陈 健

(中铁十四局集团有限公司， 山东 济南 250014)

0 引言

随着城市化建设进程和地下空间开发力度的不断加大，超大型泥水盾构工法在穿越江、河、湖、海等复杂水文地质环境的隧道工程中得到广泛应用[1-4]。隧道施工过程中面临诸如黏土类、淤泥质类、砂土类、砾卵石类及岩石类等复杂多变的地质条件，尤其对同一工程，在不同地段或者同一断面，盾构可能穿越既有软土类又有卵砾石类和岩石类的复合地层，对盾构刀盘刀具的选型及其地层的适应性提出了很高要求。同时，刀具作为易磨损件，需要经常性更换，因而刀具更换效率是决定整个盾构隧道工程施工进度的重要因素。在以往盾构施工过程中，更换刀具需通过人闸进入远高于大气压力的开挖舱进行带压换刀作业，这一过程往往存在以下缺点： 1)带压进舱更换刀具对操作人员要求高，作业风险极大，对操作人员健康非常不利； 2)操作人员在开挖舱内工作时间受限，作业效率低[5-7]。

当前，盾构刀盘刀具选型与带压换刀技术伴随着工程的开展得到了一定的研究，并针对不同的工程地质条件(如全断面砂层、富水卵石层等)，总结相应的施工措施，研究带压换刀技术的可行性和技术要点[8-10]，对换刀过程中刀盘前方周围地层和刀盘舱内气密性要求、开挖舱气压的设定所存在的风险进行充分的分析与论证[11]，总结带压换刀作业安全管控措施[12-13]。然而目前针对“上软下硬”复合地质条件所开展的研究还不够深入，总结也不够全面。

本文结合武汉地铁8号线越江隧道工程，对大直径泥水盾构长距离穿越“上软下硬”复合地质条件下的刀盘刀具选型配置进行分析研究，提出刀盘刀具的针对性配置方案，建立大直径泥水盾构常压换刀技术体系，以期解决复合地质条件下盾构施工的适应性问题。同时，提出了一种常压条件下软土地层、软硬复合地层安全、快速的滚刀、齿刀互换技术，为大直径盾构长距离施工受刀具磨损、换刀作业等限制提供解决方案。

1 工程概况

1.1 工程简介

武汉市轨道交通8号线越江隧道工程位于武汉长江二桥上游450 m处，为直径12.1 m的单管双线复合衬砌盾构隧道，见图1和图2。隧道全长3 185 m，平面最小曲线半径为700 m，采用直径为12.53 m的泥水平衡盾构施工。

图1 武汉地铁8号线越江隧道横断面示意图

Fig. 1 Sketch of cross-section of Yangtze River-crossing tunnel on Wuhan Metro Line No. 8

图2 武汉地铁8号线越江隧道位置示意图

Fig. 2 Location of Yangtze River-crossing tunnel on Wuhan Metro Line No. 8

1.2 工程地质条件

武汉地铁8号线越江隧道地层剖面如图3所示。越江隧道在江中长距离(1 100 m)穿越复合地层，上部为软弱透水的粉细砂层，下部为强风化砾岩、弱胶结砾岩及中等胶结砾岩，岩层分布长度占隧道总长度的42%，地层呈明显的上软下硬，施工难度极大。隧道最大埋深为35.5 m，最小埋深为10.49 m。江底最大水土压力达0.59 MPa，要求盾构承压能力强。

A—粉质黏土； B—粉砂； C—粉细砂； D—圆砾； E—砾岩。

图3武汉地铁8号线越江隧道地层剖面图

Fig. 3 Geological profile of Yangtze River-crossing tunnel on Wuhan Metro Line No. 8

复合地层以岩层为主，但绝大部分为散体状的强风化砾岩和泥质胶结的极软岩。隧道底部岩芯取样如图4所示。地层特性统计见表1，结果显示有约430 m的钙质胶结砾岩，最大天然抗压强度为24.40 MPa。

