廈門軌道交通2號(hào)線跨海段盾構(gòu)滾刀磨損與更換預(yù)測

許黎明, 楊延棟, 周建軍, 陳 饋， 蔡光遠(yuǎn)

(1. 廈門軌道交通集團(tuán)有限公司， 福建 廈門 361001； 2. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001)

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廈門軌道交通2號(hào)線跨海段盾構(gòu)滾刀磨損與更換預(yù)測

許黎明1, 楊延棟2, 周建軍2, 陳 饋2， 蔡光遠(yuǎn)1

(1. 廈門軌道交通集團(tuán)有限公司， 福建 廈門 361001； 2. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001)

對(duì)盾構(gòu)法施工跨海隧道，有效降低由于滾刀磨損所帶來的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)并有計(jì)劃地進(jìn)行滾刀更換十分重要，針對(duì)廈門軌道交通2號(hào)線跨海段地質(zhì)條件，基于理論預(yù)測模型和實(shí)驗(yàn)預(yù)測模型對(duì)幾類巖石條件下滾刀的換刀距離進(jìn)行了預(yù)測。通過分析刀具更換工法的適應(yīng)性，提出對(duì)廈門軌道交通2號(hào)線跨海段換刀位置與換刀工法的建議： 1)淤泥段采用切削類刀具，換刀方式采用常壓開艙換刀，換刀位置在1#聯(lián)絡(luò)通道附近； 2)全強(qiáng)風(fēng)化低壓段采用盤形滾刀，換刀方式以帶壓進(jìn)艙換刀為主，在該掘進(jìn)段需要換刀4次，其中第3次在大兔嶼1#中間風(fēng)井處更換，其余3次均在海底更換； 3)全強(qiáng)風(fēng)化高壓段采用盤形滾刀，在該掘進(jìn)段需要換刀4次，換刀方式以飽和氣體帶壓進(jìn)艙換刀為主； 4)中微風(fēng)化硬巖段采用盤形滾刀，在該掘進(jìn)段需要換刀3次，換刀方式以減壓限排換刀為主。

跨海隧道； 滾刀磨損； 磨損預(yù)測； 滾刀更換； 換刀方式

0 引言

刀盤刀具磨損已成為盾構(gòu)法施工跨海隧道所面臨的挑戰(zhàn)之一[1-2]。滾刀磨損后若不能及時(shí)更換，容易導(dǎo)致刀具、刀盤甚至盾構(gòu)設(shè)備損壞，繼而因刀具更換或維修引起嚴(yán)重的工期延遲，造成項(xiàng)目投資成本增加[3]。對(duì)于廈門軌道交通2號(hào)線跨海段盾構(gòu)施工存在同樣的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)，因此在盾構(gòu)施工之前有必要通過理論和實(shí)驗(yàn)的方法來評(píng)價(jià)巖土的磨蝕性、預(yù)測滾刀的磨損量并選擇合適的換刀位置，從而指導(dǎo)工程進(jìn)度和成本預(yù)算，規(guī)避和減小施工風(fēng)險(xiǎn)。

目前，對(duì)于滾刀磨損的預(yù)測問題，國內(nèi)外專家和學(xué)者已開展過針對(duì)性研究。G.Wijk[4]提出了滾刀掘進(jìn)距離與巖石CAI值的平方成反比的滾刀壽命預(yù)測模型； A.Bruland[5]利用通過巖石鉆孔Siever’s實(shí)驗(yàn)確定的SJ系數(shù)和通過巖粉磨蝕實(shí)驗(yàn)確定的AVS(或AV)巖石磨耗性系數(shù)，建立了NTNU模型來預(yù)測刀具的壽命；張照煌等[6]利用弧長磨損系數(shù)預(yù)測盤形滾刀的壽命；楊媛媛等[7]基于圍巖的分類等級(jí)預(yù)測滾刀的磨損；王瑤等[8]根據(jù)滾刀的運(yùn)轉(zhuǎn)距離預(yù)測滾刀的壽命；魏南珍等[9]根據(jù)滾刀的安裝位置即滾刀刀位號(hào)預(yù)測滾刀的磨損。

