盘结泥饼问题

中粗砂和卵石流塑性较差，土压平衡盾构在该地层掘进时，刀盘进碴通道特别是土仓中心容易产生泥饼，如图2所示。刀盘产生泥饼后，土仓碴土流动性降低，该部位刀具切削效率下降，导致刀盘掘进速度降低，扭矩增大，推力增大等问题,并加剧了刀盘刀具的磨损，严重影响施工进度。

图2 刀盘中心产生的泥饼

2.3 掌子面水土压力稳定或地表沉降问题

在砂卵石地层条件下，有时会欠压掘进，此时可能会产生较大沉降；另外，由于刀盘掘进扰动地层产生超挖，此时同步注浆尚不能补充，容易形成空洞。因此，即使当时不会发生沉降，盾构过后地面也可能会陆续发生沉降。地表塌陷如图3所示。

图3 地表塌陷

3 刀盘针对性设计

成都砂卵石地层具有卵石含量高、卵石粒径20～200 mm，密实、卵石强度高，地层富水，开挖后自稳性差等特点。由于刀具直接破碎卵石的难度大，故设计时应遵循以下原则：刀具以剥落切削为主，以破碎为辅，剥落切削下的卵石排入土仓，通过土仓螺旋输送机输送至仓外。故需要刀具耐冲击、切削磨损和二次磨损，刀盘开口应有利于卵石排入土仓，刀盘防止结泥饼的能力要强。

3.1 刀盘结构设计

根据设计原则，刀盘开口应有利于卵石排入土仓，同时考虑刀具布置轨迹，富水砂卵石地层开挖后自稳性较差，以及便于进仓更换刀具等因素，刀盘开口率设计为36%，中心区域开口率为40%的四主梁加四副梁的复合结构形式(如图4所示)。相比类似地层以往刀盘结构(开口率为26%)，既增大了刀盘整体开口率，又充分增大了刀盘中心区域开口率。其次，开口在刀盘面板均匀分布，进碴通道采用利于卵石顺利进入土仓的锥形设计，并且根据具体标段卵石粒径大小及漂石含量，通过开口处焊接限制格栅，使通过卵石粒径与螺旋输送机允许输送尺寸相匹配。

对于砂卵地层，载荷频繁交替作用于刀盘，刀盘结构须有较高的强度和刚度，故设计时刀盘制作材质选用Q345B钢材，主梁及外圈梁厚度设计为120 mm，刀盘支撑扭腿与盘体采用嵌入式焊接的连接方式。通过建立三维模型进行有限元强度分析，最大应力为150 MPa，大部分应力低于120 MPa，而Q345B钢屈服强度为345 MPa，刀盘结构具有较大的安全系数。

图4 刀盘结构

3.2 刀盘耐磨保护

盾构在砂卵石地层掘进过程中，除刀具磨损消耗大外，刀盘结构本身磨损也比较大，特别是刀盘外圈梁，且磨损之后洞内难以修复。故设计时在刀盘外圈梁外表面贴焊耐磨性较强的合金保护块，且保护块厚度由以往的40 mm增加至60 mm，根据不同部位磨损速率，贴焊不同的耐磨保护，即刀盘外圈梁掘进方向从前部至后部焊接3道相同宽度的耐磨保护(如图5所示)。第1道为宽70 mm、厚60 mm的HARDOX500耐磨钢板，中间间隔焊接8把长270 mm的保护刀；第2道与第1道完全相同；第3道为整圈宽70 mm、厚60 mm的合金耐磨块，选用强韧性均较好的合金。

除刀盘外圈梁外，刀盘面板、刮刀刀座、滚刀刀箱均焊接有相应的耐磨保护，如图6所示。

图5 刀盘外圈梁耐磨保护(单位：mm)

图6 刀盘耐磨保护

3.3 刀具设计及安装方式

根据设计原则，砂卵石地层中，刀具以剥落切削为主，以破碎为辅，刀具的磨损形式以冲击磨损、切削磨损和二次磨损为主，所以要求刀盘的刀具须耐冲击、耐磨损和耐二次磨损。在已有工程案例中，配置以滚刀为主的刀盘和以撕裂刀为主的刀盘均采用过，配置滚刀时，滚刀以扰松开挖面的方式起作用，而不是滚压破岩的方式。因此，滚刀的刃口要厚，刃口的数量要足够多。由于滚刀刀圈用于磨损的金属体积相比撕裂刀要大得多，因此在工程案例中刀盘配置滚刀的案例居多。