(a) 强风化砾岩

(b) 弱胶结砾岩

(c) 中等胶结砾岩

Fig. 4 Bottom rock cores of Yangtze River-crossing tunnel on Wuhan Metro Line No. 8

2 盾构刀盘选型

复杂的工程地质条件要求武汉地铁8号线越江隧道盾构设备选型，特别是刀盘、刀具的选型，必须保证对1 365 m长的复合地层有较强的适应性，以达到开挖顺利、换刀次数最少的目的。

针对武汉江底特殊地层，订购1台泥水加压式平衡盾构。盾构刀盘如图5所示，采用创新性复合刀盘设计理念，即在刀盘主臂内布设轨迹覆盖下半断面4.5 m范围的可常压更换双刃滚刀，并在其刀座上安装可互换的并联双刃齿刀，当其进入江底复合地层后，再更换为双刃滚刀。

刀盘开口率约28%，中心4 m范围内设有溜碴槽，依靠中心刀、先行刀及冲刷系统切削土体。

表1 地层特性统计表Table 1 Statistics of strata characteristics

图5 盾构刀盘实物Fig. 5 Shield cutterhead

3 刀盘刀具磨损与刀具选择

根据施工经验，在此类上软下硬且岩层强度较高的复合地层中掘进时刀具的磨损速度极快(见图6)，需要通过经常性刀具检查更换才可完成复合地层盾构掘进。

合理的、针对性的刀具设计形式和布置方式可以延长刀具的使用寿命，减少刀具更换次数。刀盘刀具的合理设计以及如何在高水压下安全高效地更换刀具将是本工程的重难点。

针对复合地层，提出以下主要应对措施：

1)采用贝壳型先行刀和刮刀搭配的刀具体系，刀盘外圈掘进断面4.5 m高度区域布置15把48.26 cm(19英寸)双刃常压可更换滚刀，如图7所示。

(a) 贝壳型先行刀

(b) 重型刮刀

(c)常压可互换滚刀齿刀

2)盾构刀具设置应有层次性，先行刀、滚刀(齿刀)高出常压可更换刮刀40 mm，常压可更换刮刀高出固定刮刀20 mm，先行刀、滚刀(齿刀)先行破碎、疏松地层，为刮刀创造更好的开挖切削环境，固定刮刀作为二次切削和保护刀盘的第3层刀具。

3)采用可常压更换刀具设计，刀盘内部设计为中空，1/3的刀具可以实现常压更换，其切削轨迹覆盖整个开挖面。

4)选择合适位置，及时对刀具进行常压检查更换，同时在复合地层根据刀具磨损检测预警，及时更换刀具，避免出现刀具过度磨损后继续带伤作业，伤及刀盘以致造成更大的施工风险。

5)确保盾构推进速度与出渣速度相匹配，减少地层中大颗粒在开挖舱中的堆积，避免刀具出现二次磨损。

6)全部滚刀均采用常压可更换设计，并能实现滚齿互换，即在上软下硬复合地层采取滚刀、先行刀、刮刀配合开挖理念；在全断面软土地层，把所有滚刀更换为单刃或双刃齿刀(刀高与先行刀一致)，采用齿刀、先行刀、刮刀配合开挖理念。

4 常压换刀技术

4.1 常压换刀技术概述

常压换刀是指施工人员在常压下由通道进入装有磨损刀具的主刀臂内，利用液压油缸并配合刀腔闸板，在常压条件下将刀具从刀腔内抽出，待对刀具进行必要的检查与更换后，将刀具装回，实现常压刀具更换。

相较于带压换刀，常压换刀的明显技术优势为：

1)换刀的整个过程均在常压下进行，作业人员不需要置身于高压环境中开展换刀作业，施工安全系数高且对作业人员身体健康无影响；

2)常压条件下换刀人员施工效率更高，同时省掉了带压换刀时加压进舱、减压出舱等操作，并消除了带压换刀作业时时间长度受限的不利影响，常压换刀比带压换刀的施工效率提高了4～5倍[14-15]；