上述研究中得出的用于滾刀磨損預(yù)測的方法，為廈門軌道交通2號(hào)線跨海段刀具磨損與更換預(yù)測提供了思路，但由于這些方法的局限性，均未能得到廣泛地應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，本文提出理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的刀具磨損預(yù)測方法，并通過相互驗(yàn)證提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。通過滾刀磨損機(jī)制分析，建立模型并對(duì)滾刀磨損進(jìn)行初步預(yù)測；通過現(xiàn)場巖樣的磨蝕性實(shí)驗(yàn)建立巖石的磨蝕性指標(biāo)，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測滾刀的磨損量；最后在理論預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)預(yù)測結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合跨海段地質(zhì)條件的實(shí)際情況，對(duì)滾刀更換的位置和工法提出建議。

1 跨海段工程概況

廈門軌道交通2號(hào)線跨海段主要連接海滄大道站和東渡路站，區(qū)間采用復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)施工。區(qū)間設(shè)2座中間風(fēng)井(1#和2#風(fēng)井),分別位于大兔嶼和廈門本島內(nèi)側(cè),采用礦山法開挖; 設(shè)3座獨(dú)立的聯(lián)絡(luò)通道，均位于海底，采用凍結(jié)加固后礦山法施工?？绾６喂こ唐矫鎴D如圖1所示。

廈門軌道交通2號(hào)線工程跨海段區(qū)間長約2 500 m。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，盾構(gòu)穿越基巖、半巖半土、基巖全(強(qiáng))風(fēng)化層的長度分別為532.5、100、1 935.5 m，分別占掘進(jìn)長度的20.7%、3.9%、75.4%。穿越海底段地層起伏大，最小覆土厚約8 m，最大覆土厚約60 m，最大水壓約0.55 MPa。

圖1 廈門軌道交通2號(hào)線跨海段工程平面圖

工程基巖波動(dòng)起伏大，有巖石礁盤吐露，又有風(fēng)化深槽下切且無規(guī)律性。海滄?zhèn)葹檠嗌狡谇秩牖◢弾r；廈門島側(cè)為凝灰熔巖；中部為淺變質(zhì)的泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖和板巖等，局部為黑云母安山巖。巖石最大抗壓強(qiáng)度達(dá)90 MPa，石英含量不超過50%?？绾６蔚墓こ痰刭|(zhì)如圖2所示。

圖2 廈門軌道交通2號(hào)線跨海段工程地質(zhì)示意圖(單位: m)

2 滾刀換刀工法及適應(yīng)性

現(xiàn)階段盾構(gòu)滾刀均采用背裝式安裝，應(yīng)用于滾刀更換的工法主要包括： 常壓開艙換刀、帶壓進(jìn)艙換刀、飽和氣體帶壓進(jìn)艙換刀和減壓限排換刀等。

2.1 常壓開艙換刀技術(shù)

在地層比較穩(wěn)定、無大量地下水涌出且無有毒氣體存在的情況下，一般采用常壓開艙換刀。在條件允許的情況下，對(duì)于開挖面地層穩(wěn)定性差或者地下水較豐富的地層，應(yīng)預(yù)先將刀盤開挖面進(jìn)行加固，實(shí)施降水和防水措施，使開挖面具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，然后開艙對(duì)刀盤刀具進(jìn)行檢查和更換。對(duì)不加固地層進(jìn)行常壓開艙換刀，每次換刀顯性成本低，但地面坍塌風(fēng)險(xiǎn)大，換刀時(shí)間不易控制；對(duì)盾構(gòu)前方土體加固后進(jìn)行常壓開艙換刀，換刀人員的安全有保障，換刀時(shí)間較短，地面坍塌的風(fēng)險(xiǎn)較小，但需要對(duì)換刀位置進(jìn)行圍蔽，給交通帶來不便。