刀盘设计开挖直径为6 280 mm，根据破岩机理和类似工程案例经验，正滚刀间距取100 mm，中心滚刀间距取90 mm，滚刀采用17寸刀体、18寸刀圈，刃口宽度30 mm，刀高187.7 mm，并且采用最外轨迹布置2把单刃滚刀的方式。另外，与以往设计不同的是在刀盘周边区域布置了23把焊接撕裂刀，刀高150 mm，比滚刀低，可以起到辅助切削、保护滚刀刀体等作用，从而延长了滚刀更换距离。同时在刀盘正面和边缘布置了刮刀，刮刀宽250 mm，高130 mm，增强了刮刀的耐磨损和冲击性；布置的250mm宽度刮刀，增大了刀盘正面相邻刮刀的间距，有利于刀盘面板碴土的流动。每层刀具布置轨迹如图7所示。

图7 刀具布置轨迹图(单位：mm)

刀盘在砂卵石中掘进时，由于卵石强度高，对刀具冲击较大，因此对刀具的固定安装方式提出了更高的要求。如图8所示,本设计单刃滚刀采用单楔形块安装方式，拆卸方便，中心双联滚刀采用适应硬岩地层掘进的安装方式，增加了刮刀及边缘区域弧形刮刀安装螺栓的数量，且采用高强度螺栓。

图8 刀具安装方式

3.4 刀盘碴土改良

为防止刀盘在砂卵石掘进过程中产生泥饼，刀盘在碴土改良方面也进行了针对性设计。刀盘前面板均匀布置了6个单管单泵改良剂注入口，分别为4个泡沫和2个膨润土注入口，泡沫口与膨润土口可以相互切换。土仓内即刀盘背部焊接有4根随刀盘旋转的主动搅拌棒，前盾隔板上焊接有2根静止的被动搅拌棒，主动与被动搅拌棒间距150 mm，通过其相互配合，对土仓碴土进行充分地机械搅拌，从而可改善碴土的流动性。

在实际施工过程中，刀盘背部土仓中心极易产生泥饼，产生泥饼后，刀盘中心区域进碴口易被封堵，刀盘中心刀具容易被糊住。基于此，一方面土仓中心将中心隔板设计为静止隔板，不随刀盘旋转，使刀盘与中心隔板为相对运动形式；另一方面在静止中心隔板上设计高压水冲刷系统，即隔板上设计不同分布半径的3路高压水冲刷，2路备用冲刷口，同时隔板上焊接1根被动搅拌棒，搅拌棒上亦设计高压水冲刷口。同时中心回转接头至刀盘盘体中间管路连接桥，对以往“U”型梁结构形式进行了创新优化，设计为单臂梁结构，增大了土仓中心空间，减小了管路连接桥上产生泥饼的概率。刀盘土仓改良对比示意图如图9所示。

图9 刀盘土仓改良对比示意图

4 应用效果

通过对刀盘刀具进行针对性设计以及加工制造过程中的严格检测，2012—2013年，新研制的φ6 280 mm土压平衡盾构相继成功应用于成都地铁3，4号线，总数量为17台，截至2014年7月，累计掘进里程超过35 km，盾构应用效果得到了施工单位和业主的一致认可。刀盘掘进速度和土仓保压能力较之前设备有明显地提高，曾成功穿越多处危险源，后期沉降控制良好；刀盘一次掘进距离可达700～800 m，相比之前或其他设备单次掘进距离(400～500 m)，使刀具更换距离延长了约300 m。图10为刀盘贯通出洞照片，刀盘掘进过程中未产生泥饼；图11为刀盘掘进速度曲线，基本保持在50～60 mm/min，平均一环(宽1.5 m)掘进时间约为30 min，较好地保证了项目施工进度。

图10 刀盘贯通出洞照片

图11 刀盘掘进速度曲线图

5 结论与体会

通过分析成都砂卵石地质特点，对盾构刀盘进行了针对性设计，如刀具的分层布置、刀盘36%的开口率设计、合金耐磨保护、土仓中心高压水冲刷系统防结泥饼设计等，在实际施工中得到了较好的检验，表现出了良好的应用效果。

目前，国内砂卵石地层主要以成都富水自稳性差的砂卵石和北京无水自稳性较好的砂卵石地层为代表，成都地铁盾构采用配置滚刀的复合式刀盘，而北京地铁盾构采用纯辐条式刀盘，掘进距离可至1 km不换刀。针对砂卵石地层刀具以剥落切削为主，在做好碴土改良的条件下，扰动剥落下来的碴土在大开口率的刀盘内可以及时排除，从而可有效地减少其对刀盘刀具的磨损及冲击。