3)减少了带压进舱作业所需的高黏度泥浆制备、泥浆置换和专业潜水作业及操舱人员等，精减了作业工序。

4.2 常压换刀程序及滚刀更换技术要点

为适应武汉地铁8号线越江隧道江中段复合地层特点，根据可更换刀具的切削面需覆盖整个开挖面的要求，本工程盾构刀盘共设有76把常压可更换刀具，包括61把软土刀具和15把双刃滚刀。

4.2.1 常压换刀程序

4.2.1.1 准备工作

1)换刀前进行泥水大循环，尽可能多地排出土舱内渣土，以防止细小砂砾在换刀时进入刀腔，造成刀具安装困难。

2)转动刀盘，使所需更换刀具的刀臂呈竖直方向位于底部，连接气管和高压水管(开关刀具闸门时起冲洗作用)并接好舱内安全照明。

3)根据换刀专用图纸，选择对应的油缸、刀箱。

4.2.1.2 刀具更换

1)初始状态如图8所示： ①打开盖上的球阀进行放气；②关闭外壳上的球阀。

1—盖上的球阀； 2—外壳上的球阀。

图8刀具初始状态
Fig. 8 Initial state of cutting tool

2)移除盖子。过程如图9所示： ①松开螺栓；②移去盖子。

1—带垫圈的螺栓； 2—盖子。

图9盖子移除过程示意
Fig. 9 Sketch of cover removal process

3)伸缩油缸安装，过程如图10所示： ①安装伸缩油缸；②旋进螺栓，并将其拧紧(拧至指定转矩)。

1—伸缩油缸； 2—带垫圈的螺栓。

图10伸缩油缸安装过程示意
Fig. 10 Sketch of installation process of telescopic cylinder

4)刀具更换设备安装。过程如图11所示： ①固定好刀具更换设备的位置，观察机械编码；②插入插销，用弹簧销将其固定；③旋进螺栓，并将其紧固(拧至指定转矩)；④连接液压管。

5)移去刀具，松开螺栓，如图12所示。

6)液压管与油缸安装。过程如图13所示： ①连接液压管；②安装闸门夹钳和液压油缸。

7)移去刀具，闭合设备。过程如图14所示： ①缩回伸缩油缸(外壳和里面的刀具回缩)；②缩回滑块和液压油缸，使之闭合。

1—刀具更换设备； 2—插销； 3—弹簧销； 4—带垫圈的螺栓； 5—防扭保护、机械编码； 6—液压管连接点。

图11刀具更换设备安装过程示意

Fig. 11 Sketch of installation process of cutting tool replacement equipment

1—带垫圈的螺栓。

图12螺栓松动过程示意
Fig. 12 Sketch of bolt loosening process

1—液压管连接点； 2—夹钳； 3—液压油缸。

图13液压管与油缸安装过程示意

Fig.13 Sketch of installation process of hydraulic pipe and cylinder

1—外壳； 2—闭合设备滑块； 3—液压油缸。

图14设备闭合过程示意
Fig. 14 Sketch of equipment closure process

8)压力补偿。过程如图15所示： ①当闸门关闭后，利用球阀进行压力补偿。将水管拆除，观察刀腔内是否有压力以及泥浆流出。如果存在压力和泥浆流出，说明闸门没有完全关闭；如果不存在，就可以将刀具安全抽出。②压力补偿完毕后，关闭球阀。

1—球阀。

图15压力补偿过程示意
Fig. 15 Sketch of pressure compensation process

9)移去刀具更换设备。过程如图16所示： ①松开螺栓；②用工具移去刀具更换设备；③刀具抽出后，根据刀头磨损情况更换刀头。

1—带垫圈的螺栓； 2—刀具更换设备。

图16刀具更换设备移除过程示意
Fig. 16 Sketch of removal process of cutting tool replacement device

4.2.1.3 刀具安装

刀具安装按照刀具拆除的相反顺序进行，更换刀具体时要注意核对刀具编号，注意刀具合金的方向。新刀更换后将刀体准确放至安装位置，安装之前在油缸上均匀涂抹黄油，将刀头慢慢推进至闸阀前，先开启高压水冲洗闸阀，再开闸门，然后将整个刀体准确推至原位，紧固好刀体固定后座螺栓。