常壓開艙換刀的優(yōu)點(diǎn)： 可以提供較為寬敞和穩(wěn)定的修復(fù)空間，便于換刀工作的順利開展；可以進(jìn)行焊接和氣割等工作，是最常用的徹底修復(fù)刀盤刀具的可靠方法。常壓開艙換刀的缺點(diǎn)： 對(duì)于開挖面地層穩(wěn)定性差或者地下水較豐富的地層，進(jìn)行常壓開艙換刀時(shí)，需要從地面進(jìn)行地層加固，甚至開挖豎井，影響交通； 工期較長，投資較大。

2.2 帶壓進(jìn)艙換刀技術(shù)

對(duì)于氣密性不良的地層，需對(duì)刀盤前方開挖面進(jìn)行土體改良加固處理。在保證刀盤前方及周圍地層滿足氣密性要求的條件下，利用盾構(gòu)上配有的空氣壓縮機(jī)，通過供氣系統(tǒng)將高壓氣輸送到開挖面，并逐步置換密閉艙內(nèi)的渣土或泥漿，以氣壓代替土壓或泥水壓力。根據(jù)對(duì)開挖面中心水土壓力的計(jì)算，通過氣體壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)定氣體壓力來穩(wěn)定開挖面。開挖面保壓成功后，通過控制閘門來實(shí)現(xiàn)人員進(jìn)艙，并在設(shè)定氣體壓力狀態(tài)下進(jìn)行檢查、更換刀具及排除工作面異物等工作。

帶壓進(jìn)艙換刀優(yōu)點(diǎn)： 洞內(nèi)加固，不占用地面，對(duì)周圍環(huán)境影響??；加固效果好，地面不變形；加固費(fèi)用相對(duì)經(jīng)濟(jì)；可頻繁實(shí)施換刀。缺點(diǎn)： 在高壓環(huán)境下進(jìn)行氣割和焊接等作業(yè)相當(dāng)困難，難以對(duì)刀盤刀具磨損部位進(jìn)行徹底修復(fù)；帶壓進(jìn)艙作業(yè)工藝復(fù)雜，高壓力對(duì)人員安全有一定的影響；帶壓進(jìn)艙換刀的主要風(fēng)險(xiǎn)是開挖面及上部土體失穩(wěn)造成塌方或地下水涌出，對(duì)進(jìn)艙人員安全造成威脅；進(jìn)艙人員在加壓和減壓過程中可能造成人體傷害事故。

根據(jù)目前國內(nèi)外有關(guān)壓縮空氣作業(yè)規(guī)范，如英國1996年衛(wèi)生部制定的《壓縮空氣工作規(guī)范》、我國2014年頒布的CJJ 217—2014《盾構(gòu)法開倉及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》[10]等，帶壓進(jìn)艙作業(yè)一般不能超過0.36 MPa，對(duì)于超過0.36 MPa的高壓空氣作業(yè)，目前國內(nèi)外沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)；我國的GB/T 12521—2008《空氣潛水減壓技術(shù)要求》[11]只適用于潛水深度在60 m以內(nèi)的空氣潛水。在高壓下，作業(yè)人員呼吸的壓縮空氣中的氮?dú)庖兹苡谌梭w組織從而引起“氮麻醉”，對(duì)作業(yè)人員造成傷害； 同時(shí)，工作壓力越高，作業(yè)人員在高壓環(huán)境下持續(xù)工作的時(shí)間將會(huì)越短，而對(duì)應(yīng)的減壓時(shí)間將會(huì)大幅增加，造成帶壓進(jìn)艙作業(yè)的功效降低。因此，目前國內(nèi)帶壓進(jìn)艙換刀的壓力一般控制在0.3 MPa以內(nèi)，若高于0.3 MPa，則需要專業(yè)人員運(yùn)用飽和氣體帶壓進(jìn)艙技術(shù)更換刀具。