[1]张明富，袁大军，黄清飞，等.砂卵石地层盾构刀具动态磨损分析[J].岩石力学与工程学报，2008,27(2): 397-402.(ZHANG Mingfu,YUAN Dajun,HUANG Qingfei,et al.Analysis of dynamic abrasion of shield cutters in sandy cobble stratum[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(2): 397-402.(in Chinese))

[2]王振飞，张成平，张顶立，等.富水砂卵石地层大直径盾构刀具的磨损与适应性[J].北京交通大学学报，2013，37(3): 62-67.(WANG Zhenfei,ZHANG Chengping,ZHANG Dingli,et al.Wearing and adaptability of cutting tools for large diameter shield in water-rich sandy gravel stratum[J].Journal of Beijing Jiaotong University,2013，37(3): 62-67.(in Chinese))

[3]何川，晏启祥.加泥式土压平衡盾构机在成都砂卵石地层中应用的几个关键性问题[J].隧道建设，2007,27(6): 4-6,29.(HE Chuan,YAN Qixiang.Key issues of applying mudding-type EPB shields to sandy cobble ground

in Chengdu，China [J].Tunnel Construction,2007,27(6): 4-6,29.(in Chinese))

[4]宋克志，汪波，孔恒，等.无水砂卵石地层土压盾构施工泡沫技术研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(13): 2327-2332.(SONG Kezhi,WANG Bo,KONG Heng,et al.Study on foam technology during shield excavation in sandy cobble bed without water[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(13): 2327-2332.(in Chinese))

[5]马连丛.富水砂卵石地层盾构施工碴土改良研究[J].隧道建设，2010,30(4): 411-415.(MA Liancong.Study on ground conditioning for EPB shield in water-rich cobble ground[J].Tunnel Construction,2010,30(4): 411-415.(in Chinese))

[6]杨书江.富水砂卵石地层土压平衡盾构长距离快速施工技术[J].现代隧道技术，2009，46(3): 81-88.(YANG Shujiang.Long distance and rapid driving of EPB shield in water-soaked sand and cobble stratum[J].Modern Tunnelling Technology,2009,46(3): 81-88.(in Chinese))

[7]王法茗.基于砂卵石层的盾构施工技术[J].城市建筑,2013(18): 84.(WANG Faming.Shield construction technology based on sand and gravel layer[J].Urbanism and Architecture,2013 (18): 84.(in Chinese))

[8]罗松,张浩然.成都富水砂卵石地层盾构施工滞后沉降防控措施探讨[J].隧道建设,2010，30(3): 317-319,335.(LUO Song,ZHANG Haoran.Discussion on the prevention and control measures of settling lag shield construction in water-rich sandy gravel stratum for Chengdu Metro[J].Tunnel Construction,2010，30(3): 317-319,335.(in Chinese))

[9]徐润泽.成都富水砂卵石地层盾构施工浅析[J].科技创新导报，2010(13): 86-87.(XU Runze.A simple analysis of shield construction sand end gravel stratum in Chengdu[J].Science and Technology Innovation Herald，2010(13): 86-87.(in Chinese)).

[10]王国义.成都富水砂卵石地层盾构设备配置探讨[J].现代隧道技术,2013，50(1): 34-39.(WANG Guoyi.Discussion of the modification plan of the EPB TBM applied in a water-rich cobblestone stratum in Chengdu[J].Modern Tunnelling Technology,2013，50(1): 34-39.(in Chinese))

[11]蒲晓波，王模公，吴文彬.国内典型砂卵石地层土压平衡盾构设计改进及应用[J].隧道建设，2013，33(11): 971-976.(PU Xiaobo,WANG Mogong,WU Wenbin.Optimized design and application of EPB shields for typical sandy cobble ground in China[J].Tunnel Construction，2013，33(11): 971-976.(in Chinese))

DesignandApplicationofCutterheadofShieldBoringinWater-richSandyGravelStratainChengdu

ZHANG Jianian,HU Yujuan

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China)

Problems,including serious cutterhead wearing,cutterhead clogging and ground surface settlement,occur during the EPB shield boring in water-rich sandy gravel strata in Chengdu.As a result,the design of the cutterhead is optimized in terms of cutterhead structure,cutter arrangement,anti-wearing protection and ground conditioning.The shield with the optimized cutterhead achieves long-distance boring and good ground surface settlement control effect.The paper can provide reference for the design of the cutterheads of shields boring in similar strata in the future.

Chengdu Metro; water-rich sandy gravel strata; EPB shield; cutterhead design; ground conditioning

2014-08-06;

2014-11-15

张家年(1987—)，男，江西赣州人，2010年毕业于郑州大学，材料科学与工程类(金属材料)专业，本科，助理工程师，现从事盾构设计研发工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.014

U 45

A

1672-741X(2014)12-1202-05