4.2.2 滚刀常压更换技术要点

按照切削轨迹，本工程盾构刀盘有3类可更换滚刀，对应3种换刀方式。滚刀换刀操作步骤与软土刀具相似，但由于滚刀工作原理更为复杂[15]，故滚刀常压更换需额外注意以下技术要点：

1)由于滚刀一侧加装了磨损探测仪，因此在进行换刀前，需关闭磨损探测球阀，并拆除磨损探测管线。

2)利用托架和刀筒夹具替代摆钟型套筒，为滚刀刀筒固定和提升提供着力点，刀筒按照操作规程抽出规定长度后，安装托架和刀筒夹具，如图17所示。待刀筒完全抽出后，配合上方的气动葫芦与吊链，采用水平或倾斜的方式将刀筒吊出。

图17 托架与刀筒夹具Fig. 17 Bracket and clamp of barrel

3)根据滚刀刀筒形式的不同，可伸缩油缸前端与刀筒的连接方式有2种，如图18所示： ①利用插销将双油缸连接到刀筒两侧吊耳上(须保证两侧油缸同步伸缩)；②通过油缸锁板连接到刀筒上。由于托架和夹具无法为刀筒回缩提供反作用力，因此油缸后端连接在油缸底座上。

(a) 双油缸连接

(b) 油缸锁板连接

4)刀筒伸缩过程中，应严格确保刀筒上定位销与闸门阀体上定位孔一致，由于滚刀布置位置的不同，部分刀筒需采取双链起吊、倾斜吊出，起吊过程中须保证角度正确，吊运过程中不出现大的摆动，确保施工人员人身安全。

5)本工程盾构全部滚刀均可进行常压下的滚齿互换。当盾构掘进断面在土质软弱地层与岩质坚硬地层间相互转换时，需对滚刀刀位进行滚齿互换，以满足不同地层的切削要求。滚齿互换的刀筒抽出方式与滚刀更换相同，在刀筒抽出后对刀筒中的刀具进行滚刀和齿刀的更换，此处不再赘述。

4.3 盾构刀具地层适应性切削配置技术

上软下硬复合地质条件对盾构刀具布置提出了极高的要求，需要通过与地层相适应的刀具配置来确保盾构掘进的高效率和刀具的低磨损。

4.3.1 全粉细砂断面

该断面位于武昌区一侧陆基段，覆土厚度为33.49 m。

粉细砂地层相对较为松散，齿刀即可满足土体切削的需求，因此将15把48.26 cm(19英寸)双刃滚刀全部更换为齿刀，以齿刀、中心刀、撕裂刀组成刀盘第1层刀具，可以满足在该地层条件下的正常掘进需求。

4.3.2 粉细砂、强风化砾岩复合断面

该断面处于江中，水深23.50 m，覆土厚度为13.92 m，其中含粉细砂40.17%、强风化砾岩59.83%。

该断面包含超过一半的强风化砾岩，该类岩体强度最高为13.2 MPa，结合齿刀的使用条件，在该地层条件下可利用齿刀对侵入岩体进行一定范围的切割，但是由于刀盘直径较大，最外圈齿刀切削行程较长导致最外圈齿刀磨损较为严重，因此在全粉细砂断面的配刀基础上，选择部分最外圈齿刀更换为48.26 cm(19英寸)双刃滚刀，每个主刀臂更换1把，共计设置6把双刃滚刀。掘进过程中利用双刃滚刀和齿刀并辅以中心刀、撕裂刀，对强风化砾岩先行进行破碎切削。