帶壓進(jìn)艙換刀需要配合高性能泥漿來穩(wěn)定開挖面。隨著高性能泥漿在盾構(gòu)工程中的成功應(yīng)用，可以利用膨潤土泥漿(或高分子聚合物泥漿)在隧道開挖面形成良好的泥膜(具有密封隧道開挖面、降低透氣性的作用)，以平衡密閉艙內(nèi)壓力并保持開挖面的穩(wěn)定。目前國內(nèi)在壓縮空氣條件下通過利用高質(zhì)量泥膜來維護(hù)掌子面穩(wěn)定繼而進(jìn)行帶壓進(jìn)艙換刀的技術(shù)已經(jīng)成熟[12]。

2.3 飽和氣體帶壓進(jìn)艙換刀技術(shù)

飽和潛水是一種適用于高水壓條件下開展長時(shí)間作業(yè)的潛水方式。作為一種可使?jié)撍畣T直接暴露于高壓環(huán)境下開展水下作業(yè)的潛水方式，飽和潛水已廣泛應(yīng)用于失事潛艇救援、海底施工作業(yè)、水下資源勘探和海洋科學(xué)考察等軍事和民用領(lǐng)域。基于飽和潛水的工作原理，為了擴(kuò)大帶壓進(jìn)艙作業(yè)的適應(yīng)范圍，國外盾構(gòu)制造商聯(lián)合承包商與潛水公司開展?jié)撍c壓縮空氣作業(yè)的相關(guān)研究，提出了飽和氣體帶壓進(jìn)艙作業(yè)工法[13]。

飽和氣體帶壓進(jìn)艙換刀技術(shù)是飽和潛水和帶壓進(jìn)艙換刀相結(jié)合的結(jié)果，其作業(yè)原理同飽和潛水基本相同，僅僅是工作環(huán)境和所處介質(zhì)不同。飽和潛水作業(yè)的工作環(huán)境為海(湖)底，介質(zhì)為海(湖)水；而飽和氣體帶壓進(jìn)艙作業(yè)所處環(huán)境為刀盤密閉艙。為了避免高壓情況下呼吸普通空氣引起的“氮麻醉”現(xiàn)象，一般將普通空氣換成惰性氣體(如氦氣)與氧氣按照比例混合的氣體。目前，采用飽和氣體潛水工作的方法可以連續(xù)工作幾天甚至幾個(gè)星期，工作效率大幅提高，擴(kuò)展了帶壓進(jìn)艙換刀技術(shù)在地下工程領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。南京緯三路過江隧道在修建時(shí)開展了0.65 MPa壓力下的飽和氣體帶壓進(jìn)艙換刀作業(yè)[14]。

2.4 減壓限排換刀技術(shù)

由于帶壓進(jìn)艙換刀技術(shù)具有一定的操作難度，特別是隨著壓力的增加，其難度極劇增加，進(jìn)艙人員(非專業(yè)人員)的工作時(shí)間大大降低。如在0.2 MPa壓力以內(nèi)，進(jìn)艙人員的工作時(shí)間可以達(dá)到3 h左右；在0.2～0.25 MPa壓力下，進(jìn)艙人員的工作時(shí)間在2 h以內(nèi)； 而當(dāng)壓力超過0.35 MPa時(shí)，進(jìn)艙人員的工作時(shí)間不能超過30 min。

減壓限排換刀技術(shù)是指在掘進(jìn)工作面不能自穩(wěn)且地下水較為豐富的地段，通過對(duì)地層滲流場的分析，采取建立泥膜或超前注漿的措施以減小地層滲透系數(shù)，達(dá)到降低平衡壓力、保持隧道開挖面穩(wěn)定且控制工作面滲流量的目標(biāo)，從而提供低壓進(jìn)艙的條件。通過降低進(jìn)艙作業(yè)壓力，既可以保證安全作業(yè)，又可以大大提高帶壓進(jìn)艙的工作效率。

