淺談盾構(gòu)刀具破除地連墻的配置方法

李書鵬

(洛陽九久科技股份有限公司，河南洛陽471000)

1 工程概況

福州地鐵4號線一期鰲峰路站—江邊村站區(qū)間長度為1625.619 m，下穿閩江（里程為YAK23+225～YAK23+721）與躍進(jìn)河（里程為YAK23+950～YAK24+115），隧道與閩江地表水存在密切的水力聯(lián)系，區(qū)間采用2臺φ6 460 mm泥水平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。原刀盤刀具配置見表1。隧道管片結(jié)構(gòu)的洞徑外徑尺寸為6.0 m，上下行均使用單線盾構(gòu)。

表1 原刀盤刀具配置

區(qū)間隧道主要穿越地層為＜2-4-2＞淤泥質(zhì)土、＜2-4-4＞淤泥夾砂、＜2-4-6＞中細(xì)砂（含泥）、＜3-1＞粉質(zhì)黏土、＜3-2＞粉細(xì)砂、＜3-4＞淤泥質(zhì)土。區(qū)間巖土層的類別、性質(zhì)、物理力學(xué)性質(zhì)差別較大，且厚度埋深變化較大，隧道綜合圍巖等級為VI級。區(qū)間穿越的地面為萬達(dá)廣場、閩江、市區(qū)道路、躍進(jìn)河、居民區(qū)。區(qū)間地質(zhì)斷面圖（局部）如圖1所示。

圖1 區(qū)間地質(zhì)斷面圖（局部）

由于區(qū)間地層非常軟，為了解決盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出隧道人工鑿地連墻安全風(fēng)險大、工期長的問題，經(jīng)綜合考慮，項目部決定采用鋼套筒的方式始發(fā)和接收，由盾構(gòu)刀具直接對地連墻進(jìn)行破除。進(jìn)出隧道兩端的地連墻采用的是玻璃纖維筋加C35混凝土，厚度800 mm，經(jīng)現(xiàn)場檢測混凝土強(qiáng)度最大達(dá)到46 MPa，區(qū)間沒有合適的開倉檢查或更換刀具的位置。

2 難點分析

對于該項目來說，盾構(gòu)機(jī)的性能參數(shù)完全可以滿足盾構(gòu)施工的要求，最可能出現(xiàn)的問題是刀盤刀具的適應(yīng)性，所以刀盤刀具如何配置是直接影響盾構(gòu)施工是否順利的重要因素，既要滿足在軟土地層中一次性順利貫通區(qū)間的要求，又要具備進(jìn)出隧道洞門破除地連墻的能力，同時還要盡可能降低刀具的消耗成本。

在刀具選型方面，如果采用切削巖層或高強(qiáng)度混凝土的主流刀具——球齒滾刀，雖然區(qū)間整體掘進(jìn)施工沒有問題，但刀具成本太高，據(jù)實際測算球齒滾刀的費用是合金類軟土刀具費用的3～5倍。如果采用合金類軟土刀具，雖然其具有磨損儲量大、區(qū)間掘進(jìn)效率高、綜合成本低等諸多優(yōu)勢，但因為合金類軟土刀具在巖層中的破巖能力較弱，僅適用于破碎天然單軸抗壓強(qiáng)度在30 MPa以下的巖石和軟土[1]。另外，混凝土和巖層不同，毫無紋理可言，在磨削地連墻高強(qiáng)度混凝土?xí)r極有可能出現(xiàn)合金崩裂或脫落的情況，不能完全保證隧道后續(xù)施工的安全。

合金類軟土刀具破除地連墻的過程幾乎沒有貫入度可言，純粹以磨削為主，效率非常低，對隧道地連墻周圍的土體擾動較大，在實施過程中存在諸多安全隱患。

所以，項目施工的難點就在于如何保證盾構(gòu)刀具在安全高效破除地連墻的前提下，順利經(jīng)濟(jì)地一次性貫通區(qū)間隧道。

3 刀盤刀具配置

經(jīng)綜合考慮各方因素，最終決定刀盤刀具的配置采取以下幾點措施：

1）采取球齒滾刀和可更換撕裂刀間隔布置的方式，將球齒滾刀作為破除隧道地連墻混凝土的主要力量，并且球齒滾刀在軟土地層中也不易偏磨，而在軟土地層中施工則主要靠可更換撕裂刀刮削掌子面，從而使不同種類刀具在相應(yīng)的工況下發(fā)揮各自優(yōu)勢。

2）在設(shè)計刀具高度時，保證滾刀高度比可更換撕裂刀高10～15 mm，這樣在破除地連墻時，滾刀在刀盤推力作用下先接觸掌子面并貫入一定深度，在刀圈刃口和側(cè)面形成高應(yīng)力壓碎區(qū)和放射狀裂紋，隨著滾刀持續(xù)滾壓，裂紋逐漸擴(kuò)展[2]，從而最大限度減小撕裂刀的破碎體積，緩解撕裂刀接觸掌子面后破碎混凝土?xí)r的受力狀況，減小或避免撕裂刀合金的損壞，保證其在后續(xù)軟土地層中的順利長距離掘進(jìn)和出洞時破除地連墻的可靠性。刀具破除地連墻示意圖如圖2所示。

圖2 刀具破除地連墻示意圖

3）在破除地連墻的過程中，刀盤中心1#軌跡刀具的受力狀況比較復(fù)雜，撕裂刀在該位置破巖效果最差。為避免在破除地連墻時刀盤中心出現(xiàn)巖脊的情況，刀盤1#軌跡要布置球齒滾刀。

4）刀盤41#和42#軌跡上各有2把刀，為了避免破除洞門時由于刀具磨損或異常損壞出現(xiàn)“卡盾”的情況，同時為保證在區(qū)間軟土地層中的順利掘進(jìn)，在這兩個軌跡上都分別布置1把球齒滾刀和1把可更換撕裂刀。

5）為了降低刀具綜合成本，在滿足施工要求的情況下，保持刀盤其他既有刀具的結(jié)構(gòu)及數(shù)量不變。

改進(jìn)后刀具軌跡圖如圖3所示，改進(jìn)后刀盤刀具配置如表2所示。

表2 改進(jìn)后刀盤刀具配置

圖3 改進(jìn)后刀具軌跡圖

4 使用效果

福州地鐵4號線一期鰲峰路站—江邊村站區(qū)間左右線刀盤的刀具配置采用上述方法后，刀盤進(jìn)出隧道洞門時均安全高效的破除地連墻，并一次性貫通區(qū)間隧道。出洞后，刀盤刀具使用情況良好，幾乎沒有出現(xiàn)異常損壞的情況，使用效果完全符合預(yù)期，說明了這種刀具配置方法的正確性。

另外，這種刀具配置方法不僅可應(yīng)用于對地連墻的破除，對侵入隧道的建筑樁基和地鐵車站圍護(hù)樁的破除同樣適用，具有一定的借鑒意義。