4.3.3 粉细砂、强风化、弱胶结和中等胶结砾岩复合断面

该断面处于江中，水深21 m，覆土厚度为17.03 m，其中含粉细砂33.21%、强风化砾岩40.98%、弱胶结砾岩9.06%、中等胶结砾岩16.75%。

该断面含有强度达到24.4 MPa的中等胶结砾岩，该类岩体对齿刀磨损极为严重，且其断面侵入高度达到2 m。在该断面地层掘进时，应利用双刃滚刀作为主要破岩切削工具，确保双刃滚刀的切削轨迹完全覆盖中等胶结砾岩。针对本工程，需将全部齿刀更换为48.26 cm(19英寸)双刃滚刀，以实现有效破岩切削。针对武汉地铁8号线越江隧道上软下硬复合地层提出的针对性刀具配置方案如图19所示。

(a) 全粉细砂地层及首层刀具配置

(b) 粉细砂、强风化砾岩复合地层及首层刀具配置

(c) 粉细砂、强风化、弱胶结和中等胶结砾岩复合地层及首层刀具配置

5 结论与建议

1)针对本工程特殊的水文和地质条件，采用创新性复合刀盘设计理念，通过滚刀、贝壳型先行刀和刮刀搭配的刀具切削配置体系，采用可常压更换和滚刀齿刀互换理念，对刀盘刀具选型进行了充分研究、实施和应用，大大延长了刀具使用寿命，保证了高水压条件下刀具更换的作业安全，提高了刀具更换效率，降低了隧道施工风险，应用效果良好，是“软土+硬岩”复合地层条件下盾构掘进的一个成功案例，可为类似复杂地质条件的盾构施工提供借鉴。

2)针对本工程江底不同岩性复合地层地质条件，国内首次开发应用了常压下滚刀更换和滚刀齿刀互换技术，针对性地提出了软土、软土+软岩、软土+硬岩3种不同地质断面下的刀具切削配置形式，并在本工程中成功应用，极大地提高了掘进效率，降低了高水压江底换刀风险，缩短了作业周期。目前该隧道已顺利贯通，施工中创造了在软土地层月掘进668 m、软土+软岩地层月掘进226 m、软土+硬岩地层月掘进160 m的大型盾构掘进纪录。

3)由于常压换刀刀具、刀盘配置设计使得刀盘开口率降低，尤其刀盘中心区域开口率会更小，施工中容易造成切削碴土排出不流畅，在软土中还易形成泥饼。为解决此类问题，在满足刀盘切削轨迹要求的条件下，今后需进一步优化常压可更换刀具的小型化设计，尽可能地增大刀盘开口率；同时为防止刀盘中心易结泥饼，需对刀盘中心区域刀高和刀盘中心流碴槽进行创新性设计。

随着超大型泥水盾构工法在穿越江、河、湖、海等复杂水文地质环境下的广泛应用，尤其针对高水压地质条件下在土岩复合地层、球状风化体、岩溶分布区等复杂地质的盾构掘进难题，刀盘刀具的适应性配置、磨损刀具更换以及提高刀具的耐磨性等问题将是长期性的研究课题。

[1] 张公社. 超大直径泥水平衡式盾构机始发技术[J]. 铁道建筑技术, 2009(8): 57.

ZHANG Gongshe. Launching technology of super-diameter slurry-pressure-balance TBM [J].Railway Construction Technology, 2009(8) : 57.

[2] 赵文政,杨钊. 南京纬三路隧道泥水盾构始发建舱技术[J]. 现代交通技术, 2013, 10(3) : 61.

ZHAO Wenzheng, YANG Zhao. Technologies for cabin construction for slurry shield launching section in Nanjing Weisanlu Tunnel [J].Modern Transportation Technology, 2013, 10(3): 61.

[3] 季斌. 高耐久性、超大直径盾构管片混凝土在钱江隧道中的应用[J]. 隧道建设, 2012, 32(1)： 41.

JI Bin. Application of high durable concrete for large-diameter segments of Qianjiang Tunnel [J].Tunnel Construction, 2012, 32(1): 41.

[4] 杨文武. 盾构法水下隧道工程技术的发展[J] .隧道建设, 2009, 29(2): 145.

YANG Wenwu. Development of underwater shield-bored tunnels [J].Tunnel Construction, 2009, 29(2): 145.

[5] 陈馈. 盾构带压进舱安全系统的研制[J] . 铁道工程学报, 2009， 26(3): 54.