減壓限排換刀常采用的措施有： 通過對(duì)滲流場的分析，確定允許的滲流量，以確保排水能力能夠滿足要求；通過建立泥膜或采取超前注漿措施，確保滲流量可控；通過建立一定的平衡壓力，分析工作面的平衡性，以確定降壓幅度；在密閉艙內(nèi)建立可靠的排水措施，在排水的情況下確保艙內(nèi)氣壓的穩(wěn)定。減壓限排換刀技術(shù)在廣深港獅子洋海底隧道的修建中得到了應(yīng)用[15]。

3 廈門軌道交通2號(hào)線跨海段滾刀磨損預(yù)測

3.1 巖樣磨蝕性實(shí)驗(yàn)

為了預(yù)測廈門軌道交通2號(hào)線跨海段的滾刀磨損，通過鉆孔取芯獲取了不同分化程度的花崗巖、石英砂巖、安山巖、凝灰熔巖以及泥質(zhì)砂巖的現(xiàn)場巖樣。通過巖石礦物成分衍射實(shí)驗(yàn)獲取各類巖石的礦物成分構(gòu)成，并通過文獻(xiàn)[16]的方法計(jì)算得到了巖石的等效石英含量；通過MTS實(shí)驗(yàn)機(jī)巖石單軸壓縮實(shí)驗(yàn)獲取巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；通過巖石磨損性伺服儀獲取巖石的磨蝕性指標(biāo)CAI值。巖石磨蝕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

通過巖石磨蝕性指標(biāo)CAI值可初步判斷廈門軌道交通2號(hào)線跨海段各類巖石對(duì)滾刀的磨損程度，另外從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出巖石的磨蝕性與等效石英含量和抗壓強(qiáng)度的乘積具有一定的正相關(guān)性。

表1 巖石磨蝕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注： 兩項(xiàng)乘積為等效石英含量與抗壓強(qiáng)度的乘積。

3.2 滾刀磨損的理論模型預(yù)測

廈門軌道交通2號(hào)線跨海段擬采用泥水平衡盾構(gòu)施工，開挖直徑7.05 m，刀盤上布置17 in雙刃滾刀4把，18 in單刃滾刀39把，共計(jì)47個(gè)刀刃。18 in刀圈允許的最大磨損量為30 mm，但一般超過25 mm即需要進(jìn)行更換。根據(jù)文獻(xiàn)[17]建立的理論預(yù)測模型對(duì)不同安裝位置滾刀的磨損速率與換刀距離進(jìn)行預(yù)測，得出不同巖性條件下滾刀的磨損速率和換刀距離如圖3所示。

從理論預(yù)測結(jié)果可以看出： 對(duì)于磨蝕性相對(duì)較高的中風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化石英砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖以及中風(fēng)化安山巖，邊滾刀的不換刀掘進(jìn)距離在100 m左右，正滾刀的不換刀距離掘進(jìn)在200 m左右。因此建議： 1)從進(jìn)入地震反射較硬巖面線到盾構(gòu)出洞約440 m的全斷面硬巖段，每掘進(jìn)100 m更換邊滾刀一次，每掘進(jìn)200 m更換全盤滾刀一次； 2)從入海到進(jìn)入地震反射較硬巖面線之前，盾構(gòu)穿越的地層主要為全風(fēng)化或碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化的泥質(zhì)砂巖和變質(zhì)砂巖，建議每掘進(jìn)200～250 m更換邊滾刀一次，每掘進(jìn)400～500 m更換全盤滾刀一次。

