卵礫石地層隧道盾構刀具選型研究

張士龍

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

卵礫石地層隧道盾構刀具選型研究

張士龍

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

從國外引進的盾構機刀具配置不能適應我國部分城市砂卵石地層卵石粒徑大和石英含量高的特點，刀具磨損及沖擊崩裂嚴重。本文總結我國砂卵石地層中盾構刀具布置的常用形式及其效果，結合南京緯七路過江隧道穿越砂卵石地層中盾構刀具選型與布置，提出盾構刀具布置不僅要遵循幾何對稱和力學對稱原則，而且要遵循等磨損原則，注意不同刀具之間的協(xié)同作用;砂卵石地層中，正面刮刀(切削刀)和貝型先行刀組合，再輔以其他刀具;在刀具配置中，要慎重考慮貝型先行刀的布置間距和貝型先行刀與刮刀高差的取值。

卵礫石地層 盾構刀具布置 幾何對稱 等磨損

隨著城市地鐵、地下道路和過江通道的修建，盾構機被越來越多地應用［1］。由于我國的盾構技術剛起步，目前使用的盾構機大部分是從德國和日本進口［2］。由于德國和日本砂卵石地層分布較少，其盾構技術應用于砂卵石地層尚不夠成熟。

砂卵石地層是一種咬合不穩(wěn)定地層，粒徑不均，卵石粒徑大、石英含量高、內(nèi)摩擦角大，不適用普通切削，但受擾動后極易自行崩塌，穩(wěn)定性低于多裂隙巖層。在北京、沈陽、成都和南京廣泛分布的砂卵石地層中進行隧道施工，盾構機常常出現(xiàn)刀盤刀具設計與地層條件不適應的情況，有些導致嚴重工程后果。

本文介紹盾構刀具的一般布置形式，總結我國砂卵石地層中盾構刀具布置的常用形式，對南京緯七路過江隧道穿越砂卵石地層盾構刀具布置與地層適應性進行分析。

1 刀具布置一般形式

從優(yōu)化設計考慮，盾構刀具按一定的力學和幾何學規(guī)律分散布置在刀盤上，從而達到布局、結構和負載的合理性［3］。切削刀具主要按阿基米德螺旋線和同心圓的幾何規(guī)律在刀盤上布置，目前采用最多的是阿基米德螺旋線布置法，如圖1所示。

阿基米德螺旋線極坐標表達式為［4］

圖1 阿基米德螺旋線

式中，ρ為極徑，ρ0為極徑初始值，α為常因數(shù)，θ為極角。假設盾構中心刀最大切削直徑為d3，刀盤上切削刀具寬度為b1，則

式中，c為初始切削刀與中心刀的重疊量，計算如下

式中，ΔN為切削刀的布置數(shù)目N'取余。假設盾構外徑為d1，刀盤切削外徑為d2，周邊刮刀寬度為 b2，如圖2所示，則為

式中，N'一般按照四舍五入取整，Δb為刀具切削軌跡之間搭接重疊量，若無重疊量則Δb=0。

圖2 刀盤尺寸及刀具開挖半徑示意

切削刀一般布置在刀盤輻條或者刀盤面板邊緣，以便切削下來的土進入土倉。由于盾構刀盤的正反轉，切削刀應成正負對稱布置。而且，同一刀盤上切削刀的運行距離與其分布半徑成正比，即相同運行時間內(nèi)，外周切削刀比內(nèi)周切削刀的運行距離較長，其磨損較大。按照等磨損布置原則，外周切削刀布置間距一般小于內(nèi)周切削刀的布置間距。比如在切削直徑1/2圓周內(nèi)采用單螺線布置，其余外周采用雙螺線布置，如圖3所示。這種以切削刀布置為主，輔以中心魚尾刀、周邊刮刀和超挖刀的刀具布置形式在進口盾構機上較常見，適用于黏土、砂土等軟土地層。

圖3 刀盤切削刀布置示意

2 砂卵石地層刀具布置

北京、成都及沈陽等城市地鐵隧道區(qū)間和南京過江隧道均為典型的砂卵石地層，卵石粒徑大，石英含量高，刀具的磨損及沖擊崩裂嚴重，依靠切削刀單一切削模式不能滿足工程需要，使用了貝型先行開挖刀，并在膠結型砂卵石地層使用了滾刀。

刀具切削按原理分為4種:①流水型切削;②剪切型切削;③斷裂型切削;④剝落型切削，見圖4。砂卵石地層對應的切削模式為剝落型切削。

目前在砂卵石地層中，盾構刀盤主要有3類刀具配置方式:①正面刮刀+周邊刮刀組合，在北京地鐵和沈陽地鐵工程中被采用;②正面刮刀+周邊刮刀+滾刀組合，廣泛應用于成都地鐵，北京地鐵也有應用;③正面刮刀+周邊貝型刀+先行刀或正面刮刀+周邊貝型刀+中心魚尾刀+先行刀組合，在北京地鐵應用較多。工程應用表明，第①類及第②類刀具配置方式工程效果較差，刀具磨損嚴重。因此，在松散砂卵石地層中，配置貝型先行刀成為盾構機刀具配置的重要參考。基于貝型先行刀 +正面刮刀的刀具配置模式，黃清飛［5］提出了犁松原理。

圖4 四種不同切削模式

對于卵礫石地層，刀盤刀具設計與地層條件不適應是導致嚴重工程后果的主要因素，對刀盤或刀具改造后工程效果表明:因刀具過度磨損導致的嚴重工程事故問題完全可以依靠合理的刀盤設計和刀具配置來避免。