CHEN Kui. Development of the safeguard system for person to access into working chamber of shield TBM under compressed air [J]. Journal of Railway Engineering Society, 2009, 26(3): 54.

[6] 晏启祥,郑代靖,何川,等. 富水砂卵石地层地铁盾构施工若干问题及对策[J]. 地下空间与工程学报, 2015, 11(3): 713.

YAN Qixiang, ZHENG Daijing, HE Chuan, et al. Problems and countermeasures of metro shield construction in water-soaked sand and cobble stratum [J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2015, 11(3): 713.

[7] 邓如勇,汪辉武,戴兵,等. 兰州地铁1号线盾构下穿黄河强透水地层施工安全性研究[J]. 铁道建筑, 2016(9): 57.

DENG Ruyong, WANG Huiwu, DAI Bing, et al. Study of construction safety in case of Lanzhou Metro Line No.1 shield tunnel passing through strong permeable straum under the Yellow River [J].Railway Engineering, 2016(9): 57.

[8] 鲁棣源. 谈全断面砂层中土压盾构机带压换刀的技术与应用[J].山东工业技术, 2016(8): 190.

LU Diyuan. Technology and application of cutter replacing under compressed air for earth pressure shield in full-face sandy stratum [J].Shandong Industrial Technology, 2016(8): 190.

[9] 王住刚,曹振,李治中. 西安地铁富水密实性砂层盾构带压换刀技术[J]. 隧道建设, 2017, 37(1):97.

WANG Zhugang, CAO Zhen, LI Zhizhong. Technologies of shield cutting tool replacement under hyperbaric condition in water-rich and compact sandy stratum of Xi′an Metro [J].Tunnel Construction, 2017, 37(1): 97.

[10] 程明亮,何峰,吕传田. 大埋深富水砂卵石地层泥水盾构带压换刀及动火焊接技术[J]. 中国工程科学, 2010,12(12): 46.

CHENG Mingliang, HE Feng, LYU Chuantian. Tools repairing and welding techniques with high pressure of slurry shield under deep water-rich sandy gravel stratum [J].Engineering Science, 2010,12(12): 46.

[11] 黄学军,杨艳玲. 南昌地铁泥水盾构穿越赣江风险分析及其控制措施[J]. 公路交通技术, 2016, 32(2): 112.

HUANG Xuejun, YANG Yanling. Analysis for risks of slurry shield in Nanchang Metro crossing Ganjiang River and control measures [J].Technology of Highway and Transport, 2016, 32(2): 112.

[12] 张伟. 浅谈地铁建设盾构法施工带压换刀作业及其安全保证措施[J]. 水利水电施工, 2016(3):78.

ZHANG Wei. Discussion on cutter replacing under compressed air of metro shield tunneling and its safety guarantee measures [J].Construction of Hydraulic Engineering, 2016(3): 78.

[13] 张佳兴. 长株潭城际铁路开滨区间盾构施工技术(十) 开仓作业(下)[J]. 工程机械与维修, 2016(9): 90.

ZHANG Jiaxing. Construction technology for shield tunneling in Kaifusi-Binjiangxincheng section of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Intercity Railway (Ⅹ): Chamber opening operation (part 2) [J].Engineering Machinery and Maintenance, 2016(9): 90.

[14] 周骏,张天举. 超大型泥水盾构机刀盘伸缩机构和刀盘结构设计与应用[J]. 建设机械技术与管理, 2016, 29(12): 59.

ZHOU Jun, ZHANG Tianjü. Design and application on the telescoping mechanism and structure of the cutter plate for the super large slurry shield machine[J].Construction Machinery Technology and Management, 2016,29(12): 59.

[15] 韩伟锋,陈馈,周建军,等. 滚刀常压换刀技术研究[J]. 隧道建设, 2015, 35(12): 1351.

HAN Weifeng, CHEN Kui，ZHOU Jianjun，et al. Study of replacement of disc cutter under atmospheric condition [J].Tunnel Construction, 2015, 35(12): 1351.