(a) 磨損速率預(yù)測

(b) 換刀距離預(yù)測

3.3 滾刀磨損的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測

根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，直徑18 in刃寬3/4 in的滾刀刀圈的最大磨損質(zhì)量為7.0 kg，參考滾刀質(zhì)量損失率與CAI的關(guān)系[4]，根據(jù)滾刀的磨蝕性實(shí)驗(yàn)分析得出

λ=0.75CAI。

式中λ表示滾刀每破巖1 m3所消耗的滾刀質(zhì)量。

隨著盤形滾刀安裝半徑的增大，滾刀的磨損速率加快。根據(jù)已有地鐵盾構(gòu)刀具消耗的統(tǒng)計(jì)結(jié)果[17]，邊滾刀累計(jì)磨損量往往有正滾刀平均累計(jì)磨損量的2倍之多，因此邊滾刀的換刀距離通常為正滾刀平均換刀距離的1/2。

根據(jù)各類巖石的磨蝕性指標(biāo)CAI預(yù)測整個(gè)刀盤滾刀的換刀掘進(jìn)距離，將表1中各類巖石的CAI值帶入公式求得滾刀的質(zhì)量損失率；刀圈允許的最大磨損質(zhì)量除以滾刀的質(zhì)量損失率，計(jì)算得出單把滾刀的最大破巖量；所有滾刀的最大破巖量之和除以隧道斷面面積，得到滾刀的平均換刀距離，結(jié)果如表2所示。

從實(shí)驗(yàn)預(yù)測結(jié)果來看，除凝灰熔巖外，其他巖石平均換刀距離為200～300 m，邊滾刀換刀距離為100～150 m。由此得出以下建議： 1)從進(jìn)入地震反射較硬巖面線到盾構(gòu)出洞約440 m的全斷面硬巖段，每掘進(jìn)100 m更換邊滾刀一次，每掘進(jìn)200 m更換全盤滾刀一次； 2)從入海到進(jìn)入地震反射較硬巖面線之前，盾構(gòu)穿越的地層主要為全風(fēng)化或碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化的泥質(zhì)砂巖和變質(zhì)砂巖，建議每掘進(jìn)200～250 m更換邊滾刀一次，每掘進(jìn)400～500 m更換全盤滾刀一次。

表2 基于實(shí)驗(yàn)預(yù)測模型的滾刀換刀距離

Table 2 Prediction results of disc cutter replacing places based on testing prediction model

巖石類別風(fēng)化程度CAI/mm平均換刀距離/m邊滾刀換刀距離/m花崗巖石英砂巖安山巖凝灰熔巖泥質(zhì)砂巖微風(fēng)化0.410200.9100.5中風(fēng)化0.391220.9110.5微風(fēng)化0.390222.0111.0中風(fēng)化0.383230.2115.1微風(fēng)化0.338295.6147.8中風(fēng)化0.328313.9156.9微風(fēng)化0.205803.6401.8中風(fēng)化0.187965.7482.8微風(fēng)化0.341290.4145.2中風(fēng)化0.338295.6147.8

4 廈門軌道交通2號(hào)線跨海段滾刀更換的位置與工法建議

根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)2個(gè)方面的刀具磨損初步預(yù)測結(jié)果，將跨海段(約2 500 m掘進(jìn)距離)劃分為4個(gè)區(qū)段進(jìn)行研究。

4.1 淤泥掘進(jìn)段

盾構(gòu)從海滄大道側(cè)始發(fā)，至1#聯(lián)絡(luò)通道入海之前，該掘進(jìn)段長約350 m，盾構(gòu)主要在淤泥中掘進(jìn)，地層對(duì)刀具的磨蝕性低，不換刀掘進(jìn)距離可達(dá)500 m以上。