工程應用表明:對于卵礫石地層，正面刮刀(切削刀)和貝型先行刀的組合方式，再輔以其他周邊刀具，如中心魚尾刀、周邊刀，是刀具布置的較好選擇。在刀具布置方面，除了要考慮刀具布置的幾何對稱性，還要考慮刀具的等磨損原則。同時，還要注意不同刀具之間的協(xié)同切削。由工程實踐經(jīng)驗，盾構刀盤外圈刀具的磨損量由下式計算

式中，δ為磨損量，mm;K為磨耗系數(shù)，mm/km;D為盾構刀盤外徑，m;wd為刀盤轉動速度，r/min;L為掘進距離，km;v為掘進速度，m/min。

3 刀具布置與地層適應性分析

隨著盾構掘進地層的不同，刀具的布置也應不同，即刀具布置的地層適應性需要在施工中驗證。下面結合南京緯七路過江隧道盾構刀具磨損情況，對刀具的優(yōu)化布置進行探討。

南京緯七路過江隧道主要穿越地層上部由第四系全新統(tǒng)新近沉積松散粉細砂組成，中部由第四系中密～密實粉細砂組成，下部由上更新統(tǒng)密實礫砂、圓礫等組成，第四系地層下伏基巖為白堊系鈣質(zhì)泥巖夾鈣質(zhì)細砂巖。本工程盾構隧道穿越地層以粉細砂和礫砂地層為主。

南京緯七路過江隧道工程采用2臺φ14.93 m泥水加壓平衡盾構掘進，刀盤采用輻條—面板式結構，開口率約35%，刀具由189把刮刀(切削刀)(包括118把固定刀和71把常壓可更換刀)、16把先行刀、6對周邊大鏟刀、6對小鏟刀和2把仿形刀組成，刮刀高出面板200 mm，先行刀高出面板250 mm，先行量50 mm。盾構刀盤形式見圖5，各類刀具詳圖及介紹如下:

圖5 南京緯七路長江隧道刀盤結構

1)固定刮刀:焊接在刀盤主輻臂上，不可常壓更換，共118把，結構形式如圖6(a)所示。

2)可更換刮刀:可更換切削刀通過特殊構造設計，作業(yè)人員在主輻臂內(nèi)可實現(xiàn)常壓更換，總數(shù)71把，中心7個圓柱刀每軌跡一把，其余每軌跡2把，可更換刀具形式如圖6(b)所示。

3)先行刀:盾構所配置的16把先行刀焊接于刀盤主輻條上，總高度250 mm，高出其他刀具50 mm，先行刀結構形式如圖6(c)所示。

4)周邊刮刀:布置在刀盤副輻臂邊緣，成對布置，盾構掘進時將底部沉積大粒徑土渣刮入土倉。周邊刮刀結構形式如圖6(d)所示。

南京緯七路長江隧道盾構既有刀盤刀具在部分斷面礫砂層中掘進約270 m時出現(xiàn)刀盤及周邊刀嚴重磨損、刀具合金大面積脫落失效等現(xiàn)象，并且先行刀刀頭整個上部完全磨損，根據(jù)堆焊痕跡可估計磨損約90 mm，剩余高度約165 mm，低于刮刀高度，完全失效。由此可知，16把先行刀的數(shù)目過少，不符合等磨損刀具布置原則。

圖6 各類盾構刀具結構形式(單位:mm)

根據(jù)等磨損和刀具切削協(xié)同作用原則，貝型先行刀的間距應取為其厚度的6倍。根據(jù)目前先行刀常規(guī)設計厚度，對應間距可取為300～400 mm，同時根據(jù)國內(nèi)砂卵石地層先行刀設計應用工程經(jīng)驗，先行刀與刮刀高差建議取為40～50 mm。這些建議在南京地鐵10號線和3號線的盾構刀盤刀具配置中得到了應用。

4 結論

1)盾構刀具布置中，不僅要遵循幾何對稱和力學對稱原則，而且要遵循等磨損原則，注意不同刀具之間的協(xié)同作用。

2)針對砂卵石地層，正面刮刀(切削刀)和貝型先行刀的組合方式，輔以其他刀具，是刀具布置的較好選擇。

3)正面刮刀(切削刀)和貝型先行刀的組合中，貝型先行刀的布置間距和貝型先行刀與刮刀高差取值是刀具布置成敗的關鍵。

［1］王夢恕．我國地下鐵道施工方法綜述與展望［J］．地下空間，1998，18(2):98-103．

［2］王夢恕，施仲衡，劉建航．地下隧道工程裝備國產(chǎn)化發(fā)展研究報告［R］．北京:北京交通大學，2007．

［3］陳國盛．阿基米德螺旋線在盾構技術中的應用［J］．重工與起重技術，2006(2):18-20．

［4］閆玉茹，黃宏偉，程知言，等．盾構切削刀具的布置規(guī)律及優(yōu)化研究［J］．隧道建設，2010(5):508-512．

［5］黃清飛．砂卵石地層盾構刀盤刀具與土相互作用及其選型設計研究［D］．北京:北京交通大學，2010．

U455.43

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．28

1003-1995(2013)04-0091-03

2012-07-23;

2013-01-16

國家自然科學基金項目(51178027)

張士龍(1979— )，男，安徽泗縣人，工程師。

(責任審編 李付軍)