該掘進(jìn)段刀具配置建議采用全盤軟土刀具。由于滾刀在淤泥地層中掘進(jìn)時(shí)往往達(dá)不到滾刀的啟動(dòng)扭矩且易結(jié)泥餅，導(dǎo)致滾刀偏磨，因此不宜采用盤形滾刀。該掘進(jìn)段主要為陸地段，掘進(jìn)結(jié)束后在1#聯(lián)絡(luò)通道附近可對(duì)地層進(jìn)行加固，換刀方式建議采用常壓開艙換刀，將全盤軟土刀具更換成全盤滾刀，為進(jìn)入全風(fēng)化或碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化段并開始全面入海做好準(zhǔn)備。

4.2 全強(qiáng)風(fēng)化低壓段

從1#聯(lián)絡(luò)通道全面入海到大兔嶼進(jìn)入主航道海域之前，該掘進(jìn)段長約860 m，地層主要以全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、變質(zhì)砂巖和泥質(zhì)砂巖為主，巖石風(fēng)化程度高。根據(jù)理論與實(shí)驗(yàn)預(yù)測結(jié)果，該掘進(jìn)段建議每掘進(jìn)200～250 m更換邊滾刀一次，每掘進(jìn)400～500 m更換全盤滾刀一次。

該掘進(jìn)段需換刀4次，其中第3次在大兔嶼1#中間風(fēng)井處更換。由于大兔嶼1#中間風(fēng)井采用礦山法施工，可以提前進(jìn)行地層處理，故可采用常壓開艙換刀；其余3次均在海底換刀，但由于埋深和水深均淺，進(jìn)艙壓力小于0.3 MPa，屬于低壓區(qū)，換刀工法可采用帶壓進(jìn)艙換刀。在4次換刀中，第1次和第3次更換邊滾刀，第2次和第4次更換全盤滾刀。

4.3 全強(qiáng)風(fēng)化高壓段

從大兔嶼進(jìn)入主航道海域到進(jìn)入地震反射較硬巖面線之前，該掘進(jìn)段長約870 m，地層主要以全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、變質(zhì)砂巖和泥質(zhì)砂巖為主，巖石風(fēng)化程度高。根據(jù)理論與實(shí)驗(yàn)預(yù)測結(jié)果，該掘進(jìn)段建議每掘進(jìn)200～250 m更換邊滾刀一次，每掘進(jìn)400～500 m更換全盤滾刀一次，需換刀4次。

該掘進(jìn)段刀具配置建議采用全盤滾刀。由于主航道下方的水壓普遍大于0.3 MPa，最大為0.55 MPa，因此普通的帶壓進(jìn)艙換刀已無法滿足工程需要，需采用飽和氣體帶壓進(jìn)艙換刀技術(shù)。該掘進(jìn)段頂部地層主要為淤泥和泥質(zhì)砂巖，具有很好的氣密性；開挖面則需制備優(yōu)質(zhì)泥膜來確保換刀空間的密閉性。該區(qū)段換刀壓力均大于0.3 MPa，普通作業(yè)人員已無法完成，需聯(lián)系專業(yè)潛水公司采用飽和氣體帶壓進(jìn)艙技術(shù)換刀。

4.4 中微風(fēng)化硬巖段

進(jìn)入地震反射較硬巖面線到盾構(gòu)出洞為全斷面硬巖段，該掘進(jìn)段長約440 m，地層主要以中微風(fēng)化變質(zhì)石英砂巖為主，對(duì)刀具消耗嚴(yán)重。根據(jù)理論與實(shí)驗(yàn)預(yù)測結(jié)果，該掘進(jìn)段建議每掘進(jìn)100～150 m更換邊滾刀一次，每掘進(jìn)200～250 m更換全盤滾刀一次，需換刀3次。

該掘進(jìn)段刀具配置建議采用全盤滾刀。由于海底地層穩(wěn)定性好、透水性中等，同時(shí)考慮作業(yè)效率，建議采用減壓限排換刀方式。

5 結(jié)論與討論

通過對(duì)廈門軌道交通2號(hào)線跨海段現(xiàn)場巖樣開展磨蝕性實(shí)驗(yàn)和換刀工法適應(yīng)性的分析，得到以下結(jié)論。

1)基于理論預(yù)測模型和實(shí)驗(yàn)預(yù)測模型對(duì)跨海段巖石地層刀具磨損進(jìn)行預(yù)測，建議中微風(fēng)化地層每掘進(jìn)100～150 m更換邊滾刀一次，每掘進(jìn)200～300 m更換全盤滾刀一次；全強(qiáng)風(fēng)化地層每掘進(jìn)200～250 m更換邊滾刀一次，每掘進(jìn)400～500 m更換全盤滾刀一次。

2)掘進(jìn)距離為350 m的淤泥掘進(jìn)段建議采用全盤軟土刀；掘進(jìn)距離為860 m的全強(qiáng)風(fēng)化低壓段建議采用全盤滾刀，換刀4次，換刀工法以帶壓進(jìn)艙換刀為主；掘進(jìn)距離為870 m的全強(qiáng)風(fēng)化高壓段建議采用全盤滾刀，換刀4次，換刀工法以飽和氣體帶壓進(jìn)艙換刀為主；掘進(jìn)距離為440 m的中微風(fēng)化硬巖段建議采用全盤滾刀，換刀3次，換刀工法以減壓限排換刀為主。

盾構(gòu)在地質(zhì)條件復(fù)雜的地層中掘進(jìn)，滾刀不僅會(huì)發(fā)生正常磨損，也會(huì)發(fā)生異常磨損。異常磨損的發(fā)生往往存在偶然性，無法進(jìn)行有效預(yù)測，一旦滾刀發(fā)生異常磨損，跨海隧道盾構(gòu)施工將面臨嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于本文預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，需進(jìn)一步對(duì)該工程跟進(jìn)研究，通過了解施工現(xiàn)場刀具的更換情況，對(duì)預(yù)測方法進(jìn)行驗(yàn)證與修正。

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Prediction of Disc Cutter Wear and Replacement of Shield used in Sea-crossing Section of Xiamen Rail Transit Line No. 2

XU Liming1, YANG Yandong2, ZHOU Jianjun2, CHEN Kui2, CAI Guangyuan1

(1. Xiamen Rail Transit Group Co., Ltd., Xiamen 361001, Fujian, China; 2. State Key Laboratory of Shield Machine and Boring Technology, Zhengzhou 450001, Henan, China)

It is very important to reduce the construction risk of shield disc cutter replacement. The shield disc cutter replacing places of sea-crossing section of Xiamen Rail Transit Line No. 2 are predicted based on theoretical prediction model and testing prediction model under different kinds of rocks. The shield disc cutter replacing places and technologies are proposed by analyzing the feasibility of cutter replacing technologies. 1) The cutting cutter is used in silt soil; the cutter is replaced close to connecting gallery No.1 under atmospheric pressure. 2) The disc cutter is used in fully-weathered soil with low pressure; the cutters should be replaced by 4 times under hyperbaric pressure (1 times at intermediate ventilation shaft No. 1 and 3 times under sea). 3) The disc cutter is used in fully-weathered soil with high pressure; the cutters should be replaced by 4 times under saturated air hyperbaric pressure. 4) The disc cutter is used in moderately-slightly weathered soil; the cutters should be replaced by 3 times by using pressure reduction method.

sea-crossing tunnel; disc cutter wear; wear prediction; disc cutter replacement; cutter replacing method

2016-04-26;

2016-06-28

廈門市科技計(jì)劃重大項(xiàng)目(3502Z20151006)； 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目(2014CB046906)； 中鐵隧道集團(tuán)科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(隧研合2014-01)

許黎明(1962—)，男，福建泉州人，1983年畢業(yè)于福州大學(xué)，道路與橋梁專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，從事城市軌道交通建設(shè)管理及技術(shù)研究工作。E-mail: xlm1962@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.015

U 455.43

A

1672-741X(2016)11-1379-06